Bab VIII Metabolisme Sel (Retno Indrati)

(1)

Universitas Gadjah Mada 89

Bab VIII Metabolisme Sel

(Retno Indrati)

Metabolisme adalah semua perubahan kimia yang terjadi di dalam sel. Metabolisme dan kata bahasa Romawi metabole yang berarti perubahan.

Proses perubahan kimia yang terjadi dalam sel ada 2 yaitu:

1. Anabolisme (Biosintesa) : merupakan proses pembentukan komponen sel dan nutnien sederhana yang diperoleh dan Iingkungannya. Pada proses ini diperlukan energi.

2. Katabolisme : merupakan proses pemecahan bahan kimia atau nutrien dan Iingkungannya menjadi energi dan hash samping. Energi yang dihasilkan selama proses katabolisme digunakan untuk pergerakan dan pertumbuhan. Selain kedua proses perubahan tersebut ada proses yang disebut ampibolisme yaitu reaksi kimia dalam sel yang selain menghasilkan energi dalam bentuk ATP (ester fosfat) juga menghasilkan prekursor metabolit (asam organik).

Komponen-komponen sel seperti sitoplasma, flagela, nukleotida, envelop, nukleoid, dsb. tersusun dan senyawa-senyawa makromolekul yang terdini dan protein, polisakarida (glikogen, lipopolisakarida, peptidoglikan), lemak, dan asam nukleat (DNA dan RNA). Senyawa makromolekul tersebut merupakan senyawa polimer dan senyawa monomernya yang disebut senyawa building block. Senyawa ‘building block’ beruapa 20 macam asam amino (penyusun protein), 25 macam gula (penyusun polisakanida), 8 macam asam lemak (penyusun lemak), dan 8 macam nukleotida (penyusun asam nukleat). Senyawa building block mi dibentuk dan senyawa prekursor metabolit dengan bantuan ATP dan senyawa reducing power (NAD, dsb.), dimana ketiga senyawa yang disebutkan terakhir mi dihasilkan dan reaksi fueling.

Jalur-jalur metabolik yang digunakan sangat bermacam-macam tergantung mikrobia dan kondisi Iingkungannya. Jalur metabolik merupakan sen reaksi enzimatis yang dipakai untuk memindahkan nutrien ke dalam sel. Jalur-jalur tersebut antara lain:

1. Embden Meyerhof Parnas (EMP)

2. Hexose Monophosphate (HMP) atau pentosa fosfat 3. Siklus Tn Carboxylic Acid (TCA)

4. 2-keto-3-deoksi-6-fosfoglukonat (Entner Doudoroff) 5. Fermentasi

(2)

Fungsi jalur-jalur tersebut adalah untuk menghasilkan: - Prekursor pada pembentukan komponen sel.

- Energi untuk sintesa atau proses lain yang memerlukan enengi. A. REAKSI OKSIDASI DAN REDUKSI DALAM SEL

Reaksi yang terjadi selama metabolisme adalah reaksi kimia yang termasuk dalam reaksi oksidasi dan reduksi. Oksidasi adalah reaksi penghilangan elektron dan suatu senyawa, sedangkan neaksi reduksi adalah reaksi penambahan elektron ke dalam suatu senyawa.

Reaksi oksidasi dan reduksi berperan dalam penggunaaan energi kimia dalam organisme hidup. Di dalam metabolisme makhluk hidup yang terjadi tidak hanya perpindahan elektron saja, tetapi semua yaltu elektron dan protonnya (atau ion H) dan yang berpindah tiap satuan adalah 2 ion H.

Dalam suatu reaksi oksidasi selalu terjadi juga reaksi reduksi. Sehingga dalam reaksi reduksi dan oksidasi (redoks) dan bahan biologi selalu ada yang berperan sebagai donor elektron dan yang lain berperan sebagai penerima elektron. Senyawa donor elektron disebut pereduksi, dan setelah reaksi senyawa tersebut akan teroksidasi. Sedangkan senyawa penerima elektron disebut oksidator, dan setelah bereaksi senyawa tersebut akan terreduksi. Sebagai contoh misalnya reaksi sebagai berikut:

H2 + 1/2 O2 H2O H2: pereduksi, donor electron

O2: oksidator, penerima electron

Kemampuan suatu senyawa untuk memberikan elektron yang dimilikinya dinyatakan dalam potensial reduksL Potensial reduksi diukur secara elektrik dengan senyawa standard H2 dan satuannya Volt (V). Jika dalam suatu reaksi ada ketenlibatan ion H maka potensial reduksinya tergantung pada pH ( atau konsentrasi ion H). Potensial reduksi yang lebih negatip akan membenikan elektronnya kepada senyawa yang potensial reduksinya Iebih positip. Hampir semua senyawa dapat berlaku sebagai pemberi maupun penenima elektron pada waktu reaksi yang berbeda. Potensial reduksi beberapa macam senyawa dapat dilihat pada Tabel 7.

(3)

Tabel 8 -1. Beberapa senyawa dan potensi reduksinya.

Senyawa Potensial reduksi E0’(V)

CO2 /Glukosa 2H/H2 CO2/Metanol CO2/Asam asetat Piruvat/Asam laktat Fumarat/Suksinat Fe3+Fe2+ ½ O2/H2O -0,43 -0,42 -0,38 -0,28 -0,19 +0,03 +0,76 +0,82

Senyawa yang disebelah kii adalah oksidator, sedangkan yang disebelah kanan adalah pereduksi. Misalnya : Fumarat/suksinat

H2 + Fumarat 4 Suksinat

Suksinat + 1/2 O2 4 Fumarat + H2O

Dalam proses katabolisme (proses peruraian), senyawa pemberi elektron merupakan senyawa sumber energi. Porses peruraian senyawa tersebut akan menghasilkan energi yang biasanya dirubah dalam bentuk ATP.

