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

Transkripsi

1 Prokaryot anaerob mengoksidasi NADH dan pembawa elektron lain respirasi anaerobik (nitrat, sulfat atau fumarat sebagai akseptor elektron) atau fermentasi Fermentasi : lintasan dimana NADH (akseptor elektron lainnya) dioksidasi pada lintasan tsb terjadi di sitosol dari fosforilasi tingkat substrat.

2 Fermentasi hanya terjadi di prokariot, pada khamir butuh 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.

3 Fermentasi karbohidrat diklasifikasikan dalam 6 grup: laktat, etanol, butirat, asam campuran, propionat, homoacetat. Toksisitas oksigen: ksigen tereduksi (radikal hidroksil, radikal superoksida, hidrogen peroksida) bersifat toksik bagi anaerob obligat. Bentuk superoksida terbentuk karena penambahan 1 elektron 2 +e Flavoprotein, quinon dan protein FeS melepas superoksida.

4 rganisme aerobik memiliki superoksida dismutase H + H H 2 2 +H 2 2 H oleh enzim katalase

5 fermentasi Reduksi Metanogen

6 Fermentasi asam amino, karbohidrat, purin, pirimidin asam organik dan alkohol C 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, C 2 dan H 2 sumber utama / satusatunya electron sink adalah proton. Fisiologinya belum jelas, kemungkinan:

7 elektron dari substrat pembawa elektron intermediat (NAD+) hidrogenase H +. Contoh CH 3 CH 2 C - + 3H 2 CH 3 C - +HC 3- +H + =3H 2 ΔG o = + 76,1 KJ

8 A. Fosforilasi tingkat substrat 1. 1,3 BPGA + ADP 3- PGA + 2. PEP + ADP PIRUVAT + 3. ASETIL-P + ADP ASETAT + B. Respirasi Fumarat In ut In ut H + + NADH 2H + + Fumarat AH 2 2H + + Fumarat QLP 2H + 2e - Suksinat 2e - A+2H + Suksinat C. Pompa proton dan produk efflux D. Na + bebas mendekarboksilasi asam organik In ut In ut Laktat AA 2Na + nh + C 2 +Piruvat E. ksalat elektrogenik menjadi Format - 2 C-C 2 - In ut - 2 C-C 2 - C 2 H + HC -

9 Lintasan Akrilat propionat Clostridium propionicum : 3 laktat 2 propionat + 1 asetat + 1 C 2 +1 dari fosforilasi tingkat substrat pada konversi asetil- P ke asetat (asetat kinase). Satu asetat per 3 laktat 1/3 /lintasan Penting! Pada glikolisis produksi asetat berasosiasi dengan pembentukan 2.

10 (2H) (2H) C 2 CH 3 CHH CH Laktat 5 1 CH 3 C CH Piruvat 2 CoASH CH 3 C SCoA Asetil-CoA 3 CoASH CH 3 H 2 CHH 6 C SCoA Laktil-CoA CH 3 C P Asetil-P CoASH CH 2 CH 2(H) 7 C SCoA Akrilil-CoA X2 ADP 4 CH 3 CH CH 3 CH 2 C SCoA Laktil-CoA Asetat CH 3 CH 2 CH Propionat Enzim : (1) laktat dehidrogenase, (2) Piruvat-ferredoksin oksidoreduktase, (3) fosfotransasetilase, (4) asetat kinase, (5) CoA transferase, (7) dehidrogenase. Reaksi 6 is not sufficiently characterized.

11 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 /mol propionat.

12 Reaksi transkarboksilasi utk menyimpan Karboksilasi piruvat dengan piruvat karboksilase dan C 2, butuh Propionibacterium : methylmalonyl-coa-pyruvat transkarboksilase transfer grup karboksil dari methylmalonyl-coa ke piruvat tanpa

13 6(H) (2H) C 2 3CH 3 CHH CH Laktat 1 3CH 3 C CH Piruvat 2 CoASH CH 3 C SCoA Asetil-CoA 5 3 CH CH 3 CH 2 CH Propionat C CH ksaloasetat 2 2CH CH 3 C P Asetil-P 4(H) 6 4 ADP 2CH 3 2CH Propionil-CoA Metil malonil-coa CH 2 C 2CH C H CH 3 C SCoA SCoA 10 CH H 2 C C H 2 C SCoA Suksinil-CoA 2(CoAS) 9 2H 2 H 4(H) CH 2 C HH CH Malat 7 2CH C H C Fumarat CH 2CH H 2 8 ADP+Pi C Suksinat C H 2 CH Enzim: CH 3 CH Asetat (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-coarasemase.

