I METABOLISME MIKROBA

I METABOLISME MIKROBA

PETA KONSEP Karbohidrat, Lemak, Protein Proses Metabolisme: Anabolisme Katabolisme Energi Reaksi enzimatik, Reaksi Reduksi- Oksidasi Proses sintesis sel dan enzim, memelihara steady state sel, penyerapan unsur hara, ekskresi senyawa, pergerakan sel

DEFINISI METABOLISME Semua proses kimiawi yang dilakukan oleh organisme atau semua reaksi yang melibatkan transformasi energi kimia di dalam mahluk hidup Definisi Metabolisme, Katabolisme dan Anabolisme Metabolisme sebagai proses produksi energi untuk kehidupan sel Senyawa pembawa energi, ATP dan ADP

Anabolisme: Pembentukan senyawa yang memerlukan energi (Rekasi endergonik): FOTOSINTESIS: MEMBENTUK C 6 G 12 O 5 DARI CO 2 DAN H 2 O Katabolisme: Penguraian senyawa yang menghasilkan energi (Reaksi eksergonik): RESPIRASI MENGURAIKAN KARBOHIDRAT MENJADI ASAM PIRUVAT DAN ENERGI

MENGAPA MIKROBA MEMERLUKAN ENERGI? Synthesa bagian sel (dinding sel, membran sel, dan substansi sel lainnya) Synthesis Enzim, Asam Nukleat, Polysakarida, Phospholipids, atau komponen sel lainnya Mempertahankan kondisi sel (optimal) dan memperbaiki bagian sel yang rusak Pertumbuhan dan Perbanyakan Penyerapan hara dan ekskresi senyawa yang tidak diperlukan atau waste products Pergerakan (Motilitas)

ENERGI KIMIA Komponen kimia berenergi tinggi: Adenosin Diphosphate (ADP) dan Adenosine Triphosphate (ATP) yang dibentuk dari Adenosine Monophosphate ADP adalah AMP ~ P dan ATP adalah AMP ~ P~ P Energi kimia juga dapat disimpan dalam komponen dengan ikatan thioester seperti Acetyl-S-Coenzym A (Acetyl SCoA) REAKSI BIOKIMIA DIKATALIS OLEH ENZIM: Berperan penting dalam setiap reaksi metabolisme

ENZIM Karaktersitik enzim Faktor yang mempengaruhi kerja enzim Pengaturan sistem enzim Penamaan enzim

DEFINISI DAN KARAKTERISTIK KERJA ENZIM Protein dengan aktivitas katalitik yang mempercepat reaksi kimia tanpa ikut dalam reaksi tersebut Teori Kunci-Anak kunci Ukuran molekul enzim > substrat Penurunan energi aktivasi Reaksi dipercepat pada suhu alami

KOFAKTOR ENZIM Ada enzim yang mengandung komponen kimia lain selain protein. Komponen ini disebut kofaktor, suatu komponen yang bukan protein Kofaktor berupa : Molekul anorganik seperti Fe 2+, Mn 2+, Cu 2+, Na + atau molekul organik kecil yang disebut koenzim misalnya vitamin B, B1, dan B2 Koenzim yang terikat kuat secara kovalen pada protein enzim disebut gugus prostetik. Enzim yang strukturnya sempurna dan aktif mengkatalisis, bersama-sama koenzim atau gugus logamnya disebut holoenzim.

FAKTOR YANG MEMPENGARUHI KERJA ENZIM ph dan suhu Konsentrasi Substrat

PENGATURAN ENZIM Penghambat kompetitif (competitive inhibitor): molekul inhibitor berkompetisi dengan substrat untuk menempati sisi aktif enzim. Penghambat non kompetitif (allosteric inhibition) Molekul penghambat bergabung dengan enzim di luar sisi aktif, menyebabkan konformasi enzim berubah

Penghambatan umpan balik (Feedback Inhibition) Penumpukan produk akhir menghambat kerja enzim pertama dalam rangkaian reaksi tersebut sehingga produksi enzim selanjutnya ditunda

PENAMAAN ENZIM Oxidoreductases (EC1) Transferases (EC2) Hydrolases (EC3) Lyases (EC4) Isomerases (EC5) Ligases (EC6) EC1 sd EC6: subclass dalam penamaan enzim (enzyme nomenclature)

TIPE METABOLISME MIKROBA Heterotrof Ototrof Fotosintesis

Metabolisme Sumber C Sumber N Sumber energi Heterotrof/ Kemoorganotrof Organik Organik Atau anorganik Oksidasi senyawa organik Sumber H + - Ototrof/ kemolitotrof CO 2 anorganik Oksidasi Senyawa anorganik - Fotosintesis Fotolitotrof Bakteri Sianobakteri Fotoorganotrof Bakteri CO 2 CO 2 CO 2 Anorganik Anorganik Anorganik Cahaya matahari Cahaya matahari Cahaya matahari H 2 S atau H 2 Fotolisis H 2 O Bahan organik

