METABOLISME

DEFINISI METABOLISME Semua proses kimiawi yang dilakukan oleh organisme atau semua reaksi yang melibatkan transformasi energi kimia di dalam tubuh mahluk hidupAnabolisme: Pembentukan senyawa yang memerlukan energi (Reaksi endergonik):

FOTOSINTESIS: MEMBENTUK C6H12O5 DARI CO2 DAN H2O

Katabolisme: Penguraian senyawa yang menghasilkan energi (Reaksi eksergonik):

RESPIRASI MENGURAIKAN KARBOHIDRAT MENJADI ASAM PIRUVAT DAN ENERGI1MENGAPA MIKROBA MEMERLUKAN ENERGI ?Synthesa bagian sel (dinding sel, membran sel, dan substansi sel lainnya)Synthesis Enzim, Asam Nukleat, Polysakarida, Phospholipids, atau komponen sel lainnyaMempertahankan kondisi sel (optimal) dan memperbaiki bagian sel yang rusakPertumbuhan dan PerbanyakanPenyerapan hara dan ekskresi senyawa yang tidak diperlukan atau waste productsPergerakan (Motilitas)

2METABOLISMEPendahuluanMetabolisme adalah semua reaksi kimia yang terjadi dalam organisme hidup untuk memperoleh dan menggunakan energi, sehingga organisme dapat melaksanakan berbagai fungsi hidup.Metabolisme terdiri dari dua proses yang berlawanan yang terjadi secara simultan. Reaksi tersebut adalah :Anabolisme Anabolisme adalah suatu peristiwa perubahan senyawa sederhana menjadi senyawa kompleks, nama lain dari anabolisme adalah peristiwa sintesis atau penyusunan. Anabolisme memerlukan energi, misalnya : energi cahaya untuk fotosintesis, energi kimia untuk kemosintesis.

2. Katabolisme Katabolisme adalah reaksi pemecahan / pembongkaran senyawa kimia kompleks yang mengandung energi tinggi menjadi senyawa sederhana yang mengandung energi lebih rendah. Tujuan utama katabolisme adalah untuk membebaskan energi yang terkandung di dalam senyawa sumber. Bila pembongkaran suatu zat dalam lingkungan cukup oksigen (aerob) disebut proses respirasi, bila dalam lingkungan tanpa oksigen (anaerob) disebut fermentasi

3Anabolisme dibedakan dengan katabolisme dalam beberapa hal:

Anabolisme merupakan proses sintesis molekul kimia kecil menjadi molekul kimia yang lebih besar, sedangkan katabolisme merupakan proses penguraian molekul besar menjadi molekul kecilAnabolisme merupakan proses membutuhkan energi, sedangkan katabolisme melepaskan energiAnabolisme merupakan reaksi reduksi, katabolisme merupakan reaksi oksidasiHasil akhir anabolisme adalah senyawa pemula untuk proses katabolisme.4ENERGI KIMIAKomponen kimia berenergi tinggi: Adenosin Diphosphate (ADP) dan Adenosine Triphosphate (ATP) yang dibentuk dari Adenosine MonophosphateADP adalah AMP ~ P dan ATP adalah AMP ~ P~ PEnergi 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 metabolisme5ATP - the universal currency of energy exchange in biological systems. Saat energi dibutuhkan untuk proses anabolisme, diperoleh dari ikatan energi pada ATP dengan nilai sekitar 8 kcal per mol. Sehingga, konversi ADP menjadi ATP membutuhkan 8 kcal energi, dan hydrolysis ATP menjadi ADP melepaskan 8 kcal.

