METABOLISME MIKROBA

METABOLISME MIKROBA

Semua reaksi kimia dalam organisme hidup termasuk mikroorganisme

Aksi keseimbangan energi  reaksi kimia mengeluarkan dan membutuhkan energi

KATABOLISME

Reaksi yang mengeluarkan energi  reaksi katabolik (degradatif) Pemecahan senyawa organik kompleks menjadi bentuk sederhana Umumnya reaksi hidrolitik: menggunakan air dan ikatan kimia dipecah Exergonic: menghasilkan energi lebih dari yang digunakan

Contoh: sel memecah GULA _{CO2 + H2O} ANABOLISME

Reaksi yang membutuhkan energi  reaksi anabolik (biosintetik) Pembentukan molekul organik kompleks dari molekul sederhana Reaksi sintesis dehidrasi (reaksi yang melepas air)

Endergonic: menggunakan energi lebih dari yang dihasilkan Contoh: pembentukan protein asam amino

asam nukleat  nukleotida polisakarida  monosakarida

KATABOLISME DAN ANABOLISME

• Kedua reaksi diperantarai oleh ATP (adenosin trifosfat)

• ATP  menyimpan energi dari reaksi katabolik dan melepasnya untuk reaksi anabolik

• Bila grup fosfat terminal dipecah dari ATP, ADP (adenosin difosfat) akan terbentuk energi dan dilepas untuk reaksi anabolik

ATP ---> ADP + Pi + energi

• Energi dari reaksi katabolik digunakan untuk mensintesis kembali ATP

ADP + Pi + energi ---> ATP

Molekul sederhana seperti:

glukosa, asam amino, gliserol dan asam lemak

Reaksi katabolik Transfer energi dari molekul

kompleks ke ATP

Reaksi anabolik Transfer energi dari ATP ke molekul

kompleks ADP +

Pi Pelepasan panas

Molekul kompleks seperti:

polisakarida, protein, dan lipida

Pelepasan panas

PERANAN ATP DALAM REAKSI ANABOLIK DAN KATABOLIK

ATP

KATABOLISME KARBOHIDRAT

• Mikroba mengoksidasi karbohidrat sebagai sumber utama energi seluler

• Glukosa : sumber energi paling umum

• Proses untuk menghasilkan energi dari glukosa: RESPIRASI SELULER dan FERMENTASI.

• Kedua proses diawali dengan GLIKOLISIS.

• RESPIRASI SELULER: Melibatkan reaksi oksidasi-reduksi yang panjang dan terjadi dalam 3 tahap:

– GLIKOLISIS – SIKLUS KREBS

– RANTAI TRANSPORT ELEKTRON (RTE):

RESPIRASI DAN FERMENTASI:

•Glikolisis

•Siklus Krebs

•Rantai Transport Elektron

Pada mikroba dikenal 4 jalur pemecahan glukosa menjadi asam piruvat

1. Jalur Embden-Meyerhof Parnas (EMP) atau Glikolisis

 eukariota (fungi) & prokariota (kebanyakan bakteri) 2. Jalur Heksosamonofosfat (HMF) = Pentosa Fosfat =

Fosfoglukonat  bakteri, berbagai organisme 3. Jalur Entner-Doudoroff (ED)

 beberapa bakteri, contoh : Zymomonas mobilis penghasil etanol; bakteri asam laktat (homolaktat) 4. Jalur Fosfoketolase (FK)

 bakteri asam laktat heterolaktat

KATABOLISME

1. Jalur Embden-Meyerhof Parnas (EMP) atau Glikolisis

• Merupakan tahap awal respirasi selular

• 10 reaksi kimia  dikatalisis enzim berbeda  dalam 2 tahap 1). tahap persiapan/ preparatori (memerlukan energi)/ATP &

2). energy-conserving. tahap menghasilkan energi/ATP

• Proses ini tidak tergantung oleh adanya oksigen

glukosa-6-fosfat

GLIKOLISIS

GLIKOLISIS

• Pemecahan glukosa (gula 6 karbon)  2 gula 3 karbon dihydroxy- acetone phosphate (DHAP) dan glyceraldehyde 3-phosphate (GP)

• Ke2 gula  oksidasi menjadi 2 molekul asam piruvat  hasilkan energi (ATP)

• Setelah glikolisis selesai, dihasilkan :