14 Propionibacteria dapat memproduksi suksinat dan propionat sebagai produk akhir bila ditumbuhkan pada glukosa memiliki karboksilase C3 ke C4. PEP + C 2 +P oxaloasetat + PPi PPi digunakan untuk fosforilasi Fru-6P dan serin (Fosfoserin) xaloasetat direduksi ke suksinat

15 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

16 Fermentasi (asetogenesis) asetat C. thermoaceticum :C 2 sebagai electron sink melalui lintasan asetil CoA Desulfotomaculum thermobenzoicum (pereduksi sulfat) : jika tumbuh pada piruvat tanpa sulfat Desulfobulbus propionicus memfermentasi piruvat ke asetat dan propionat melalui lintasan suksinat-propionat

17 4CH 3 C CH Piruvat 8(H) 4C 2 1 CoASH 4CH 3 C SCoA 4CH 3 C P 3 4ADP 4CH 3 CH Asetat 6(H), C 2 (CH 3 ) 4 CoASH 2(H) 6 C 2 (C) 5 CH 3 C SCoA CH 3 C P 8 ADP CH 3 CH Asetat Enzim : (1) piruvat dehidrogenase, (2,7) fosfotransasetilase, (3,8) asetat kinase, (4) enzim dari lintasan asetil Co-A, (5,6) karbon monoksida dehidrogenase.

18 Fermentasi Laktat Grup yang heterogen, anaerob toleran, ada pada kulit hewan, traktus gastrointestinal, beberapa hidup di vegetasi, produk susu, ada penting dalam bidang medis dan komersial Lactobacillus, Leuconostoc, Sporolactobacillus, Pediococcus dan Bifidobacterium Memfermentasi glukosa hanya melalui fermentasi dari fosforilasi tingkat substrat. Kondisi tertentu mentransport laktat keluar sel dengan simport H + menghasilkan ΔΨ

19 Tipe fermentasi: 1. Homofermentasi : glikolisis 2. Heterofermentasi : pentosa fosfat 3. Lintasan Bifidum: Bifidobacterium bifidum Homofermentasi laktat Glukosa + 2 ADP + 2 Pi 2 laktat + 2

20 Heterofermentasi laktat Laktat diproduksi saat dekarboksilasi dan isomerisasi pada lintasan pentosa fosfat Glukosa + ADP + Pi etanol + laktat + C 2 + Lintasan Bifidum 2 glukosa + 5 ADP + 5 Pi 3 asetat + 2 laktat + 5 Menggunakan reaksi pentosa fosfat dan homofermentatif

21 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

22 Fermentasi asam campuran dan butanediol sama dalam hal memproduksi asam organik campuran, C 2 dan NADH. Fermentasi butanediol (Serratia, Enterobacter dan Erwinia) banyak memproduksi 2,3 butanediol, asetoin, C 2 dan etanol Fermentasi asam campuran: Escherichia, Salmonella, Shigella

23 Fermentasi asam campuran Reaktannya: PEP + C 2 Piruvat atau Produknya: suksinat, laktat, asetat, etanol, format, C 2,H 2. Format dioksidasi ke C 2 dan H 2 oleh sistim enzim formathidrogen liase yang terdiri atas format dehidrogenase dan hidrogenase. Format dehidrogenase mengoksidasi format ke C 2 dan mereduksi hidrogenase yang akan mentransfer elektron ke 2protonmembentuk H 2.

24 Shigella dan Erwinia tak mempunyai format-hidrogen liase tak ada gas

25 2(H) 2(H) Glukosa G6P 6-P-Glukonat H H CH 2 H C C C CH 2 4 H P C 2 RuMP Pi Xyl-5-P 5 H Pi 2(H) 3 4 C CHH CH 2 P PGALD 5 9 C P CHH CH 2 P 1.3 BPGA ADP 10 CH CHH CH 2 P 3-PGA 11 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. CH C P Asetil-P Pi 6 CH 3 C SCoA 2(H) 7 CH 3 C H 2(H) Asetaldehid 8 CH 3 CH 2 H Etanol CH CH P CH 2 H 2-PGA CH CH C P C CH 2 CH 3 PEP Piruvat CH CHH CH 3 Laktat

26 1/2 Glukosa 2H 1 ADP ADP + Pi AA 11 2(H) Malat Pi 12 H 2 C 2 10 PEP 2 ADP Piruvat 3 CoASH 4 Laktat Fumarat Asetil-CoA + Format 13 2(H) Pi 8 2(H) 6 CoASH 5 C 2 Suksinat Asetil-P Asetaldehid H 2 9 ADP 7 Asetat Etanol 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.