The structure of ATP

6Problem utama pada sel: umumnya molekul yang diperlukan untuk dibuat (protein, asam nukleat, polisaccharida, dll.) dapat dibuat dengan menggabungkan monomer-monomernya (asam amino, nukleotida, monosaccharida), tetapi reaksi-reaksi kondensasi tsb adalah reaksi-reaksi endergonik tidak terjadi secara spontan. Solusi terhadap problem ini: dengan transfer gugus phospate dari ATP ke molekul lainnya yang mempunyai ikatan phosphate energi rendah, mempertukarkan energi bebasnya sehingga reaksi-reaksi yang endergonik ("uphill reaction ") menjadi reaksi-reaksi yang bersifat eksergonik ("downhill reaction "). Hal ini disebut dengan energy coupling. Problem ATP : sel secara konstan membuang gugus ATPnya, sehingga perlu suatu reaksi kimia untuk sintesa ATP ADP + Pi = ATP Diatas adalah reaksi endergonik, tidak terjadi secara spontan. Hanya ada 3 cara untuk membuat ATP: Substrate-level phosphorylation. Yaitu transfer langsung group phosphate berenergi tinggi ke molekul organik. Respirasi. Yaitu produksi ATP dengan oksidasi dari donor elektron tereduksi (e.g., gula, H2, H2S, dll.), melalui membran untuk membuat pemisahan muatan, dicoupling dengan reduksi acceptor elektron anorganik (O2, CO2, SO4, dll.). Photophosphorylation. Yaitu penggunaan energi cahaya untuk menghasilkan pemisahan muatan.

PENGANTAR METABOLISME7Procaryote, melakukan semua tipe metabolisme yang sama seperti organisme yang lebih tinggi lainnya, tetapi, ada beberapa tipe katabolisme di procaryote yang tidak dijumpai pada sel eukaryote. Terdapat banyak variasi model katabolisme diantara procaryote, bahkan antara species procaryote itu sendiri. Misal Escherichia coli , dapat menghasilkan energi untuk pertumbuhan fermentasi atau respirasi. Dia juga dapat melakukan respirasi aerobik dengan menggunakan O2 sebagai acceptor elektron akhir, atau berespirasi secara anaerob menggunakan NO3 atau fumarate sebagai acceptor elektron akhir. E. coli juga dapat menggunakan glukosa atau laktosa sebagai sumber karbon satu-satunya untuk pertumbuhan, dengan mentransformasikan gula tsb menjadi kebutuhan zat building blocknya/zat pembangun sel seperti amino acids, vitamins dan nukleotida.

Eukaryote, pada umumnya menghasilkan energi (ATP) melalui fermentasi ethanol (e.g. yeast), fermentasi laktat (e.g. sel otot, neutrophils), respirasi aerobik (e.g. jamur, protozoa, sel hewan) atau photosynthesis oxygenic (e.g. algae, sel tumbuhan). Jenis/model katabolisme seperti ini ada pada procaryote, sementara ada jenis lainnya yang tidak terdapat pada eukaryote.8BEBERAPA ISTILAH PERTUMBUHAN SEL MIKROBA:

Fermentasi yang unik umumnya memlalui jalur metabolisme Embden-Meyerhof. Jalur fermentation/metabolisme lainnya seperti phosphoketolase dan Entner-Doudoroff pathways Respiration Anaerobik : respirasi yang menggunakan substance/zat selain 02 sebagai acceptor elektron terakhirHeterotrophic type of metabolism: menggunakan senyawa organik sebagai sumber karbon dan energiLithotrophy: menggunakan zat anorganik sebagi sumber energi Photoheterotrophy: menggunakan senyawa anorganik sebagai sumber karbon selama photosynthesis bakteriPhotosynthesis Anoxygenic : photophosphorilasi tanpa O2 Methanogenesis: tipe metabolisme menggunakan H2 sebagai sumber energi dan menghasilkan metan Light-driven nonphotosynthetic photophosphorylation: metabolisme yang mengkonversi energi cahaya menjadi energi kimia

9

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 10

PRODUK AKHIR FERMENTASI11SKEMA PROSES METABOLISME DALAM SEL MIKROBA

Reaksi-reaksi katabolik/pemecahan senyawa organik menghasilkan senyawa-senyawa antara (intermediate) yang mengandung gugus fosfat yang terikat sebagai ikatan ester fosfat (ikatan berenergi tinggi) ATP, yang akan digunakan pada reaksi-reaksi anabolik untuk membangun material sel. Hubungan antara katabolisme dan anabolisme dalam sel mikroba :