Ada oksigen  respirasi aerob (Siklus Krebs &

As. Piruvat Rantai Transpor Elektron)

Tak ada oksigen  respirasi anaerob /fermentasi

• PREPARATORI

– Reaksi 1-4: 2 molekul ATP  fosforilasi molekul glukosa 6 karbon, restrukturisasi, dan dipecah  DHAP dan GP

– Reaksi 5: DHAP (Dihidroksiacetofosfat)  dikonversi menjadi GP

• ENERGY-CONSERVING:

– Reaksi 6-10: 2 molekul GP  dioksidasi menjadi 2 molekul asam piruvat, 2 molekul NAD+  direduksi menjadi NADH (nicotinamide adenine dinucleotide hydrogen) yang

mengandung energi, dan 4 molekul ATP  terbentuk melalui fosforilasi tingkat substrat

Jalur Embden-Meyerhof Parnas (EMP) atau Glikolisis

Net : 2 ATP

(PEP)

Terjadi dlm sitoplasma

&

tidak butuh O₂

Heksokinase

Glu-6 fosfat isomerase Fosfofrukto kinase

Substrat :

- Glukosa : masuk ke sel  difosforilasi (glukosa-6-fosfat) - Fruktosa : fruktosa + ATP fruktosa-6-fosfat + ADP

- Galaktosa : galaktosa + ATP galaktosa-1-fosfat + ADP galaktosa-1-fosfat + UDP-glukosa 

glukosa-1-fosfat + UDP-galaktosa Piruvat  menjadi senyawa awal dalam proses sintesis

selanjutnya Contoh :  asam laktat, etanol dll.

Jalur Entner-Doudoroff (ED)

• bakteri Gram-negatif , bakteri Gram- positif tertentu, dan archaea

* Menggunakan enzim unik 6-fosfoglukonat dehidratase aldolase dan 2-keto-deoksi-6-fosfoglukonat (KDPG) aldolase dan enzim metabolik umum lainnya ke jalur metabolisme lain untuk mengkatabolisme glukosa menjadi piruvat

* Pemutusan KDPG menghasilkan piruvat dan gliseraldehida- 3-fosfat  melewati jalur Glikolisis menghasilkan :

2 mol ATP (net 1 ATP) dan 1 mol NADPH₂

Mikroba yang Menggunakan Lintasan ED :

-Tidak memiliki enzim phosphofructokinase-1.

-Kebanyakan mikroba bersifat aerobik, karena ATP yang dihasilkan per mol glukosa rendah

- Contoh :

Pseudomonas aeruginosa, bakteri Gram (-) Azotobacter, bakteri Gram (-)

Rhizobium, bakteri Gram (-)

Zymomonas mobilis, bakteri Gram (-) facultative anaerob Xanthomonas Campestris, bakteri Gram (-)

• Acetyl CoA  masuk kedalam siklus Krebs, CoA akan terlepas dan acetyl group bergabung dengan senyawa 4 karbon (OXALO-ACETIC ACID) menjadi CITRIC ACID (6 karbon)  tahap awal siklus Krebs

• 2 molekul acetyl CoA yang masuk ke siklus Krebs menghasilkan:

– 4 molekul CO2 melalui dekarboksilasi – 6 molekul NADH

– 2 molekul FADH2 melalui oksidasi-reduksi

– 2 molekul ATP melalui fosforilasi tingkat substrat

• NADH dan FADH2 : produk paling penting dari siklus Krebs karena mengandung paling banyak energi yang berasal dari glukosa

SIKLUS KREBS

• TRICARBOXYLIC ACID atau CITRIC ACID CYCLE

• Asam piruvat hasil glikolisis tidak dapat langsung masuk kedalam siklus Krebs

• Ia akan kehilangan 1 molekul karbon (CO2) dan menjadi senyawa 2 karbon (ACETYL GROUP) melalui proses

dekarboksilasi

• Senyawa 2 karbon akan bergabung dengan Coenzyme A melalui ikatan berenergi tinggi menjadi ACETYL

COENZYME A (ACETYL CoA)

• Selama proses asam piruvat teroksidasi dan NAD+

tereduksi menjadi NADH

Siklus Krebs

RANTAI TRANSPORT ELEKTRON (RTE)

• Serangkaian CARRIER MOLECULES  melakukan reaksi oksidasi dan reduksi

• Reaksi oksidasi akhir bersifat irreversible.

