METABOLISME MIKROORGANISME Mengapa mempelajari metabolisme? Marlia Singgih Wibowo School of Pharmacy ITB Tujuan mempelajari metabolisme mikroorganisme Memahami jalur biosintesis suatu metabolit (primer atau sekunder) yang diproduksi oleh mikroorganisme Memahami regulasi dalam proses metabolisme (inhibisi, represi, kontrol, induksi) Memanfaatkan mikroorganisme untuk memproduksi metabolit yang kita inginkan Dapat memanipulasi mikroorganisme dan lingkungannya untuk mengatur laju pembentukan metabolit yang kita inginkan Dapat menetapkan faktor-faktor penentu dalam suatu proses metabolisme Metabolisme Katabolisme : proses degradasi nutrien menjadi fragmen-fragmen yang lebih kecil. Proses katabolisme menghasilkan ATP, proton motive force, menurunkan tenaga dan pengambilan nutrisi serta pembentukan rangka karbon dalam jalur metabolisme inti Jalur degradasi ini bisa pendek (misalnya pembentukan asetat) atau bisa pula panjang (misalnya pembentukan asam benzoat)
Amphibolisme : proses pembentukan intermediate (senyawa antara) Terjadi pembentukan building blocks (senyawa pembangun), misalnya asam amino, purin, pirimidin, gula-gula fosfat, asam organik, dan metabolit lain Anabolisme : biosintesis polimer dari monomer (asam amino, nukleotida dan lipid) dari rangka karbon utama melalui pemanfaatan ATP dan NADPH Pertumbuhan sel dengan menggabungkan struktur makromolekul melalui proses polimerisasi monomer-monomer yang dihasilkan dari proses biosintesis, melibatkan berbagai nukleotida fosfat Polimer sel a.l. protein, asam nukleat, dinding sel, makanan cadangan, dll. Tahap Utama Metabolisme KH, Lemak, Protein Asam amino, asam nukleat, dll Jalur utama dalam metabolisme Katabo lisme ADP ATP NADP NADPH Biosin tesis NTP NDP Tumbuh CO2 Kerangka karbon Protein, lipid, struktur sel
Reaksi dalam proses metabolisme Reaksi redoks (reduksi-oksidasi) yang melibatkan donor elektron dan akseptor elektron Keseluruhan reaksi redoks menunjang aktivitas sel yang menghasilkan salah satu dari 3 macam energi kimia berpotensi a.l : Nukleotida piridin (NADH dan NADPH) Nukleotida adenin (ATP,ADP dan AMP) Proton motive force (pemindahan ion H dari bagian interior ke bagian eksterior membran) Fungsi energi dalam metabolisme Nukleotida piridin (NADH dan NADPH) : memindahkan hidrogen antara berbagai bagian sel yang berbeda-beda Nukleotida adenin (ATP,ADP dan AMP) : memperpanjang reaksi sel misalnya pada polimerisasi nukleotida dan asam amino Proton motive force (pemindahan ion H dari bagian interior ke bagian eksterior membran) : berperan dalam pengambilan substrat, atau untuk pergerakan Fungsi enzim dalam metabolisme Laju kerja enzim Reaksi metabolisme dikatalisis oleh enzim Semua protein pada sel tunggal (unisel) berada dalam bentuk protein enzim Pada bakteri, kebanyakan tidak memiliki protein struktur Setiap enzim secara spesifik bertanggung jawab pada konversi suatu senyawa menjadi senyawa lain Kerja enzim dapat bersifat substratspesifik, atau kerja-spesifik
Ko-enzim dan gugus prostetik Pembentukan energi dalam reaksi biokimia yang terjadi di dalam sel Untuk mengambil atau memberikan fragmen suatu substrat, protein enzim menggunakan suatu senyawa berbm kecil yang bertindak sebagai tweezer untuk menangani gugus amino, gugus metil, hidrogen, elektron, dan fargmen kecil lainnya Ko-enzim sangat penting karena tidak dapat disintesis oleh kebanyakan organisme, sehingga harus diperoleh dari luar. Contoh : vitamin Reaksi biokimia dalam metabolisme melibatkan pembentukan ATP Ada tiga cara ATP dibentuk : Substrate-level phosphorylation Oxidative/respiratory-chain phosphorylation Photosynthetic phosphorylation Fosforilasi pada tingkat substrat (Substrate-level Phosphorylation) Reaksi biokimia yang terjadi di dalam sitoplasma pada pembentukan ATP Pada reaksi Gliserat 1,3 bifosfat 3 fosfogliserat : terbentuk 1 ATP Fosfoenol