12

13

14

15Dasar transformasi kimia energi adalah melibatkan reaksi-reaksi oksidasi/reduksi. Untuk terjadinya oksidasi biologis, elektron (atau juga pelepasan atom H yang dipindahkan ke molekul lain) harus dilepaskan oleh zat pengoksidasi. Selama reaksi, zat pengoksidasi tereduksi yang melepaskan elektronnya ke zat kimia lain. Molekul yang berfungsi sebagai carrier/pembawa elektron dalam reaksi oksidasi-reduksi pada sistem biologis ini adalah Coenzyme NAD (Nicotinamide Adenine Dinucleotide) dan turunan terphosphorilasi, NADP. Bentuk teroksidasi dari NAD disimbolkan dengan NAD; bentuk tereduksinya adalah NADH2 atau NADH + H+. NAD adalah derivative/turunan dari ADP (NAD = ADP-ribose + nicotinamide). Selain NAD juga ada FAD (flavin adenine dinucleotide) dan FMN (flavin mononucleotide)

16 Oxidation-Reduction Reactions (Redox reactions)Pada berbagai macam reaksi-reaksi kimia, reaksi oksidasi-reduksi umumnya menghasilkan/yield energi bebas, yang merupakan inti analisis dari metabolisme Definitions: Loss of Electrons = Oxidation (LEO) Gain of Electrons = Reduction (GER) Examples: oksidasi: Fe++ Fe+++ + e- (pada cytochromes) Oksidasi lainnya: lactic acid pyruvic acid + 2 H+ + 2e-Catatan: ini disebut reaksi oksidasi juga reaksi dehydrogenasi karena 2H = 2 H+ + 2e-. reduksi: NAD+ 2 H+ + 2e- NADH + H+ Reaksi Redox selalu terjadi bersama-sama: satu zat teroksidasi yang lainnya tereduksi.17Dalam ilmu biokimia, untuk kemudahan, jalur/pathway fermentasi selalu dimulai dengan glukosa, sebagai molekul yang paling sederhana untuk memasuki jalur metabolisme yaitu pemecahan glukosa menjadi asam piruvat (glikolisis) melalui beberapa tahap katalitik. Pada procaryote, dikenal 3 pathway utama glikolisis (the dissimilation of sugars): 1. The classic Embden-Meyerhof Parnas pathway, pada kebanyakan bakteri yang juga digunakan oleh umumnya eukaryote/fungi, termasuk yeast (Saccharomyces)2. The Entner-Doudoroff pathway. Dissimilasi gula yang hanya ditemukan pada beberapa bakteri.3. The Hexosemonophosphate pathway atau phosphoketolase atau heterolactic pathway, yang digunakan oleh berbagai organisme dan bakteri golongan laktobasili heterofermentatifKATABOLISME18

Embden-Meyerhoff Parnas (EMP) pathway19Embden-Meyerhoff Parnas (EMP) pathwayMerupakan reaksi konsekutif:

1. 6-carbon phase: Fosforilasi gula oleh ATP; isomerisasi dan fosforilasi membentuk fruktosa 1,6 difosfat dan 2 ADP Pemecahan fruktosa 1,6 difosfat menjadi 2 mol triofosfat & dua molekul 3- carbon 2. oxidation phase (energy release): glyceraldehyde-3-phosphate dioksidasi. Banyak energy dilepaskan (~ 418 kjoule). Sebagian sementara disimpan sebagai elektron (+ protons) sebagai NADH (tereduksi). Sebagian digunakan untuk penambahan anorganik phosphate (Pi) ke molekul 3-C, membentuk 1,3-bis-glyceric acid (ini disebut juga substrate level phosphorylation, atau SLP). Sebagian dilepaskan sebagai panas. 3. energy harvest phase: saat group phosphate terkonfigurasi menjadi energi tinggi, energi ini dapat dikonversi dari ADP membentuk ATP. Ini terjadi 2 kali untuk tiap each molekul 3-C. Karena satu glukosa menghasilkan dua molekul 3-C , yield total pada tahap ini adalah 4 ATP. Hasil akhir dari molekul 3-C adalah pyruvic acid, atau pyruvate (kunci proses katabolisme selanjutnya, misal as.laktat, etanol (khamir).