• Pada sel EUKARIOT terjadi di INNER MEMBRANE MITOKONDRIA, pada sel PROKARIOT diemukan pada MEMBRAN PLASMA.

• Ada 3 carrier molecules:

– FLAVOPROTEIN  ada FLAVIN (coenzyme berasal dari riboflavin vitamin B2)  yang berperan FLAVIN MONONUCLEOTIDE (FMN).

– CYTOCHROME (Cyt: terdiri dari cyt b, cyt c1, cyt c, cyt a, dan cyt a3.

– UBIQUINONE atau COENZYME Q (Q): small nonprotein carrier

• Keberadaan molekul carrier  sangat penting dalam RTE

– FMN dan Q  menerima dan melepas proton dan electron – Cyt  mentransfer hanya elektron

• Mekanisme sintesis ATP menggunakan RTE  CHEMIOSMOSIS

• Respirasi seluler  proses pembentukan ATP dimana molekul dioksidasi dan akseptor elektron akhir adalah molekul inorganik (paling sering)

• Dua tipe respirasi  dasar sifat mikroba aerob atau anaerob

• RESPIRASI AEROBIK: akseptor elektron akhir pada rantai transport elektron adalah oksigen

• RESPIRASI ANAEROBIK: akseptor elektron akhir adalah molekul inorganik atau molekul organik (jarang)

• Perolehan ATP respirasi anaerobik tidak pernah sebesar aerobik  mikroba anaerob cenderung tumbuh lebih lambat dari aerob

• Perolehan ATP sedikit  Hanya siklus Krebs yang beroperasi dan tidak semua molekul carrier pada RTE berpartisipasi

Rantai Transport

Elektron

Chemiosmosis

• GLIKOLISIS:

– Oksidasi glukosa menjadi asam piruvat 2 ATP – Produksi 2 NADH (pada RTE) 6 ATP

• PEMBENTUKAN ACETYL CoA

– menghasilkan 2 NADH (pada RTE) 6 ATP

• SIKLUS KREBS

– Oksidasi succinyl CoA menjadi succinic acid(ATP eq) 2 GTP

– Produksi 6 NADH (pada RTE) 18 ATP – Produksi 2 FADH (pada RTE) 4 ATP

PEROLEHAN ATP SELAMA RESPIRASI AEROBIK PROKARIOT DARI 1 MOLEKUL GLUKOSA (TOTAL

38 ATP)

Pelepasan energi dari gula atau molekul organik lain seperti asam amino, asam organik, purin dan pirimidin

Tidak membutuhkan O2

Tidak menggunakan siklus Krebs dan RTE

Menggunakan molekul organik sebagai akseptor elektron akhir Menghasilkan ATP hanya dalam jumlah sedikit (1 atau 2 ATP

untuk setiap 1 molekul awal) karena kebanyakan energi yang berasal dari glukosa tertinggal dalam ikatan kimia dari produk akhir organik seperti asam laktat atau ethanol

ATP hanya berasal dari glikolisis

FERMENTASI

PRODUK FERMENTASI

Organisme Produk Akhir Fermentasi Streptococcus, Lactobacillus,

Bacillus

Asam Laktat

Saccharomyces (khamir) Ethanol dan CO₂

Propionibacterium Asam propionat, asam asetat, CO₂ dan H₂

Clostridium Asam butirat, butanol, aseton,

isopropil alkohol dan CO₂

Escherichia, Salmonella Etanol, asam laktat, asam suksinat, asam asetat, CO₂ dan H₂

Enterobacter Etanol, asam laktat, asam format, butanadiol, asetoin, CO₂ dan H₂

Sumber :

210.36.18.48/gxujing pin/dwwswx/ppt/6.ppt

Contoh FERMENTASI

(Sumber © Kenneth Todar, PhD : Online Textbook of Bacteriology)

Bakteri Asam laktat  Homolactic (Lintasan EMP)

Bila banyak glukosa & oksigen terbatas :

1 mol glukosa pada lintasan EMP  2 mol piruvat  2 mol lactic acid + 2 mol ATP

Genus Homolactic LAB : Lactococcus, Enterococcus, Streptococcus, Pediococcus, Lactobacillus etc.

yogurt, buttermilk, sour cream, cottage cheese, cheddar cheese, dan kebanyakan “fermented dairy products”.