piruvat piruvat (1 ATP) Asetil fosfat asetat (1 ATP) Pada reaksi ini hanya terjadi pada bakteri yang memproduksi asetat, butirat, butanol, aseton, isopropanol Fosforilasi pada rantai respirasi (Respiratory-Chain Phosphorylation) Ditandai dengan kapasitas memproduksi energi melalui proses respirasi Disebut juga fosforilasi transport elektron Sel bakteri dan mitokondria pada eukariot bertindak sebagai vesikel yang dikelilingi oleh membran sitoplasma. Ion Hidrogen dipindahkan dari atau ke membran sedemikian rupa sehingga terjadi gradien elektrokimia antara bagian luar dan dalam membran Bagian luar membran bermuatan positif, bagian dalam bermuatan negatif Transport elektron terjadi pada membran dan rantai respirasi tersebut bertindak sebagai pompa proton. Pada sintesis ATP, proton mengalir dari luar sel ke dalam sel
Fosforilasi fotosintesis (Photosynthetic phosphorylation) Mekanisme transport komponen substrat ke dalam sel Proses ini terjadi pada membran sel Terlibat suatu rangkaian reaksi yang membawa elektron (oleh donor elektron)dan yang menerima elektron (oleh akseptor elektron) Oksigen bukan satu-satunya spesi akseptor elektron, tapi juga senyawa lain misalnya senyawa inorganik nitrat, CO2, senyawa organik fumarat, dll) Pada Fotosintesis terjadi pula transport elektron, dan cahaya merupakan pemicu pompa proton Regulasi metabolisme Seluruh kegiatan metabolisme berlangsung sangat cepat dan harus bekerja di dalam sel Mikroorganisme memiliki potensi genetik untuk memproduksi lebih dari 1000 enzim Enzim ini harus dibentuk dalam jumlah yang tepat dan dalam sistem yang terkoordinasi dengan baik agar sel bekerja secara efisien Mikroorganisme dapat dengan cepat mengantisipasi perubahan lingkungan sehingga dapat dengan segera memperbaiki sistem metabolismenya Regulasi untuk sistem yang demikian terjadi pada level sintesis enzim atau pada level kerja enzim Faktor yang mempengaruhi regulasi metabolisme Jenis dan jumlah enzim Jenis dan jumlah substrat Adanya induktor, aktivator, represor dan inhibitor Faktor lingkungan Faktor genetik
Pada tingkat apa regulasi itu terjadi? Tingkat molekul : misalnya regulasi terhadap ATP, NADPH Tingkat efektor : misalnya camp, Guanosin Trifosfat Tingkat protein : ekspresi oleh gen tertentu, induksi enzim, dll Perbedaan Inhibitor, Represor, Aktivator dan Induktor terhadap suatu enzim Inhibitor : molekul atau senyawa yang dapat menginhibisi atau menghambat terjadinya suatu reaksi Represor :molekul atau senyawa yang menyebabkan berkurangnya kecepatan reaksi enzim Induktor : molekul atau senyawa yang dapat menyebabkan terjadinya peningkatan efek enzim yang lebih baik Aktivator : molekul atau senyawa yang dapat mengaktifkan kerja suatu enzim Aktivitas metabolisme utama yang dilakukan mikroorganisme Metabolisme karbohidrat : amilum dan selulosa diubah menjadi glukosa dan selanjutnya menjadi senyawa lain mis.asam organik, aldehid atau alkohol. Dengan adanya oksigen senyawa tersebut diubah menjadi CO2 dan H2O Metobolisme lemak : lemak diubah menjadi gliserol dan asam-asam lemak (proses lipolisis) Metobolisme protein dan asam amino : protein diuraikan menjadi asam amino dan selanjutnya di dekarboksilasi Glikolisis Adalah proses umum yang terjadi di seluruh sel dimana substrat 6C diubah menjadi 2 molekul 3C (asam piruvat) 2 molekul ATP digunakan pada awal reaksi tetapi selanjutnya terbetuk 4 ATP akibat proses fosforilasi pada substrat Jalur : Embden-Meyerhof (EM), Entner- Duodoroff (ED) atau Hexose MonoPhosphate (HMP)
Embden-Meyerhof (EM) pathway Entner-Duodoroff (ED) pathway Metabolisme primer Jalur metabolisme primer Asam nukleat Purin Gliserol Hexosa EMP ED HMP Pirimidin Asetil CoA Piruvat Laktat Glukosa sitrat oksaloasetat asetat metana Asam amino Asam sitrat isositrat suksinat propionat Asetil & format asetoin asetoasetat butirat Aseton + CO2 butanol