B. TRANSPOT ELEKTRON

Transpot elektron merupakan proses perpindahan elektron dan donor ke aseptornya dalam reaksi yang terjadi selama proses metabolisme. Selama transfer elektron mi terjadi beberapa reaksi oksidasi-reduksi dan selama reaksi tersebut dikeluarkan energi yang kemudian disintesa ke dalam senyawa fosfat berenergi tinggi atau ATP. Proses sintesa ATP dalam sistim transpot elektron disebut fosforilasi oksidatip karena melibatkan aseptor elektron terakhir yang berupa senyawa 02. Senyawa antara yang berperan dalam memindahkan elektron dan donor yang pertama sampai ke aseptor yang terakhir disebut senyawa pembawa elektron (‘electron carrier’). Beberapa senyawa pembawa elektron antara lain:

1. Carrier bebas (freely diffusible):

Misalnya: - NAD (pada umumnya untuk reaksi katabolik) - NADP (pada umumnya untuk reaksi biosintesa) 2. Terikat erat pada enzim:

(4)

Misalnya: - Flavoprotein (protein yang mengandu merupakan gugus prostetik): FAD, FMN, vitamin 82 - Sitokrom

3. Senyawa lain:

Misalnya: - protein yang mengandung Fe dan S - Quinon (koenzim Q): bukan protein

Potensial reduksi dan senyawa pembawa e

- Substart NAD Flavoprotein Protein Fe-S Quinon Sitokrom b Sitokrom c Sitokrom a + 02

Skema transpot elektron adalah sebagal berikut:

C. PEMBENTUKAN ENERGI

Reaksi oksidasi dan reduksi selama metabolisme akan

akan ditransfer ke dalam senyawa fosfat berenergi tinggi (proses fosforilasi). Proses fosforilasi ada 3 macam yaitu:

1. Fosfonlasi tingkat substrat: proses dimana gugus fosfat dan senyawa kimia diambil dan ditempelkan ke ADP untuk

2. Fosfonlasi oksidatif : proses dimana energi yang timbul dan suatu reaksi oksidatif kimiawi senyawa nutrien digunakan untuk mensintesa ATP dan ADP. 3. Fotofosforilasi: proses dimana energi sinar digunakan untuk mensintesa ATP

dariADP.

Universitas Gadjah Mada

Flavoprotein (protein yang mengandung derivat riboflavin yang merupakan gugus prostetik): FAD, FMN, vitamin 82

protein yang mengandung Fe dan S Quinon (koenzim Q): bukan protein

Potensial reduksi dan senyawa pembawa elektron dapat dilihat dibawah ini (-0,40 V)

(- 0,32 V)

(+ 0,80 V)

Skema transpot elektron adalah sebagal berikut:

Reaksi oksidasi dan reduksi selama metabolisme akan mengeluarkan energi yang akan ditransfer ke dalam senyawa fosfat berenergi tinggi (proses fosforilasi). Proses Fosfonlasi tingkat substrat: proses dimana gugus fosfat dan senyawa kimia diambil dan ditempelkan ke ADP untuk membentuk ATP.

Fosfonlasi oksidatif : proses dimana energi yang timbul dan suatu reaksi oksidatif kimiawi senyawa nutrien digunakan untuk mensintesa ATP dan ADP. Fotofosforilasi: proses dimana energi sinar digunakan untuk mensintesa ATP

ng derivat riboflavin yang

lektron dapat dilihat dibawah ini:

mengeluarkan energi yang akan ditransfer ke dalam senyawa fosfat berenergi tinggi (proses fosforilasi). Proses Fosfonlasi tingkat substrat: proses dimana gugus fosfat dan senyawa kimia Fosfonlasi oksidatif : proses dimana energi yang timbul dan suatu reaksi oksidatif kimiawi senyawa nutrien digunakan untuk mensintesa ATP dan ADP. Fotofosforilasi: proses dimana energi sinar digunakan untuk mensintesa ATP

(5)

Senyawa fosfat merupakan senyawa perantara dalam konversi energi, karena:

- Gugus fosfat akan terikat dengan ikatan ester membentuk senyawa dengan ikatan fosfat - ester (P-ester) yang mempunyai energi tinggi, walaupun tidak semua ikatan P-ester mempunyai energi tinggi. Pembentukan senyawa fosfat mi memerlukan energi.

- Hidrolisa senyawa fosfat akan mengeluarkan energi, misalnya:

Glukosa — P - akan mengeluarkan 3,3 Kkaltmole

PEP (fosfoenol piruvat) - akan mengeluarkan 14,8 Kkal/mole

Beberapa senyawa fosfat berenergi tinggi dapat dilihat pada Tabel 8. Tabel 8-2. Senyawa berenergi tinggi.

Energi Senyawa KkaI/mole

Tinggi Asil - AMP

Fosfoenol piruvat 1,3 - difosfo gliserat Asetil - fosfat Asetoasetil - CoA Asetil - fosfat Fosfo - kreatin UDP - glukosa ATP ADP Sukrosa - 13,3 - 13.0 - 12,4 - 10,5 - 10,5 - 10,3 - 9,0 - 7,6 - 7,3 - 7,3 - 6,6 Rendah Aldosa - 1P AMP Glikosida

Ester - fosfat sederhana

-5,0 -3,4 -3,0 -3,0 Adenosin Tnfosfat (ATP)

ATP merupakan senyawa berenergi tinggi yang universal pada organisme hidup, yang merupakan pembawa energi yang utama. Senyawa ml dibentuk pada reaksi yang bersifat eksergonik dan digunakan pada reaksi yang bersifat endergonik. Jadi reaksi eksergonik adalah reaksi kimia yang menghasilkan produk yang mempunyai energi lebih rendah dan pada substratnya dan mengeluarkan energi bebas, sedangkan reaksi endergonik adalah reaksi kimia yang membutuhkan energi bebas untuk proses reaksi.