Net result: glucose + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD+ 2 pyruvate + 4 ATP + 2 (NADH + H+)

20Fermentasi Embden-Meyerhof pada bakteri dapat menuju ke produk akhir yang bermacam-macam tergantung jalur reduktif yang diambil setelah terbentuknya piruvat (ditunjukkan oleh gambar yang dibawah): Homolactic Fermentation. Lactic acid adalah produk akhir satu-satunya. Pathway dari homolactic acid bacteria (Lactobacillus dan umumnya streptococci). Bakteri biasanya memfermentasi susu dan produk susu dari manufaktur yogurt, buttermilk, sour cream, cottage cheese, cheddar cheese, dan umumnya fermented dairy products.

2. Mixed Acid Fermentations. Umumnya merupakan pathway dari Enterobacteriaceae. Produk akhir adalah campuran lactate, acetate, formate, succinate dan ethanol, dengan kemungkinan pembentukan gas (CO2 dan H2) jika bakteri menjumpai enzyme formate dehydrogenase, yang dapat memecah formate menjadi gas.

2a. Butanediol Fermentation. Membentuk campuran acid dan gas seperti diatas tetapi, selain itu, 2,3 butanediol dari kondensasi 2 pyruvate. Penggunaan pathway mengurangi pembentukan acid (butanediol biasanya) dan menyebabkan pembentukan intermediate, acetoin. Para ahli microbiologi melakukan test spesifik untuk mendeteksi low acid dan acetoin untuk membedakan non fecal bakteri (pembentuk butanediol, seperti Klebsiella dan Enterobacter) dari fecal bakteri (mixed acid fermenters, seperti E. coli, Salmonella dan Shigella). 213. Butyric acid fermentations, sama seperti fermentasi butanol-acetone (dibawah), pada clostridia. Selain itu clostridia ini dapat membentuk acetate, CO2 dan H2 dari fermentasi gula. Sejumlah kecil ethanol dan isopropanol dapat juga dihasilkan. 3a. Butanol-acetone fermentation. Butanol and acetone ditemukan sebagai produk akhir fermentasi oleh Clostridium acetobutylicum perang dunia ke I. Penemuan ini dapat memecahkan masalah kritis dari manufaktur bahan peledak (acetone dibutuhkan untuk manufaktur gunpowder/serbuk mesiu). Acetone didistilasi dari cairan fermentasi Clostridium acetobutylicum, dan saat itu ahli chemists organik tidak tahu bagaimana mensintesisnya secara kimia.

4. Propionic acid fermentation. Ini adalah fermentasi yang dilakukan oleh propionic acid bacteria termasuk corynebacteria, Propionibacterium dan Bifidobacterium. Meskipun sugar/gula dapat difermentasi langsung menjadi propionate, propionic acid bacteria akan memfermentasi lactate (produk akhir fermentasi lactic acid) menjadi acetate, CO2 dan propionate. Pembentukan propionate merupakan proses yang komplex dan tidak langsung melibatkan 5 atau 6 reaksi. Keseluruhan, 3 mol lactate diconversikan menjadi 2 mol propionate + 1 mol acetate + 1mol CO2, dan 1 mol ATP dihasilkan. Propionic acid bacteria digunakan pada manufaktur keju Swiss, yang dibedakan dari aroma yang dihasilkan propionate dan acetate, dan struktur diperoleh dari entrapment CO2.

22

23

Entnerr-Doudoroff (ED) pathway 24Entnerr-Doudoroff (ED) pathway Pathway lainnya untuk disimilasi glukosa ditemukan oleh Entner & Doudoroff. Mempunyai ciri evolutioner, kepentingan taksonomi. Ditemukan pada Pseudomonas, Rhizobium, Azotobacter, dan lainnya. Umumnya semua Gram-negatives, dan semua proses aerobik (membutuhkan oksigen, membuat energi umumnya dari respirasi). Glucose-6-P menjdi 6-phosphogluconate, (tidak Fructose 6-P, pada reaksi oksidasi yang menghasilkan NADPH, bukan NADH. 6-phosphogluconate kemudian berubah menjadi 2-keto-3-deoxy-6-phosphogluconate (KDPG). KDGP lalu split menjadi dua molekule 3-C. Satu adalah pyruvate; yang lainnya adalah glyceraldehyde-3-P (sama dengan senyawa 3-C Embden-Meyerhof pathway). Reaksi berikutnya sama dengan E-M pathway dan menghasilkan 1 lagi pyruvate. Catatan bahwa, reaksi keseluruhan adalah Glucose ---------->2 ethanol + 2 CO2, dan hanya memperoleh 1 ATP. bukan 2 seperti EMP pathway.