METABOLISME HETEROTROF Jamur dan bakteri tertentu mendapatkan energi dari oksidasi senyawa organik. Senyawa organik mengandung karbon dan nitrogen yang digunakan secara aerob atau anaerob untuk menghasilkan tenaga pereduksi seperti nicotinamide adenine dinucleotide tereduksi (NADH + H + ), dan energi (ATP)

Respirasi (Oksidasi) aerob vs anaerob Respirasi aerob: Katabolisme bahan organik dengan akseptor elektron terminal berupa O 2 ; dan donor elektron berupa bahan organik, misalnya katabolisme gula C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + energi Efisiensi respirasi aerob 55 % Respirasi anaerob: Katabolisme dengan akseptor elektron terminal berupa NO 3, SO 4, senyawa organik fumarate, dan CO 2 ; dan donor elektron berupa bahan organik, misalnya, bakteri metanogen 4H2 + CO2 CH4 + 2H 2 O

METABOLISME OTOTROF (kemotrof, kemoototrof,kemolitotrof) Bakteri yang tumbuh lambat dengan keberadaan senyawa anorganik (ion mineral) tanpa menggunakan sinar matahari sebagai sumber energi Sumber karbon: CO2 Sumber N: NH 3, NO 3-, atau N 2

Bakteri Ototrof Tipe kemosintetis Pengoksidasi NH 3 (aerob) Pengoksidasi NO 2 (aerob) Oksidasi senyawa anorganik sebagai sumber energi NH 3 dioksidasi menjadi NO 2 NO 2 dioksidasi menjadi NO 3 Famili, Genus, spesies pewakil Nitrobacteriaceae (Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrospira) Nitrobacteriaceae (Nitrobacter, Nitrococcus) Pengoksidasi sulfur (aerob) dan besi (aerob) S 2 dioksidasi menjadi SO 4, dan Fe 2+ dioksidasi menjadi Fe 3+. Thiobacillus thiooxidans Thiobacillus ferrooxidans Ferrobacillus, Leptothrix Pengoksidasi senyawa sulfur dan pereduski NO 3 (denitrifikasi) S 2 O 3 dioksidasi, NO 3 direduksi Thiobacillus denitrificans

METABOLISME FOTOSINTESIS (Fotoototrof, Fotoorganotrof) Mikroba prokaryotik: bakteri dan sianobakteri (cyanobacteria) Memerlukan sinar matahari (foton) dan pigmen Fototrof: membuat gula di dalam sel untuk respirasi/energi Heterotrof: mengambil gula di luar sel untuk respirasi/energi

Fotosintesis Anoksigenik: Tidak Menghasilkan O 2 Fotosintesis bakteri ungu non belerang CO 2 + 2CH 3 CHOHCH 3 (CH 2 O) + H 2 O + 2CH 3 COCH 3 Fotosintesis bakteri hijau belerang CO 2 + 2H 2 S (CH 2 O) + H 2 O + 2S Fotosintesis Oksigenik: Menghasilkan O 2 Fotosintesis Sianobakteri 6CO 2 + 6H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6O 2

METABOLISME KARBOHIDRAT Glikolisis = glukosa menjadi piruvat Siklus Kreb (Siklus asam sitrat) = piruvat menjadi CO 2 dan NAD pembawa H + Oksidasi Transport Elekteron = NAD dan H + memasuki seri reaksi reduksi oksidasi untuk menghasilkan energi Fosforilasi Oksidatif = energi dari transport elektron menghasilkan ATP dari ADP dan Pi

TAHAPAN DALAM RESPIRASI Glukosa Asam Piruvat Tahap I= Glikolisis Acetyl-CoA CO 2 Tahap II = Dekarbiksilasi as. Pyrupat [NADH] Tahap III = Siklus Kreb TCA Tahap IV = Rantai Pernafasan Rantai Pernafasan e - ATP Fosforilasi oksidatif Energi O 2 Elektron akseptor H 2 O

GLIKOLISIS: Degradasi glukosa menjadi piruvat 1. Lintasan Fructose Biphosphate Aldolase yang lebih dikenal sebagai lintasan Embden- Meyerhof-Parnas (EMP) 2. Lintasan hexose monophosphate (HMP) 3. Lintasan oxidative pentose phosphate (PP) 4. Lintasan Entner-Doudoroff (ED). Lintasan EMP, HMP dan PP pada eukaryotik (jamur, alga, protozoa) dan prokaryotik (bakteri) Lintasn ED hanya pada beberapa bakteri aerob obligat

lintasan Embden- Meyerhof-Parnas (EMP) = EMP Pathway Memecah glukosa menjadi 2 piruvat, 2 NADH, dan 2 ATP

Lintasan Hexose monophosphate (HMP) Hasil akhir lintasan HMP adalah 1 piruvat, 1 asetil fosfat, 1 CO2, 1 ATP dan 3 NAD(P)H. Lintasan ini juga menghasilkan ribulosa 5-fosfat (Gambar 8) yang merupakan prekursor nukleotida.