Aplikasi Metabolit Lintasan EMP - Eukariota (khamir, kapang)

 Pembuatan minuman beralkohol, roti dan keju

 Khamir Saccharomyces cerevisiae etanol + CO₂.

 Pangan & minuman, bahan bakar & pelarut industri (etanol, isopropanol , aseton dll)

 Diagnostic microbiologists  contoh : test kemampuan mikroba (contoh khamir) untuk

memfermentasi gula dalam identifikasi s.d tingkat genus

- Bakteri :

* Produksi asam laktat (bakteri homolaktat)

* Produksi asam lemak, alkohol & gas

KATABOLISME LIPID DAN PROTEIN

• Mikroba  menghasilkan LIPASE  memecah lipid  asam lemak dan gliserol  dioksidasi dalam siklus Krebs

• Protein terlalu besar  melewati plasma membran

• Mikroba  menghasilkan PROTEASE untuk memecah protein menjadi asam amino

• Asam amino  dikonversi sebelum masuk siklus Krebs dengan proses:

– DEAMINASI: grup amino akan dipisahkan dan dikonversi menjadi ion

ammonium yang akan keluar sel, dan asam organik akan masuk siklus Krebs – DEKARBOKSILASI dan DEHIDROGENASI

• Melalui oksidasi molekul organik  mikroba menghasilkan energi (ATP) melalui RESPIRASI AEROBIK dan FERMENTASI

• Mikroba menggunakan ATP untuk:

• Transport aktif substansi melewati membran plasma

• Pergerakan (dengan flagella)

• Sebagian besar untuk produksi komponen sel yang

baru dengan cara biosintesis molekul biologis seperti

polisakarida, lipid, asam amino dan protein, purin dan

pirimidin

ANABOLISME (BIOSINTESIS)

1. Biosintesis Asam Amino & Protein 2. Biosintesis Asam Lemak

3. Biosintesis Karbohidrat 4. Biosintesis Nukleotida 5. Biosintesis Antibiotika 6. dll

The main pathways of biosynthesis in procaryotic cells

- Prinsipnya  reaksi transaminasi, yaitu pengikatan gugus amonia (NH₃) pada gugus karboksilat senyawa

α-ketoglutarat (dari Siklus Krebs) - Lintasan biosintesis asam amino

 dimulai dari masuknya nitrogen dari gugus NH₃ melalui sintesis glutamat, selanjutnya nitrogen dipindahkan ke asam amino lain dengan reaksi transaminasi.

- Pengikatan gugus amin :

a. Secara langsung, contohnya sintesis glutamat dengan menggunakan α-ketoglutarat

b. Secara tidak langsung, mula-mula gugus NH₃ diikat oleh glutamat, pengikatan gugus NH₃ selanjutnya oleh glutamat akan menghasilkan glutamin  dari glutamin gugus amino dipindahkan ke α-ketoglutarat

menghasilkan glutamat Biosintesis Asam Amino

Glutamat dan glutamin merupakan senyawa utama yang mengasimilasi nitrogen untuk diberikan pada lintasan sentral biosintesis asam amino.

Selanjutnya gugus amino dari glutamat dan glutamin dapat dipindahkan ke senyawa lain dengan beragam reaksi transaminasi.

Biosintesis Asam Amino

Synthesis of the various amino acids in a family frequently requires many separate enzymatically catalyzed steps starting from the parent amino acid

Sumber : 210.36.18.48/gxujingpin/dwwswx/ppt/6.ppt

Biosintesis Protein

- Asam amino harus diberi energi sebelum bergabung menjadi protein

- Pemberian energi oleh ATP

Asam amino + ATP  asam amino-AMP + pirofosfat (2P) - Protein memiliki sekuens asam amino tertentu 

“blue print” untuk membuat protein terkandung pada sekuens nukleotida DNA sel mikroba.

Biosintesis Asam Lemak & Lipida

• Biosintesis lemak dimulai dari biosintesis asam lemak

•Prekursor : Asetil Ko-A

• Pemanjangan rantai karbon (C) asam lemak

 menggunakan Malonil KoA (C2)

• Biosintesis asam lemak rantai panjang memerlukan acyl carrier protein (ACP) sbg “jangkar”

Reaksi pada biosintesis asam lemak :

1. Pemindahan gugus asetil dan gugus malonil dari CoA

ke ACP : asetil/malonil-CoA  asetil-ACP & malonil-ACP 2. Kondensasi asetil-ACP + malonil-ACP membentuk

asetoasetil-ACP dengan melepaskan CO₂.