25

Hexose Monophosphate (HMP) pathway26Hexose Monophosphate (HMP) pathwayOR The Heterolactic (Phosphoketolase) PathwayDibedakan dengan adanya enzim pemecah, phosphoketolase, yang memecah pentose phosphate menjadi glyceraldehyde-3-phosphate dan acetyl phosphate. Seperti pathway fermentasi, digunakan oleh heterolactic acid bacteria, dan beberapa species Lactobacillus dan Leuconostoc. Pada pathway ini, glucose-phosphate dioksidasi 6-phosphogluconate, sehingga menjadi teroksidasi dan dekarboksilasi membentuk pentose phosphate. Tidak seperti Embden-Meyerhof pathway, reaksi oksidasi yang dimediasi dengan NAD terjadi sebelum pemecahan substrat yang digunakan. Pentose phosphate kemudian dipecah menjadi glyceraldehyde-3-phosphate (GAP) dan acetyl phosphate. GAP dikonversi menadi lactic acid dengan enzim yang sama seperti E-M pathway. Dua ATP dihasilkan dari substrate level phosphorylation. Acetyl phosphate direduksi dalam dua tahap menjadi ethanol, dua reaksi oksidasi sebelum pemecahan tetapi tidak menghasilkan ATP. The overall reaction is Glucose ---------->1 lactate + 1ethanol +1 CO2 dengan perolehan 1 ATP. Efficiensi pathway ini adalah setengah dari E-M pathway. Species bakteri Heterolactic jarang dipakai pada industri fermentasi. Contoh, Hasil fermentasi susu yang disebut kefir, analog yogurt, yang dihasilkan homolactic acid bacteria, dihasilkan dari species heterolactic Lactobacillus. Juga, fermentasi sauerkraut menggunakan species bakteri Leuconostoc untuk fermentasi.

27PROSES KATABOLISME SEL MIKROBA Dapat melalui beberapa proses:1. Fermentasi- tidak ada oksigen hadir atau digunakan - molekul organik sebagai terminal electron acceptor- yield/menghasilkan sedikit energi per molekul glukosa yang dioksidasi, biasanya hanya 2 ATP/ glukosa - umumnya energi ini disimpan pada produk fermentasi

2. Respirasi aerobik - oksigen digunakan sebagai terminal electron acceptor - yields energi yang banyak 38 ATP/glukosa

3. Respirasi anaerobik - oksigen digantikan oleh ion anorganik lainnya sebagai terminal electron acceptor - yields energi yang besar juga tetapi biasanya lebih kecil dari respirasi aerobik

28

Model fermentation29End product yields in microbial fermentationsPathway Key enzyme Ethanol Lactate CO2 ATP

EMPSaccharomyces fructose1,6 diP aldolase 2 0 2 2

EMPLactobacillus fructose1,6 diP aldolase 0 2 0 2

Heterolactic Streptococcus phosphoketolase 1 1 1 1

EDZymomonas KDPG aldolase 2 0 2 1

30Tiga fase/tahap katabolisme aerobik glukosa:EMP pathway/glycolysis untuk pemecahan glukosa menjadi pyruvate

2. Krebs, tricarboxylic acid (TCA) atau citric acid cycle untuk konversi pyruvate menjadi CO2 and NADH

3. Respiratory atau electron transport chain untuk pembentukan ATP dengan transfer elektron dari NADH ke electron acceptor.PROSES KATABOLISME AEROBIK SEL MIKROBA 31

TCA Cycle32TCA Cycle (Siklus Asam Sitrat)Pembentukan acetyl-CoAOksidasi pyruvate (3-C) + NAD+ Acetyl-CoA (2-C) + CO2 + NADH Dilakukan oleh pyruvate dehydrogenase (multi-enzyme system) Catatan: Acetyl-CoA dapat juga dihasilkan dari pemecahan lipida atau amino acid tertentu -- point penting dalam metabolisme