LIntasan Pentosa phosphate (PP) Hasil akhir dari pemecahan 1 molekul glukosa adalah 1 piruvat, 3 CO2, 1 ATP dan 3 NAD(P)H.

Lintasan Entner Doudoroff (ED) Hasil akhir pemecahan 1 molekul glukosa adalah 2 piruvat, 1 ATP dan 2 NAD(P)H

SIKLUS KREB = Piruvat diubah menjadi CO 2 dan NAD Transport elektron

TRANSPORT ELEKTRON = RANTAI PERNAFASAN Oksidasi NADH dan reduksi senyawa kimia lain (pembawa elektron) untuk menghasilkan energi yang membentuk ATP pada proses fosforilasi oksidatif Donor e - Terminal akseptor e

MENARA ENERGI Perbedaan redox menggambarkan besarnya perolehan energi. Semakin negatif semakin tereduksi dan sebaliknya semakin teroksidasi Perbedaan Redox menyebabkan terjadinya pergerakan elektron

Siklus Glioksilat (Glyoxylate Cycle) Siklus glioksilat dilakukan oleh prokaryotik yang mengoksidasi asam asetat. Siklus ini mirip dengan siklus Kreb tetapi isositrat tidak diubah menjadi oksalokuksinat, tapi dipecah menjadi glioksilat dan suksinat

Fermentasi: metabolisme heterotrof dengan senyawa organik sebagai akseptor elektron (hidrogen) terminal. substrat dioksidasi tidak sempurna. Produk akhir disimilasi glukosa adalah senyawa organik sederhana yang disekresikan ke dalam medium sebagai waste product biasanya berupa alkohol dan asam

PRODUK AKHIR FERMENTASI

METABOLISME PROTEIN Bakteri, ragi (yeast) dan kapang (molds) memerlukan senyawa nitrogen dalam bentuk asam amino, serta asam nukleat purin dan pirimidin. Mikrorba lainnya dapat menggunakan ammonia atau nitrat untuk mensintesis senyawa nitrogen organik. Beberapa bakteri memfiksasi N 2 menjadi amonia Asimilasi ammonia L-Glutamat + NH 4+ + ATP L-glutamine + ADP + Pi Selanjutnya glutamate synthase mentrasfer satu gugus amino dari glutamine ke molekul γ-ketoglutarat sehingga terbentuk dua molekul L-glutamat: γ-ketoglutarat + L-glutamine + NADPH 2 + H + L-Glutamat + NADP +

Biosintesis asam amino Asimilasi ammonia menjadi asam amino glutamate adalah langkah awal dari rangkaian pembentukan asam amino lainnya. Katabolisme asam amino Asam amino dapat digunakan sebagai sumber energi. Secara umum, 20 asam amino dapat didegradasi menjadi 6 senyawa antara yang memasuki sistem metabolisme karbohidrat yaitu piruvat, acetyl Co-A, Oxaloacetate, fumarat, Suksinil Ca-A, dan γ- ketoglutarat.

Biosintesis asam amino

Biosintesis nukleotida. Biosintesis purin Biosintesis pirimidin

METABOLISME LIPID Bersama-sama karbohidrat dan protein, lemak adalah metabolit primer yang harus tersedia agar mikroba dapat tumbuh, berproliferasi dan beraktivitas. Komponen lemak: membran sitoplasma, mesosom, dan membrane inti pada mikroba eukaryotic. glycosydilglyserides dan lipoteichoic acid ditemukan di bakteri gram positif saja sedangkan lipopolisakarida terdapat di bakteri gram negatif. Lipid juga didegradasi untuk mendapatkan energi. lipid lebih banyak menghasilkan energi daripada glukosa. Total energi yang dihasilkan dari pemcahan asam lemak dapat mencapai 49,3 ATP sedangkan dari glukosa adalah maksimal 41 ATP.

Biosintesis asam lemak (fatty acids) jenuh dan tak jenuh

Mikroba dengan biosintesis asam lemak tidak jenuh melalui lintasan anaerbob dan aerob Lintasan anaerob Eschericia coli Salmonella typhimurium Serratia maecesens Azotobacter agilis Lactobacillus plantarum Agrobacterium tumifaciens Clostridium pasteurianum Staphylococcus haemolyticus Clostridium butyricum Caulobacter crescentus Propionibacterium Chloroflexus auranticus Clorobium limicola LIntasan aerob Alkaligenes faecalis Corynebacterium diphteriae Mycoibacterium phlei Bacillus (beberapa spesies) Micrococcus luteus Beggiatoa Leptospira caicola Sachharomyces cerevisiae Neurospora crassa Candida lipolytica Stigmatella aurantiaca

Degradasi Lipid Degradasi lemak menjadi asam lemak (fatty acid) dan gliserol (glycerol) yang dikatalis oleh enzim lipase