Prokaryot anaerob mengoksidasi NADH dan pembawa elektron lain respirasi anaerobik (nitrat, sulfat atau fumarat sebagai akseptor elektron) atau

6

Prokaryot anaerob mengoksidasi

NADH dan pembawa

elektron

lain

→

respirasi

anaerobik

(nitrat, sulfat atau fumarat sebagai

akseptor elektron) atau fermentasi

6

Fermentasi : lintasan dimana

NADH

(akseptor

elektron

lainnya) dioksidasi pada lintasan

tsb

→

terjadi di sitosol

→

ATP

dari fosforilasi tingkat substrat.

6

Fermentasi hanya terjadi di

prokariot, pada khamir butuh

O

₂

kecuali bila ada sterol dan

asam lemak tak jenuh

Beberapa sel hewan mampu

berfermentasi seperti sel otot,

sel darah merah manusia.

Jenis fermentasi tergantung

produk

akhir

utama:

fermentasi etanol oleh khamir,

fermentasi asam laktat oleh

sel otot, sel darah merah

manusia.

Fermentasi karbohidrat

diklasi-fikasikan dalam 6 grup: laktat,

etanol, butirat, asam campuran,

propionat, homoacetat.

Toksisitas

oksigen:

Oksigen

tereduksi

(radikal

hidroksil,

radikal superoksida, hidrogen

peroksida) bersifat toksik bagi

anaerob obligat.

Bentuk superoksida terbentuk

karena penambahan 1 elektron

O

₂

+ e

-

→

O

₂

-Flavoprotein,

quinon

dan

protein

FeS

melepas

Organisme aerobik memiliki

superoksida dismutase

O

₂

-

+ O

₂

-

+ 2H

+

→

H

₂

O

₂

+ O

₂

H

₂

O

₂

+ H

₂

O

₂

→

H

₂

O + O

₂

fermentasi

Reduksi

Fermentasi

asam

amino,

karbohidrat, purin, pirimidin

→

asam organik dan alkohol

→

CO

₂

, CH

₄

dan H

₂

(berbagai

tipe

bakteri)

→

rantai

makanan anaerobik

→

siklus

karbon.

Asetogen

pereduksi

proton

obligat mengoksidasi butirat,

propionat,

etanol

dan

komponen lain ke asetat, CO

₂

dan H

₂

sumber utama /

satu-satunya

“electron sink”

adalah

proton.

Fisiologinya

belum

elektron

dari

substrat

→

pembawa elektron intermediat

(NAD+)

→

hidrogenase

→

H

+

.

Contoh

CH

₃

CH

₂

COO

-

+

3H

₂

O

→

CH

₃

COO

-

+ HCO

₃

-

+ H

+

= 3H

₂

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

Out

In

H+ _{+ NADH} 2H+ _{+ Fumarat} Suksinat 2e -QLOOP 2H+

Out

In

2H+ _{+ Fumarat} Suksinat AH2 A+2H+ 2e

-C. Pompa proton dan produk efflux

Out

In

Laktat nH+

Out

In

OAA CO2+ Piruvat 2Na+

D. Na+_{bebas mendekarboksilasi asam}

organik

E. Oksalat elektrogenik menjadi Format

Out

In

-_O 2C-CO2 -HCOO -H+ CO2 -_O 2C-CO2

-Lintasan Akrilat

→

propionat

Clostridium propionicum

:

3 laktat

→

2 propionat + 1

asetat + 1 CO

₂

+ 1ATP

ATP

dari fosforilasi tingkat

substrat pada konversi

asetil-P ke asetat (asetat kinase).

Satu asetat per 3 laktat

→

1/3

ATP /lintasan

Penting!

Pada

glikolisis

produksi

asetat

berasosiasi

dengan

pembentukan 2 ATP.

CH3 CHOH COOH (2H) 1 CH3 C COOH O 2 (2H) CO2 CoASH 3 CoASH CH3 O C ∼SCoA Asetil-CoA CH3 C O ∼P Asetil-P O 4 ADP ATP CH₃ COOH Asetat O C ∼SCoA Laktil-CoA CH₃ CHOH Akrilil-CoA O C ∼SCoA CH₂ 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 1

bahan organik ke yang lain

(CoA transferase)

Lintasan suksinat-propionat

&Pada

Propionibacterium

:

Gram +, anaerobik, non motil,

tak

berspora,

batang

pleomorfik,

hewan

normal

rumen

herbivora,

kulit

manusia, produk susu.

&

Digunakan pada pembuatan

keju swiss.