Net effects dari TCA cycle Mulai cycle: Acetyl-CoA (2-C) + oxaloacetate (4-C) + citric acid (6-C) Tahap berikutnya: Conversi citrate menjadi isocitrate (masih 6-C)

Oksidasi alpha-ketoglutarate (5-C) + CO2 + NADH

Oksidasi succinyl-CoA (4-C) + CO2 + NADH

Reaksi SLP : succinyl-CoA (4-C) + GDP succinate (4-C) + GTP (Catatan: GTP dapat diinterconversi dengan ADP membentuk ATP)

Oksidasi fumarate (4-C) + FADH2 -- conversi fumarate menjadi malate (6)oksidasi lagi oxaloacetate (4-C) + NADHNet yield: Acetyl-CoA (2-C) + 3 NAD+ + FAD 2 CO2 + 3 NADH + 1 FADH2 + 1 ATP TCA cycle melengkapi oksidasi carbon dari pyruvate menjadi (CO2); melepaskan electron awalnya dari C-H bonds ke electron carrier NADH dan FADH dalam mesin respirasi.

33Respirasi Aerobik

Menggunakan eksternal electron acceptor yaitu Oksigen. Problem dengan tipe katabolisme fermentasi adalah dengan menggunakan molekul organik sebagai acceptor electron terminal dan keluar sebagai limbah, sel kehilangan potensinya untuk dapat mengoksidasi molekul organik untuk mendapatkan lebih banyak energi. Solusi alternatif adalah dengan menggunakan beberapa molekul non-organik yang mempunyai potential redox rendah, dapat menerima elektron dan molekul yang tereduksi. Oksigen zat yang sempurna untuk hal ini, mempunyai potential redox yang sangat rendah dan tereduksi menjadi air, produk buangan yang baik bagi lingkungan. Untuk transfer elektron (dan protons, H+) ke oksigen, dibutuhkan spesial oxidasi enzim. Dalam mitochondria, ini adalah cytochrome, cyt a. Pada bakteri, cytochromes yang berbeda; pada E. coli, cyt o atau d. Catatan: respirasi tergantung dari ketersediaan eksternal electron acceptor. Semakin cepat electron acceptor ini dipakai, maka respirasi akan terhenti.

34Sistem transport Electron (ETS)

Meskipun sel dapat langsung transfer electronnya dari NADH ke oksigen, ini akan membebaskan semua energi yang terdapat di NADH sebagai panas. NADH memiliki banyak energi. Jika electron ditransfer langsung ke oksigen:NADH + O2 NAD + H2O, delta Go' = - 218 kjoules/mol Jika NADH memiliki ~218 kjoule energi,dan hanya perlu 30.5 kjoule untuk membuat 1 ATP, sehingga diperoleh 218/30.5 = ~ 7 ATP per NADH jika efisiensi konversi energi 100%. Dalam prakteknya, sel hanya terdapat efficiensi 40% (~ 3 ATP/NADH) pada kondisi optimal. Electron transport system (ETS) = pathway ikatan-membran mentransfer electron dari molekul organik ke oksigen. ETS menggerakkan elektron dan proton: elektron dilimpahkan ke carrier dalam membran, sedangkan proton dari dalam keluar membran. Net result: elektron memasuki ETS dari carrier seperti NADH atau FADH, memutar pada oxidase terminal, berakhir ke oksigen. ETS terdiri dari 4 compleks, terhubung dengan carrier mobile (Coenzyme Q, cytochrome c) yang bolak-balik antar kompleks di dalam membran.

Respirasi Aerobik

35 NADH FADH2 ATP Total ATPGlycolysis 2 - 2 8 TCA Cycle 6 2 2 24 Oxidative phosphorylation 2 - - 6 Total 38 mol ATP

Reaksi keseluruhan dari pemecahan glukosa pada eucaryote adalah (asumsi 3 ATP/NADH): Glucose + 38 Pi + 38 ADP + 6 O2 ----------> 6 CO2 + 6 H20 + 38 ATP Yang dapat juga dituliskanGlucose ----------> 6 CO2 + 10 NADH + 2 FADH2 + 4 ATP Energi terdeposisi dalam 38 mol of ATP adalah 277.4 kcal/mol glukosa. Perubahan energi bebas pada oksidasi langsung glukosa adalah 686 kcal/mol glukosa, therefore, efisiensi energi pada glikolisis adalah sebesar 40 %. Respirasi Aerobik