ATP yang terbentuk pada saat proses metabolisme sel digunakan untuk reaksi biosintesa dan untuk fungsi sel yang lain yang membutuhkan energi. Pada proses

(6)

biosintesa, ATP digunakan untuk mengaktivasi senyawa metabolit antara, seperti misalnya senyawa glukosa (tidak aktif) menjadi glukosa-6-P (aktif).

Jika ATP terdekomposisi akan mengeluarkan energi sebagai berikut: ATP + H20 ADP + P (- 7,3 Kkal)

ADP + H20 AMP + P (- 7,3 Kkal) AMP + H20 Adenosin + P (- 3,4 Kkal)

Gugus fosfat yang dibebaskan akan diberikan ke senyawa metabolit antara sehingga energi bebas standard naik, metabolit antara menjadi aktif dan biosintesa dapat berlangsung.

Pada umumnya senyawa ATP dapat digunakan untuk mengaktivasi senyawa intermediet antara, tetapi beberapa senyawa metabolit antara tertentu tidak diaktivasi oleh senyawa ATP. Tabel 9 memperlihatkan beberapa senyawa berenergi tinggi yang berfungsi untuk proses. aktivasi pada biosintesa suatu senyawa.

Tabel 8-3. Senyawa berenergi tinggi dan kegunaannya pada proses aktivasi.

Senyawa Aktivasi pada biosintesa

Guanosin Trifosfat (GTP) Protein (ribosom)

Uridin Trifosfat (UTP) 1. Lapisan peptidoglikan pada dinding

bakteri. 2. Glikogen.

Sitosin Trifosfat (CTP) Fosfolipida

Deoksitimidin Trifosfat (dTTP) Liposakarida clan dinding bakteni.

Asil-S-CoA Asam lemak

Asil-CoA Asam lemak

D. KATABOLISME

Katabolisme merupakan jalur pemecahan nutrien yang masuk kedalam suatu sel. Dus fungsi pada proses katabolisme yaitu:

1. Pembentukan energi dan nutrien.

2. Menyediakan senyawa ‘building block’ (asam amino, gula, asam lemak, dan nukleotida).

Nutnien yang digunakan oleh sel dapat berupa senyawa kompleks (protein, lemak, atau polisakarida) atau senyawa sederhana (asam amino, gliserol asam Jemak, atau monosakanida). Apabila yang tersedia senyawa kompleks maka mikrobia yang bersangkutan harus mampu mengeluarkan enzim ekstraseluer yang dapat memecah senyawa tersebut menjadi komponen sederhana penyusunnya (misal enzim proteinase, lipase, atau amilase). Kemudian senyawa sederhana ini akan masuk kedalam sel melalui

(7)

sistim trans pot nutnien dan akan dipecah melalul jalur-jalur metabolisme yang sesuai. Pemilihan jalur yang

digunakan tergantung pada 3 hal yaitu: 1. Jenis nutrien / substrat

2. Jenis mikrobia 3. Redoks potensial

Pada umumnya mikrobia akan menggunakan senyawa polisakaridalmonosakarida Iebih dahulu apabila nutrien yang tersedia bermacam-macam.

Jalur pemecahan heksosa yang digunakan oleh mikrobia adalah: 1. Jalur glikolisis (EMP)

Reaksi total dan glikolisis adalah:

Glukosa + 2 NAD 2 Piruvat + 2 ATP + 2 NADH2

Reaksinya bersifat reversibel kecuali 3 reaksi yang dikatalisa oleh enzim-enzim heksokinase, 6-fosfo fruktokinase, dan piruvat kinase. Pada proses pemecahan mi dihasilkan energi ATP yang disebut proses fosfonilasi tingkat substrat yaltu proses sintesa ATP yang terjadi karena pemindahan gugus fosfat dan senyawa organik selama tahapan reaksi enzimatis pada proses katabolisme. Pada mikrobia yang bersifat anaerobik, reaksi perubahan Gliseraldehid-3-P menjadi piruvat merupakan reaksi paling penting untuk pembentukan energi ATP. Reaksi enzimatis pada jalur glikolisis secara lengkap dapat dilihat pada gambar 8. 2. Jalur heksosa monofosfat (HMP)/pentosa fosfat

Pada jalur ini pertama-tama : glukosa akan dipecah menjadi ribulosa-5-P dengan reaksi sebagai berikut:

3 Glukosa-6-P 3 Ribulosa-5-P + 3 CO2 + 6 NADPH2

Ribulosa merupakan senyawa monosakanida yang mengandung 5 atom C. Kemudian ribulosa akan dipecah lebih lanjut menjadi:

3 Ribulosa-5-P 2 Fruktosa-6-P + / Gliseraldehid-3-P Sehingga dan 2 persamaan reaksi tersebut reaksi totalnya adalah:

3 Glukosa-6-P 2 Fruktosa-6-P + / -Gliseraldehid-3-P + 3 CO2

+ 6NADPH2

Ribulosa-5-P akan berkeseimbangan dengan senyawa 5 atom C yang lain yaitu Ribosa-5-P dan Xilulosa-5-P. Senyawa pentosa fosfat ini merupakan prekursor pembentukan senyawa nukleotida dan asam nukleat. Sedangkan Fruktosa-6-P dapat masuk ke jalur EMP atau jalur yang lain. Demikian juga Gliseraldehid-3-P akan masuk ke jalur glikolisis. Secara lengkap jalur pentosa fosfat dapat dilihat pada Gambar 9.

(8)

3. Jalur pemecahan Entner-Doudoroff Jalur ini juga disebut juga jalur 2 total dan pemecahan heksosa melalul jalur

Glukosa 2 Piruvat + 1

Dimana 1 molekul NADPH2 setara dengan I molekul ATP. Secara lengkap jalur dapat dilihat pada Gamban 10.