27 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 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

28 Fermentasi butirat Selain butirat juga sedikit C 2 dan H 2. Clostridia proteolitik penting pada dekomposisi protein secara anaerob dan disebut putrefaction Fermentasi butirat dan butanolaseton Pada C.acetobutylicum. Pada fase eksponensial diproduksi butirat, asetat, C 2 dan H 2 (fase asidogenik).

29 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 daripada mereduksi asetil- CoA ke butirat, namun secara energi tak disukai dan dihambat oleh akumulasi H 2.

30 1/2 Glukosa 1 2(H) Laktat 2(H) 10 CH 3 C CH Piruvat CoASH Format 2 Asetil-CoA 3 C 2 + H 2 4 2(H) C 2 6 (CH 3 C H 7 CH 3 C CH TPP.E) Asetaldehid Aktif TPP.E Asetaldehid 5 2(H) Etanol H CH 3 C C CH CH α - Asetolaktat 8 H C 2 CH 3 CH C CH 3 Asetoin 9 (2H) H H CH 3 CH CH CH 3 2,3 Butanediol 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.

31 CH 3 CH 3 H 3 C NH 2 N CH 2 + N H S CH 2 CH 2 P P Enzim 1 TPP-E H + + N 2 S H + Dipolar ion CH 3 CH 3 + N CH 3 C H Asetaldehid + N S CH 3 C Piruvat CH 3 S C H TPP-adduct C H + CH 3 CH 3 3 C 2 Reaksi katalis TPP, (1) TPP-enzim kehilangan proton menjadi ion dipolar. Anion distabilkan oleh kutub positif nitrogen. (2) ion dipolar berkondensasi dengan piruvat membentuk TPPadduct. (3) Elektron attracting N dalam TPP memfasilitasi dekarboksilasi membentuk asetaldehid aktif. a + N H S CH 3 C H H CH 3 C C C 2 CH 3 CH 3 CH 3 H + C C 2 - Asetolaktat H a b CH 3 N : C H b S CH 3 + N H + Asetaldehid aktif S CH 3 C H CH 3 C H C 2 + N S

32 Glukosa 1 2NAD+ 2Pi + 2ADP 2NADH + H Fd + red 2 Piruvat 2 2 2CoASH Fd ox 2CH 3 C SCoA 2C 2 Asetil-SCoA 3 CoASH CH 3 C CH 2 C SCoA Asetoasetaldehid H + + NADH 4 NAD + H CH 3 C CH 2 C SCoA H β -Hidroksibutiril-SCoA 5 H 2 CH 3 CH CH C SCoA H Krotonil-SCoA H + + NADH 6 NAD + CH 3 CH 2 CH 2 C SCoA 7 Pi Butiril-SCoA CoAS CH 3 CH 2 CH 2 C P ADP Butiril-P 8 CH 3 CH 2 CH 2 C H Asam butirat 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.

33 Pentosa ADP Pentosa-P Glukosa ADP Glukosa-6-P ADP Fruktosa-6-P ADP 2-Fosfogliseraldehid 4ADP + 2Pi 4 NADH + H NAD + NAD + H 2 2NADH + 2H + ADP Asetat Asetil-P 9 10 Asetoasetatik 11 Aseton C 2 1 2C 2 CoASH 8 Pi 2 Piruvat Fd ox Fd red 17 2H 2 4H + 2 Asetil-CoA 2 CoASH Asetoasetil-CoA NADH + 2H + 3 NAD + Hidroksibutiril-CoA CoASH Asetaldehid NADH + 2H 13 + NAD + Etanol 4 H 2 Crotonil-CoA Butirat ADP Butiril-P 7 6 NADH + H + 5 Pi NAD + Butiril-CoA 14 CoASH Butiraldehid NADPH + H + 15 NADP + Butanol

34 Glukosa 1 2 Piruvat 2NAD + 2NADH 2H 2 4H + C 2 2 2C 2 2Fd ox 2H 2 2Fd red 4H + Asetil-CoA Asetil-CoA 3 NADH 5 Pi P Asetaldehid Asetil-P 4 NADH 6 Etanol Asetat ADP CH 4 Ruminococcus albus Metanogen 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.