3. Reaksi reduksi, reaksi dehidrasi dan reaksi reduksi

 menghasilkan butyryl-ACP  asam butirat - Urutan reaksi-reaksi ini merupakan siklus lintasan

pembentukan dan penambahan panjang rantai asam lemak  hasil sintesa dari urutan reaksi ini adalah molekul asam lemak yang terikat dengan ACP.

Penghilangan ACP dengam enzim menghasilkan asam lemak tertentu

Contoh : Butiril ACP 

Bila ACP dilepaskan oleh enzim asilase hidrolitik

 akan dihasilkan asam butirat (C4)

Butiril-ACP + malonil-ACP  Asam lemak C6- ACP + CO₂

Asam lemak C6

Asam lemak C8

dst

Asam Lemak : C4 : asam butirat C6 : asam kaproat C8 : asam kaprilat C10 : asam kaprat C12 : asam laurat C14 : asam miristat C16 : asam palmitat C18 : asam stearat

Biosintesis Asam Lemak

CO₂

(ACP)

(ACP)

(ACP)

Shown is the biosynthesis of the C16 fatty acid,

palmitate. The condensation of acetyl-ACP and malonyl- ACP forms acetoacetylCoA. Each successive addition of an acetyl unit comes from malonyl-CoA.

The biosynthesis of fatty acids

Sumber : 210.36.18.48/gxujingpin/dwwswx/ppt/6.ppt

Biosintesis Asam Lemak

Biosintesis Karbohidrat

• Mikroba autotrof mensintesis KH dari CO₂ (fiksasi CO₂ dari udara) dgn sekuens reaksi :

CO₂ (atmosfir)

Triosa (monosakarida C3) Pentosa (C5) & Heksosa (C6)

Nukleotida Polisakarida

(mengandung (peptidoglikan dinding sel, selulosa, ribosa & deoksiribosa) pati dll)

RNA & DNA

• Mikroba heterotrof menggunakan senyawa organik

 Senyawa C5 (pentosa) atau C6 (heksosa) sbg sumber C

Contoh : E coli : glukosa + ATP + 2 NADP  ribosa-5-fosfat + CO₂ + ADP + 2 NADPH₂

unt. sintesis nukleotida

Biosintesis Karbohidrat

• Monosakarida agar bisa bergabung menjadi polisakarida harus diberi energi (dari ATP), contohnya :

* UDP-glukosa (uridin difosfat-glukosa)

Glukosa + ATP + UTP  UDP-glukosa + ADP + pirofosfat polisakarida

Tidak semua monosakarida yang diberi energi untuk mensintesis gula UDP, contoh :

* Fosforibosa pirofosfat

Ribosa fosfat + ATP  fosforibosa pirofosfat + AMP purin & pirimidin

Biosintesis Nukleotida (RNA & DNA) Nukleotida Purin

Ribosa fosfat (dari Jalur HMF/Pentosa Fosfat )

ATP

Fosforibosa pirofosfat

Glisin, glutamin, asam aspartat, ATP

Inosin monofosfat (IMP)

Asam aspartat, GTP ATP, glutamin

Adenosin monofosfat (AMP) Guanosin monofosfat (GMP) (untuk sintesis RNA) (untuk sintesis RNA)

Deoksiadenosin monofosfat (dAMP) Deoksiguanosin monofosfat (dGMP) (untuk sintesis DNA) (untuk sintesis DNA)

METABOLIT PRIMER DAN SEKUNDER

• Industri fermentasi  mikroba menghasilkan METABOLIT PRIMER (etanol) atau METABOLIT SEKUNDER (penisilin)

• METABOLIT PRIMER  dibentuk bersamaan dengan

pembentukan sel mikroba baru dan kurva produksinya mengikuti kurva populasi sel

• METABOLIT SEKUNDER

– Tidak diproduksi sampai mikroba menyelesaikan fase

pertumbuhan logaritmik (dikenal dengan TROPHOPHASE) dan telah memasuki fase stasioner

– Periode berikutnya selama metabolit sekunder terbentuk disebut IDIOPHASE

– Metabolit sekunder dapat berupa konversi mikrobial dari metabolit primer.

TERIMA KASIH