Tiap-tiap mikrobia berbeda dalam menggunakan jalur pemecahan heksosa. Pnosesntase penggunaan

jalur-berikut.

Gambar 8-1. Jalur pemecahan glukosa melalui fruktosa

Doudoroff

juga disebut juga jalur 2-keto-3-deoksi-6-fosfoglukonat atau KDPG. Reaksi total dan pemecahan heksosa melalul jalur ini adalah sebagai berikut:

NAD(P)H2 + 1 NADH2 + 1 ATP

molekul NADPH2 setara dengan I molekul ATP. Secara lengkap jalur tiap mikrobia berbeda dalam menggunakan jalur pemecahan heksosa.

-jalur tersebut oleh miknobia dapat dilihat pada

1. Jalur pemecahan glukosa melalui fruktosa-1 ,6-bifosfat (Jalur glikolisa ataujalur Mp)

fosfoglukonat atau KDPG. Reaksi

molekul NADPH2 setara dengan I molekul ATP. Secara lengkap jalur ini tiap mikrobia berbeda dalam menggunakan jalur pemecahan heksosa. jalur tersebut oleh miknobia dapat dilihat pada Tabel 10

(9)

Gambar 8-2. Jalur heksosa monofosfat (HMP).

2. Jalur heksosa monofosfat (HMP).

(10)

Gambar 8-3. Jalur Entner-Doudoroff.

Doudoroff.

(11)

Tabel 8-4. Penggunaan jalur pemecahan heksosa oleh

Dan ketiga jalur tersebut hash akhir yang diperoleh adalah 2 molekul asam piruvat. Piruvat yang terbentuk akan dioksidasi menjadi asetil

tergantung mikrobianya. Jalur-jalur oksidasi piruvatadalah 1. Untuk mikrobia aerobik:

Reaksi totalnya adalah:

Piruvat + C0A + NAD Asetil

Reaksi ini dikatalisa oleh kompleks enzim pmruvat

mikrobia aerobik. Kompleks enzim tersebut dan reaksi yan berikut: - Piruvat dehidrogenase: Piruvat + TPP Hidroksietil - Dihidrolipoamid transasetilase: Hidroksietil-TPP + Lipoat Asetil-CoA + Dihidrolipoat - Dihidrolipoamid-dehidrogenase:

Dihidrolipoat + NAD Lipoat + NADH2 2. Untuk bakten anaerobik:

Reaksi totalnya adalah:

Piruvat + C0A + Fd Asetil Reaksi ini dikatalisa oleh enzhm piruvat penting pada beberapa bakteni anaerobik.

3. Untuk bakteri anaerobik penghasil asam format dan mikrobia fototropik: Reaksi totalnya adaah

Piruvat + C0A Asetil-CoA + Asam format

4. Penggunaan jalur pemecahan heksosa oleh mikrobia (%).

Dan ketiga jalur tersebut hash akhir yang diperoleh adalah 2 molekul asam piruvat. Piruvat yang terbentuk akan dioksidasi menjadi asetil-CoA atau di fermentasi menjadi asetaldehid

jalur oksidasi piruvatadalah sebagai berikut:

Asetil-CoA .+ NADH + CO2

i dikatalisa oleh kompleks enzim pmruvat-dehidrogenase yang terdapat pada mikrobia aerobik. Kompleks enzim tersebut dan reaksi yang dikatalisa adalah sebagai

Hidroksietil-TPP + CO2

TPP + Lipoat 6-S-Asetil-dihidrolipoat + TPP Asetil-dihidrolipoat + CoA CoA + Dihidrolipoat

dehidrogenase:

Lipoat + NADH2

Asetil-CoA + 2 FdH + CO2

i dikatalisa oleh enzhm piruvat-feredoksin-oksidoreduktase yang merupakan enzim penting pada beberapa bakteni anaerobik.

3. Untuk bakteri anaerobik penghasil asam format dan mikrobia fototropik: CoA + Asam format

Dan ketiga jalur tersebut hash akhir yang diperoleh adalah 2 molekul asam piruvat. Piruvat CoA atau di fermentasi menjadi asetaldehid

dehidrogenase yang terdapat pada g dikatalisa adalah sebagai

dihidrolipoat + CoA

(12)

Reaksi tersebut dikatalisa oleh enzim phruvat-format-Iiase yang terdapat pada beberapa bakteni anaerob yang dapat menghasilkan asam format, seperti Enterobacteriaceae dan mikrobia fototropik.

4. Untuk yeast dan bakteri penghasil etanol: Reaksi totalnya adalah:

Piruvat Asetaldehid + CO2

Reaksi ini dikatalisa oleh enzim piruvat-dekarboksilase yang terdapat pada yeast atau beberapa bakteri yang dapat menghasilkan etanol.

Siklus Trikarboksilat (TCA)

Asetil-CoA yang terbentuk dan oksidasi asam piruvat dapat masuk ke jalur sikius TCA. Sikius TCA merupakan reaksi oksidasi terakhir (terminal) dan nutrien yang masuk kedalam sel. Pada jalur ni digunakan untuk regenerasi senyawa prekursor proses biosintesa, seperti asam oksoglutarat, oksaloasetat, dan suksinat. Reaksi totalnya adalah:

Asam asetat 2 CO2 + 2NADH2 + NAD(P)H2 + FADH2 + 1 ATP

Asetil-CoA yang masuk akan ciitangkap oleh oksaloasetat. Hilangnya oksaloasetat pada siklus ml akan menghilangkan senyawa penangkap asetil-CoA, sehingga tanpa oksaloasetat sikius TCA akan berhenti. Jika sikius TCA berhenti maka fungsi produksi energi dan sintesa komponen sel juga akan berhenti. Pembentukan senyawa oksaloasetat selain dengan regenerasi dalam sikius TCA itu sendini, juga dapat disintesa melalui jalur anaplerotik. Jalur mi merupakan reaksi karboksilasi sederhana senyawa 3 atom C (piruvat atau fosfoenol piruvat) untuk menghasilkan oksaloasetat atau malat. Reaksi pembentukan. oksaloasetat adalah sebagai berikut:

Piruvat + CO2 + ATP Oksaloasetat + ADP + P

Enzim yang berperan: piruvat-karboksilase

Fosfoenol piruvat + ADP + CO2 Oksaloasetat + ATP

Enzim yang berperan : fosfoenol-piruvat-karboksilase

Modifikasi sikius TCA adalah siklus glioksilat. Pada sikius mi pembentukan asetil-CoA dan asam asetat tanpa melalui senyawa antara piruvat pada kondisi aerobik. Pembentukan oksaloasetat pada sikius glioksilat adalah sebagai berikut:

isositrat Glioksilat + Suksinat Glioksilat + Asetil-COA Malat + CoA

(13)

Malat merupakan senyawa antara pada pembentukan oksaloasetat. Secara terpeninci sikius TCA dengan sikius glioksilat dan jalur anaplerotiknya dapat dilihat pada Gambar 11 dan 12.

E. ANABOLISME

Anabolisme merupakan proses biosintesa kornponen sel seperti protein dan enzim, RNA, DNA dan nibosom, membran sitoplasma, dinding sel, dan sebagainya. Biosintesa tersebut dimulal dan proses katabolisme senyawa monosakarida atau komponen makromolekul yang lain yang menghasilkan metabolit antara yang disebut dengan senyawa prekursor untuk proses sintesa. Senyawa prekunsor untuk biosintesa antara lain:

1. Senyawa metabolit yang terfosfonilasi:

a. Glukosa-6-P e. Triosa-P

b. Fruktosa-6-P f. 3-P-Gliserat

c. Ribosa-5-P g. Fosfoenol-piruvat

(14)

Gambar 8-4. Siklus Thkarboksilat (TCA).

Enzim-enzim yang berperan : 1, sitrat sinntase; 2 & 3, akonitat Hidratase; 4 & 5, isositrat dehidrogenase;

tiokinase; 8, suksinat dehidrogenase; 9, fumarase; 10, malat dehidrogenase; 11, isositrat liase; 12, malat sintase.

us Thkarboksilat (TCA).

enzim yang berperan : 1, sitrat sinntase; 2 & 3, akonitat Hidratase; 4 & 5, isositrat dehidrogenase; 6, oksoglutarat dehidrogenase; 7, suksinat tiokinase; 8, suksinat dehidrogenase; 9, fumarase; 10, malat dehidrogenase; 11, isositrat liase; 12, malat sintase.

enzim yang berperan : 1, sitrat sinntase; 2 & 3, akonitat Hidratase; 4 & 6, oksoglutarat dehidrogenase; 7, suksinat tiokinase; 8, suksinat dehidrogenase; 9, fumarase; 10, malat dehidrogenase;

(15)

Gambar 8-5. Sikus TCA yang menunjukkan jatur anaplerotik dan interaksi katabolisme dan anabolisme.

2. Senyawa metabolit yang tidak terfosforilasi: a. Piruvat

b. Asetil-CoA c. 2-Oksoglutarat (

α

-Universitas Gadjah Mada

5. Sikus TCA yang menunjukkan jatur anaplerotik dan interaksi katabolisme dan Senyawa metabolit yang tidak terfosforilasi:

d. Suksinil-CoA e. Oksaloasetat -ketoglutarat)

(16)

Pembentukan senyawa-antara ini dapat berasal dan senyawa organik (untuk mikrobia yang heterotropik) atau dan CO2 (untuk mikrobia yang bersifat autotropik).

Langkah-langkah dasar dalam proses biosintesa suatu senyawa adalah sebagam benikut:

1. Awalnya dimulai dengan sintesa senyawa ‘building block’, yaitu: asam amino, gula, asam lemak, dan nukleotida.

2. Aktivasi senyawa ‘building block’ dengan cara berikatan dangan senyawa berenergi tinggi, misalnya ATP (tergantung senyawanya). Energi mi digunakan untuk pembentukan ikatan kovalen.

3. Senyawa ‘building block’ yang aktif akan saling berikatan membentuk senyawa kompleks penyusun struktur sel.

Sebagai contoh : Biosintesa protein : 1. Sintesa asam amino.

Dimulai dan sintesa senyawa antara hasil proses katabolisme dalam siklus TCA dan jalur glikolisis, yaitu:

- Oksaloasetat, - 3-P-Gliserat, - Suksinil-CoA,

- Asetil-CoA, - Piruvat, - Fosfoenol-piruvat,

- 2-Oksoglutarat (

α

-ketoglutarat)

Kemudian terjadi reaksi penambahan gugus amino dengan cara sebagai berikut (Gambar 13):

a. Aminasi : penambahan gugus amino dan amonia bebas.

b. Transaminasi : perpindahan gugus amino dan senyawa yang mempunyai gugus amino.

Jalur sintesa 20 macam asam amino esensial dan metabolit antara dapat dilihat pada gambar 14.

2. Proses aktivasi untuk pembentukan senyawa ‘building block’ yang aktif. Asam mino + ATP Asam amino-AMP + Pirofosfat

(aktif) 3. Polimerisasi membentuk protein.

Sintesa protein yang sesuai dengan cetakannya yaitu sesuai dengan sekuen nukleotida dan RNAIDNA.