&

Menghasilkan lebih banyak

Reaksi transkarboksilasi utk

menyimpan ATP

…

Karboksilasi piruvat dengan

piruvat karboksilase dan CO

₂

,

butuh ATP

…

Propionibacterium :

methyl-malonyl-CoA-pyruvat

transkarboksilase

→

transfer

grup karboksil dari

methyl-malonyl-CoA ke piruvat tanpa

ATP

CO2 _O C ∼SCoA 3CH3 CHOH COOH 6(H) 1 3CH3 C COOH O 2 (2H) CoASH 3 CH3 Asetil-CoA CH3 C O ∼P Asetil-P O 4 ADP ATP CH3 COOH Asetat 5 6 7 4(H) 2H₂O Laktat _Piruvat C C 2COOH COOH H₂ O Oksaloasetat 2COOH CH₂ C HOH COOH Malat C C COOH 2COOH H H _Fumarat 8 ADP+Pi ATP 4(H) C C COOH 2COOH H2 H₂ Suksinat 9 C C C COOH H₂ H2 ∼SCoA O Suksinil-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

dapat

memproduksi

suksinat

dan

propionat sebagai produk akhir

bila ditumbuhkan pada glukosa

→

memiliki karboksilase C3 ke

C4.

PEP + CO

₂

+ P

→

oxaloasetat

+ PPi

PPi digunakan untuk fosforilasi

Fru-6P dan serin (Fosfoserin)

Oxaloasetat

direduksi

ke

suksinat

Lintasan

dari

PEP

ke

Suksinat:

1. Fumarat sebagai electron

sinks yang memungkinkan

NADH di oksidasi

2. Fumarat reduktase

→

situs

penggabungan

Suksinat dapat dikonversi ke

succinyl-CoA

yang

dibutuhkan

untuk

biosintesis tetrapyrol, lisin,

asam diaminopimelat dan

metionin

Fermentasi

asetat

(asetogenesis)

C

C. thermoaceticum

: CO

₂

sebagai

electron

sink

melalui lintasan asetil CoA

C

Desulfotomaculum

thermobenzoicum

(pereduksi

sulfat)

: jika tumbuh pada

piruvat tanpa sulfat

Desulfobulbus

propionicus

memfermentasi

piruvat

ke

asetat dan propionat melalui

lintasan suksinat-propionat

4CH3 C COOH O Piruvat 1 8(H) 4CO2 CoASH 4CH3 C ∼SCoA O 4CH3 C O ∼P O 3 4ADP ATP 4CH3COOH Asetat 4 6(H),ATP CO2 CO2 5 (CH3) (CO) 2(H) 6 CH3 C ∼SCoA O CoASH CH3 C O ∼P O 8 ADP 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

I

Grup

yang

heterogen,

anaerob toleran, ada pada kulit

hewan, traktus gastrointestinal,

beberapa

hidup

di

vegetasi,

produk susu, ada penting dalam

bidang medis dan komersial

I

Lactobacillus, Leuconostoc,

Sporolactobacillus, Pediococcus

dan Bifidobacterium

I

Memfermentasi

glukosa

hanya melalui fermentasi

→

ATP

dari

fosforilasi

tingkat

substrat. Kondisi tertentu

→

mentransport laktat keluar sel

dengan

simport

H

+

Tipe fermentasi:

1. Homofermentasi :

glikolisis

2. Heterofermentasi :

pentosa

fosfat

3. Lintasan Bifidum:

Bifidobacterium bifidum

Homofermentasi laktat

Glukosa + 2 ADP + 2 Pi

→

2

laktat + 2 ATP

Heterofermentasi laktat

Laktat

diproduksi

saat

dekarboksilasi dan isomerisasi

pada lintasan pentosa fosfat

Glukosa + ADP + Pi

→

etanol

+ laktat + CO

₂

+ ATP

Lintasan Bifidum

2 glukosa + 5 ADP + 5 Pi

→

3

asetat + 2 laktat + 5 ATP

Menggunakan reaksi pentosa

fosfat dan homofermentatif

Fermentasi asam campuran

dan butanediol

Bakteri

entero

bersifat

anaerob

fakultatif

→

perubahan ke anaerob:

1.Reduktase

terminal

mengganti

oksidase pada

rantai transpor elektron

2.Siklus

TCA

tereduksi.

Suksinat

dehidrogenase

diganti fumarat reduktase

3.Piruvat-format liase diganti

piruvat dehidrogenase

4.Fermentasi

asam

campuran atau butanediol

Fermentasi

asam

campuran

dan butanediol sama

dalam

hal memproduksi asam organik

campuran, CO

₂

dan NADH.

Fermentasi

butanediol

(Serratia,

Enterobacter

dan

Erwinia) banyak memproduksi

2,3 butanediol, asetoin, CO

₂

dan etanol

Fermentasi asam campuran:

Escherichia,

Salmonella,

Shigella

Fermentasi asam campuran

Reaktannya:

PEP + CO

₂

atau

Piruvat

Produknya:

suksinat,

laktat,

asetat, etanol, format, CO

₂

, H

₂

.

Format dioksidasi ke CO

₂

dan

H

₂

oleh

sistim enzim

format-hidrogen liase

yang terdiri atas

format

dehidrogenase

dan

hidrogenase.