DNA RNA Protein transkripsi translasi

Senyawa energi tinggi untuk proses aktivasi senyawa ‘building block’ berbeda-beda tergantung jenis senyawanya. Beberapa senyawa dapat dilihat pada Tabel 9 diatas. Untuk aktivasi monosakarida digunakan ATP dan UTP seperti berikut:

(17)

Gambar 8-6. Jalur inkorp

amonia ke dalam asam glutamat yang dikatalisa oleh enzim glutamat dehidrogenase (proses aminasi). B, perpindahan gugus asam amino dan asam glutamat melalui transaminasi sehingga dapat disintesa asam amino lain, dalam hal mi asam aspartat.

C, sikius asimilasi amonia melalui penggaburigan oleh aktMtas glutamat dehidrogenase (aminasi) dan proses transaminasi.

6. Jalur inkorporasi ammonia ke dalam molekul asam amino. A., asimilasi amonia ke dalam asam glutamat yang dikatalisa oleh enzim glutamat dehidrogenase (proses aminasi). B, perpindahan gugus asam amino dan asam glutamat melalui transaminasi sehingga dapat disintesa

amino lain, dalam hal mi asam aspartat.

C, sikius asimilasi amonia melalui penggaburigan oleh aktMtas glutamat dehidrogenase (aminasi) dan proses transaminasi.

orasi ammonia ke dalam molekul asam amino. A., asimilasi amonia ke dalam asam glutamat yang dikatalisa oleh enzim glutamat dehidrogenase (proses aminasi). B, perpindahan gugus asam amino dan asam glutamat melalui transaminasi sehingga dapat disintesa C, sikius asimilasi amonia melalui penggaburigan oleh aktMtas glutamat dehidrogenase (aminasi) dan proses transaminasi.

(18)

Gambar 8 – 7. Sintesa 20 asam amino yang dibutuhkan dalam sintesa protein dan komponen-komponen metabolit antara.

a. Untuk sintesa polisakarida dan glukosa: Glukosa + ATP + UTP UDP

(aktif)

b. Untuk sintesa nukleotida dan nibosa Ribosa-P + ATP Fosfo-Ribosa

(aktif)

Senyawa-senyawa building block untuk gula penyusunnya, yaitu:

1. Sintesa DNA:

a. Punin deoksinibonukleotida b. Pinimidin deoksinibonukleotida : 2. Sintesa RNA :

a. Punin ribonukleotida

7. Sintesa 20 asam amino yang dibutuhkan dalam sintesa protein dan n metabolit antara.

Untuk sintesa polisakarida dan glukosa:

UDP-Glukosa + Pirofosfat (aktif)

Untuk sintesa nukleotida dan nibosa-P:

Ribosa-Pirofosfat + AMP (aktif)

senyawa building block untuk biosintesa asam nukleat dibedakan menurut

a. Punin deoksinibonukleotida : - dAMP (deoksiadenosin monofosfat) - DGMP (deoksiguanosin monofosfat) b. Pinimidin deoksinibonukleotida : - dCMP (deoksiitidin monofosfat)

- dTMP (deoksitimidin monofosfat)

: - AMP (adenosin monofosfat)

- GMP (guanosin monofosfat)

7. Sintesa 20 asam amino yang dibutuhkan dalam sintesa protein dan

biosintesa asam nukleat dibedakan menurut

dAMP (deoksiadenosin monofosfat) DGMP (deoksiguanosin monofosfat)

(19)

b. Pirimidin ribonukleotida Jalur sintesa senyawa purin dan

Gambar 8-8. Biosintesa purin.

a, senyawa prekursor dasar dan punin skeleton. b, asam inosinat, yaitu awal senyawa purin. c, pembentukan senyawa ATP dan GTP. F. FERMENTASI DAN RESPIRASI

Fermentasi dan respirasi merupakan reaksi oksidasi bahan organik untuk pembentukan energi ATP. Perbedaan dan keduanya adalah ada tidaknya senyawa aseptor elektron terakhir yang berupa oksigen. Fermentasi merupakan proses penghasilan energi tanpa adanya penambahan senyawa

senyawa aseptor elektron terakhir. Ditinjau dan jumlah energi yang dihasilkan, proses respirasi menghasilkan energi lebih banyak dibanding proses fermentasi, karena senyawa karbon (C) sebagal komponen awal akan dioksidasi semuanya menjadi senyawa yang paling sederhana yaitu CO. Selain itu senyawa aseptor elektron terakhir mempunyai beda potensial reduksi yang besar dibanding senyawa pereduksinya, sehingga ATP yang disintesa lebih banyak. Senyawa aseptor elektron in

: - CMP (sitidin monofosfat) - UMP (uridin monofosfat)

Jalur sintesa senyawa purin dan pirimidin dapat dilihat pada Gambar 15 dan 16.

a, senyawa prekursor dasar dan punin skeleton. b, asam inosinat, yaitu awal senyawa purin. c, pembentukan senyawa ATP dan GTP. F. FERMENTASI DAN RESPIRASI

respirasi merupakan reaksi oksidasi bahan organik untuk pembentukan energi ATP. Perbedaan dan keduanya adalah ada tidaknya senyawa aseptor elektron terakhir yang berupa oksigen. Fermentasi merupakan proses penghasilan energi tanpa adanya penambahan senyawa aseptor elektron terakhir, sedangkan respirasi terdapat senyawa aseptor elektron terakhir. Ditinjau dan jumlah energi yang dihasilkan, proses respirasi menghasilkan energi lebih banyak dibanding proses fermentasi, karena senyawa n awal akan dioksidasi semuanya menjadi senyawa yang paling sederhana yaitu CO. Selain itu senyawa aseptor elektron terakhir mempunyai beda potensial reduksi yang besar dibanding senyawa pereduksinya, sehingga ATP yang disintesa lebih

or elektron ini dapat berupa

pirimidin dapat dilihat pada Gambar 15 dan 16.

respirasi merupakan reaksi oksidasi bahan organik untuk pembentukan energi ATP. Perbedaan dan keduanya adalah ada tidaknya senyawa aseptor elektron terakhir yang berupa oksigen. Fermentasi merupakan proses penghasilan energi aseptor elektron terakhir, sedangkan respirasi terdapat senyawa aseptor elektron terakhir. Ditinjau dan jumlah energi yang dihasilkan, proses respirasi menghasilkan energi lebih banyak dibanding proses fermentasi, karena senyawa n awal akan dioksidasi semuanya menjadi senyawa yang paling sederhana yaitu CO. Selain itu senyawa aseptor elektron terakhir mempunyai beda potensial reduksi yang besar dibanding senyawa pereduksinya, sehingga ATP yang disintesa lebih

(20)

Gambar 8-9. Biosintesa pirimidin.

A, senyawa prekursor awal dad pirimidin skeleton. B, biosintesa nukleotida pirimidin. Pembentukan deoksi timidin dan deoksi sitidin terjadi dengan reaksi oleh NAD(P)H oleh enzim ribonukleotid reduktase. Gugus metil dad timidin diterima dad metil tetra hidrofolat. Gugus amino dad sitidin diterima dad glutamin.

oksigen (disebut respirasi aerobik) atau senyawa anorganik : NO anaerobik). Contoh reaksi fermentasi dapa

Glukosa 2 Asam laktat (-29 Kkal/mole) C6H1206 C3H6O3

Glukosa 2 Etanol + 2 CO2 (- 57 Kkal/mole) C6H12O6 C2H6O

Contoh reaksi respirasi dan piruvat menjadi asetil 2 piruvat + CoA + 6 ADP + 02 + 6 P

2 Asetil-Co G. REGENERASI NAD

Set mikrobia mengandung senyawa NAD dalam juml

ini diperlukan sebagai senyawa pembawa elektron selama reaksi oksidasi

9. Biosintesa pirimidin.

A, senyawa prekursor awal dad pirimidin skeleton. B, biosintesa nukleotida pirimidin. Pembentukan deoksi timidin dan deoksi sitidin terjadi dengan reaksi oleh NAD(P)H oleh enzim ribonukleotid reduktase. Gugus metil dad timidin diterima dad metil tetra hidrofolat. Gugus amino dad sitidin diterima dad glutamin.

oksigen (disebut respirasi aerobik) atau senyawa anorganik : NO3 atau SO4 (disebut respirasi

rmentasi dapat dilihat dibawah ini: 29 Kkal/mole)

57 Kkal/mole)

Contoh reaksi respirasi dan piruvat menjadi asetil-C0A adaish sebagai benikut: + 6 Pi

CoA + 2 CO2 + 8 H2O + 6 ATP

Set mikrobia mengandung senyawa NAD dalam jumlah yang terbatas. Senyawa NAD diperlukan sebagai senyawa pembawa elektron selama reaksi

oksidasi-Universitas Gadjah Mada 108

A, senyawa prekursor awal dad pirimidin skeleton. B, biosintesa nukleotida pirimidin. Pembentukan deoksi timidin dan deoksi sitidin terjadi dengan reaksi oleh NAD(P)H oleh enzim ribonukleotida reduktase. Gugus metil dad timidin diterima dad metil tetra hidrofolat.

(disebut respirasi

ah yang terbatas. Senyawa NAD -reduksi yang

(21)

terjadi didalam sel. NAD akan tereduksi menjadi NADH2. Karena jumlahnya yang terbatas, harus ada sistim yang dapat meregenerasi senyawa tersebut. Dalam sel hidup regenerasi ini dilakukan selama proses fermentasi dan respirasi. Jadi fungsi proses fermentasi dan respirasi tersebut selain untuk pembentukan energi ATP juga untuk regenerasi NAD.

Pada proses fermentasi NADH2 digunakan untuk mereduksi senyawa organik penerima etektron, misalnya:

1. Fermentasi alkohol pada yeast:

Glukosa + 2 NAD 2 Asam piruvat + 2 ATP ÷ 2 NADH2 2 Asam piruvat 2 Asetaldehid + 2 CO2

2 Asetaldehid + 2 NADH2 2 Etanol + 2 NAD 2. Fermentasi asam laktat pada bakteri:

Glukosa + 2 NAD 2 Asam piruvat + 2 ATP + 2 NADH2

2 Asam piruvat + 2 NADH2 - 2 Asam laktat + 2 NAD

Dalam reaksi fermentasi mi I mol NADH2 setara dengan pembentukan 1 mol ATP. Sehingga pada reaksi diatas, glukosa diubah menjadi etanol atau asam laktat akan dihasilkan ATP sebanyak 4 mol.

Pada proses respirasi, NADH2 yang terbentuk digunakan sebagal donor elektron

pada sistim transpot elektron, sampal akhirnya elektron tersebut diterima oleh senyawa aseptor elektron terakhir. Selama sistim transpot elektron tersebut akan terbentuk energi ‘proton motive force’ yang kemudian akan ditangkap oleh ADP membentuk ATP. Dalam reaksi ini 1 mol NADH2 setara dengan 3 mol ATP. Jumlah NADH2 yang terbentuk selama

proses glikolisa sampai siklus TCA adalah

Glukosa + 2 NAD 2 Asam piruvat + 2 ATP + 2 NADH2

2 Asam piruvat + 2 NAD 2 Asetil-CoA + 2 CO2 + 2 NADH2

2 Asetil-C0A 4 C02 + 6 NADH2 + 2 FADH2 + 2 ATP

siklus TCA

sehingga total senyawa yang dihasilkan adalah: - NADH2= 10 mol

- FADH2 =2 mol - ATP=4 mol

Dalam sistim transpot elektron, 1 mol NADH2 setara dengan 3 mot ATP dan I mol FADH2 setara dengan 2 mol ATP, sehingga total ATP yang dihasilkan selama proses glikolisis sampai dengan sikius TCA adalah 38 mol.