Format

dehidrogenase

mengoksidasi format ke

CO

₂

dan

mereduksi

hidrogenase

yang akan mentransfer elektron

Shigella

dan

Erwinia

tak

mempunyai

format-hidrogen

Glukosa

G6P

6-P-Glukonat

2(H) ATP 1 2 3 CO₂ 2(H)

RuMP

CH₂OH Xyl-5-P C C C CH2O O OH HO H O P 1 2 3 4 5 Pi 4 5 CH3 C O ∼P Asetil-P O 1 2 CH3 C ∼SCoA O Pi ₆ 7 2(H) CH3 C H O Asetaldehid 8 2(H) CH3 CH2OH Etanol PGALD C CHOH CH2O P H 3 O 4 5 Pi 9 2(H) C O ∼P 1.3 BPGA O CHOH CH₂O P 10 ADP 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

H2O 12

Fumarat

Suksinat

2(H) 13

Asetil-CoA +

1/2 Glukosa

1 2H

PEP

ATP ADP ADP + Pi ATP 2

Piruvat

ADP ATP 3 _CoASH

Format

Asetil-P

ADP ATP 9

Asetat

Pi 8 2(H) 6 _CoASH

Asetaldehid

7

Etanol

Laktat

4 H2 CO2 5 10 Pi 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 dan

asetoin

Dekarboksilasi piruvat oleh

α−

asetolaktat sintase yang bergantung

thiamin

pirofosfat

(TPP)

→

asetaldehid

aktif

terikat

ensim.

Asetaldehid

aktif

ditransfer

ke

piruvat oleh

α−

asetolaktat sintase

membentuk

α−

asetolaktat

→

dekarboksilasi

→

asetoin

→

2,3

butanediol

Produksi butanediol disukai pada

kondisi medium agak asam dan

merupakan

cara

bakteri

mengurangi keasaman pH eksternal

yang disebabkan oleh sintesis asam

organik dari piruvat

Fermentasi butirat

Selain butirat juga sedikit

CO

₂

dan

H

₂

.

Clostridia

proteolitik

penting

pada

dekomposisi

protein

secara anaerob dan disebut

putrefaction

Fermentasi butirat dan

butanol-aseton

Pada

C.acetobutylicum.

Pada

fase

eksponensial

diproduksi butirat, asetat, CO

₂

dan H

₂

(fase asidogenik).

Memasuki

fase

stasioner

konversi

asam

organik

ke

butanol, aseton dan etanol

(fase

solventogenik).

Kemampuan mengirim elektron

ke

hidrogen

melalui

NADH:ferredoxin

oxidoreductase

memungkinkan

bakteri

memproduksi

lebih

banyak asetat

→

lebih banyak

ATP daripada mereduksi

asetil-CoA ke butirat, namun secara

energi tak disukai dan dihambat

oleh akumulasi H

₂

.

2(H) TPP.E

1/2 Glukosa

1 _2(H) ATP 2

_Asetil-CoA

CoASH

Format

OH 6

Asetaldehid

7

Etanol

4 5 CH3 C COOH O Piruvat 3

CO

2

+

H

2 2(H)

CO

₂ 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

Asetoin

9 (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-E N NH2 CH₂ + _N CH2 CH2 O P P Enzim 1 H+ S CH3 + _N Dipolar ion H+ 2 S CH3 + _N CH3 C OH C O O TPP-adduct H+ 3 CO2 S CH3 N : CH3 C OH “Asetaldehid aktif” CH3 C O CO2 b S CH3 + _N CH3 C O H CH₃ C OH CO₂ b S CH₃ + _N

-

Asetolaktat

H CH₃ C C CO₂ CH₃ OH O H+ a S CH3 + _N CH3 C O H H a H+ S CH₃ + _N CH3 C H O Asetaldehid CH₃ C O O Piruvat 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

1 2NAD+ 2 2 Piruvat 3 2CH₃ O C ∼SCoA Asetil-SCoA CoASH Asetoasetaldehid 4 5 O CH3 C CH2 C O ∼SCoA β-Hidroksibutiril-SCoA OH CH3 C CH2 C H O ∼SCoA Krotonil-SCoA CH₃ CH CH C H O ∼SCoA 6 Butiril-SCoA CH3 CH2 CH2 C O ∼SCoA 7 CH₃ CH₂ CH₂ C O∼P Butiril-P O CH₃ CH₂ CH₂ C OH O Asam butirat 8 ADP ATP CoAS Pi H+ _{+ NADH} NAD+ H₂O H+ _{+ NADH} NAD+ Fd_ox Fd_red 2CO₂ 2CoASH 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.

Glukosa ATP ADP 2 17 Glukosa-6-P Fruktosa-6-P 2-Fosfogliseraldehid Pentosa Pentosa-P ADP ATP 1 ATP ADP 4ADP + 2Pi 4ATP 2NAD+ 2NADH + 2H+ 2 Piruvat 2H2 4H+ Fd_ox Fd_red 2CO2 2 Asetil-CoA CoASH Asetoasetil-CoA NAD+ NADH + 2H+ 3 Hidroksibutiril-CoA H₂O 4 Crotonil-CoA NADH + H+ 5 NAD+ Butiril-CoA Butiraldehid NADPH + H+ NADP+ 15 14 Butanol CoASH Pi 6 Butiril-P ATP ADP 7 Butirat 10 Asetoasetatik 11 CO2 Aseton 8 Asetil-P 9 ATP ADP Asetat CoASH 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 Pi NADH NADH 4H+ 2NAD+ 2NADH 2H2 2Fd_ox 2Fd_red 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.