(22)

H. PENGATURAN METABOLISME

Sistim pengaturan metabolisme dalam set mikrobia dilakukan secara enzimatis yaitu dengan mengatur pembentukan atau aktivitas enzim yang berperan dalam proses metabotisme tersebut. Ada 3 cara pengaturan yai

1. tnduksi enzim:

Yaitu pembentukan suatu enzim oleh suatu senyawa i Pengaturan ini biasanya digunakan untuk mengatur pe

katabolisme, senyawa pengatumya adalah sumber energi atau nutrien yang merupakan substrat dan enzim yang akan diatur. Pada prinsipnya enzim akan terbentuk apabila substratnya tersedia, dan tidak akan diproduksi apabila tidak diperlukan.

2. Represi enzim:

Yaitu penghambatan pembentukan enzim oleh suatu senyawa penghambat (represor). Pengaturan mi digunakan untuk mengatur pembentukan enzim anabolik Pada prinsipnya enzim tidak akan

tersebut telah tersedia. Pada kondisi normal enzim yang bekerja untuk sintesa senyawa ‘building block’ selalu terbentuk Tetapi apabila dalam medium terdapat senyawa ‘building block’ dalam jumlah berlebiha

tersebut akan ditekan. Penghambatan mi sering disebut represi produk akhir.

3. Pengaturan aktivitas enzim:

Aktivitas suatu enzim dipengaruhi oleh beberapa faktor antara lain: a. Senyawa efektor : senyawa yang dapat menaikkan aktivitas

efektor positip), atau senyawa yang dapat mengurangi /menghambat aktivitas enzim (disebut efektor negatip).

b. Enzim kunci: aktivitas satu atau beberapa enzim dalam proses reaksi enzimatis yang melibatkan beberapa macam enzim akan berhenti ata

enzim kuncinya dihambat atau diaktifkan oleh suatu senyawa. Misalnya pada peristiwa penghambatan produk akhir.

H. PENGATURAN METABOLISME

Sistim pengaturan metabolisme dalam set mikrobia dilakukan secara enzimatis yaitu mengatur pembentukan atau aktivitas enzim yang berperan dalam proses

sebut. Ada 3 cara pengaturan yaitu:

Yaitu pembentukan suatu enzim oleh suatu senyawa induser (pendorong). i biasanya digunakan untuk mengatur pembentukan enzim pada

katabolisme, senyawa pengatumya adalah sumber energi atau nutrien yang merupakan substrat dan enzim yang akan diatur. Pada prinsipnya enzim akan terbentuk apabila substratnya tersedia, dan tidak akan diproduksi apabila tidak

Yaitu penghambatan pembentukan enzim oleh suatu senyawa penghambat (represor). Pengaturan mi digunakan untuk mengatur pembentukan enzim anabolik Pada prinsipnya enzim tidak akan terbentuk apabila produk hasil katalisa oleh enzim tersebut telah tersedia. Pada kondisi normal enzim yang bekerja untuk sintesa senyawa ‘building block’ selalu terbentuk Tetapi apabila dalam medium terdapat senyawa ‘building block’ dalam jumlah berlebihan, maka pembentukan enzim tersebut akan ditekan. Penghambatan mi sering disebut represi produk akhir.

Pengaturan aktivitas enzim:

Aktivitas suatu enzim dipengaruhi oleh beberapa faktor antara lain:

Senyawa efektor : senyawa yang dapat menaikkan aktivitas enzim (disebut efektor positip), atau senyawa yang dapat mengurangi /menghambat aktivitas enzim (disebut efektor negatip).

Enzim kunci: aktivitas satu atau beberapa enzim dalam proses reaksi enzimatis yang melibatkan beberapa macam enzim akan berhenti atau meningkat apabila enzim kuncinya dihambat atau diaktifkan oleh suatu senyawa. Misalnya pada peristiwa penghambatan produk akhir.

Sistim pengaturan metabolisme dalam set mikrobia dilakukan secara enzimatis yaitu mengatur pembentukan atau aktivitas enzim yang berperan dalam proses

nduser (pendorong). mbentukan enzim pada proses katabolisme, senyawa pengatumya adalah sumber energi atau nutrien yang merupakan substrat dan enzim yang akan diatur. Pada prinsipnya enzim akan terbentuk apabila substratnya tersedia, dan tidak akan diproduksi apabila tidak

Yaitu penghambatan pembentukan enzim oleh suatu senyawa penghambat (represor). Pengaturan mi digunakan untuk mengatur pembentukan enzim anabolik terbentuk apabila produk hasil katalisa oleh enzim tersebut telah tersedia. Pada kondisi normal enzim yang bekerja untuk sintesa senyawa ‘building block’ selalu terbentuk Tetapi apabila dalam medium terdapat n, maka pembentukan enzim tersebut akan ditekan. Penghambatan mi sering disebut represi produk akhir.

enzim (disebut efektor positip), atau senyawa yang dapat mengurangi /menghambat aktivitas Enzim kunci: aktivitas satu atau beberapa enzim dalam proses reaksi enzimatis u meningkat apabila enzim kuncinya dihambat atau diaktifkan oleh suatu senyawa. Misalnya pada

(23)

Daftar Pertanyaan

1. Terangkan mengenai disimilasi dan asimilasi.

2. Bagaimana sistim penyimpanan dan pemindahan energi hubungannya dengan proses asimilasi dan disimilasi.

3. Apa perbedaan reaksi eksergonik dan endergonik

4. Bagaimana mikrobia dapat mendegradasi nutrient kompleks menjadi komponen sederhana.

5. Bagaimana mikrobia menggunakan proses fermentasi untuk meregenerasi NAD 6. Dengan proses apa asam glutamate dapat disintesa dan asam

α

- ketoglutarat 7. Apa bentuk aktif senyawa building block penyusun peptidoglikan