36Respirasi Anaerobik Menggunakan acceptors selain oksigen. Umumnya pada bakteri. Alternatif electron acceptors umumnya adalah molekul anorganik. Contoh respirasi anaerobik :Nitrate (NO3-). Proses disebut denitrification. Juga disebut dissimilative nitrate reduction. Produk tereduksi yang keluar dihasilkan dalam jumlah besar. Membutuhkan oxidase terminal baru yang disebut nitrate reductase. Sinthesis berjalan tanpa oksigen, kerja enzim repressed. Proses dapat dalam beberapa tahap, terjadi dalam dua arah yg berbeda:(A) nitrate (NO3-) nitrite (NO2-) ammonia (NH3)

(B) nitrate (NO3-) nitrite (NO2-) nitrous oxide (N2O) dinitrogen gas (N2) Proses kedua adalah pathway utama untuk kehilangan senyawa nitrogen dari tanah, nitrogen dilepaskan ke atmosfer kembali. Species Pseudomonas adalah denitrifiers yang umum, tersebar didalam tanah. Saat tanah subur terdapat banjir, oksigen akan berkurang dengan cepat, pseudomonas berganti jalur metabolisme menjadi respirasi anaerobik dan menggunakan nitrat yang terdapat dalam tanah, menjadikan tanah tsb menjadi tidak subur.37Sulfate (SO42-). Proses disebut sulfate reduction. Sulfate (SO42-) Hydrogen Sulfide (H2S) Kelompok kecil bakteri melakukan reaksi ini; semua obligate anaerobes. Mempunyai cytochrome c3 yang unik. Sulfate adalah umum terdapat dalam air laut. Sering H2S berkombinasi dengan iron, membentuk FeS yang tidak larut (black sediments). Umum terdapat di muara. Carbon dioxide (CO2). Salah satu dari ion anorganik yang umum. Methanogens: group dari CO2 reducers yang paling penting. Obligate anaerobes, archaeobacteria. Menghasilkan methan sebagai produk. Reaksi: CO2 + H2 + H+ CH4 + H2O Catatan: reaksi juga membutuhkan gas Hydrogen. Tipikal Methanogen bakteri yang menghasilkan hydrogen dengan fermentasi dapat melepaskan hydrogen setelah terbentuk.

38Metabolisme Lithotrophic (menggunakan senyawa anorganik sebagai sumber karbon & energi)physiological energy oxidized organismGroup source end product

hydrogen H2 H2O Alcaligenesbacteria, Pseudomonas

Methanogens H2 H2O Methanobacterium

Carboxydobacteria CO CO2 Rhodospirillum, Azotobacter

nitrifying bacteria NH3 NO2 Nitrosomonas

nitrifying bacteria NO2 NO3 Nitrobacter

sulfur oxidizers H2S or S SO4 Thiobacillus, Sulfolobus

iron bacteria Fe ++ Fe+++ Gallionella, Thiobacillus39Phototrophic Metabolism(use of light as a source of energy for growth)

plant photosynthesis bacterial photosynthesisOrganisms plants, algae, cyanobacteria, purple and green bacteria

type of chlorophyll chlorophyll a bacteriochlorophyll absorbs 650-750nm absorbs 800-1000nm

Photosystem I (cyclic photophosphorylation) present present

Photosystem I (noncyclic photophosphorylation) present absent

Produces O2 yes noPhotosynthetic electron donor H2O H2S, other sulfur compounds or certain organic compounds

40Metabolism Autotrophic (menggunakan fiksasi CO2 sebagai sumber karbon)

41Katabolisme zat selain glukosa

Banyak tersedia sumber Karbon lain selain glukosa. Secara umum harus dapat mengkonversinya menjadi molekul-molekul yang dapat masuk ke dalam metabolise sentral, di glikolisis atau TCA cycle.

Karbohidrat Banyak tersedia di alam, terutama dalam bentuk polysaccharida (cellulose, pati, lignin, dll.) Untuk memperoleh gula, pertama harus dapat mengeluarkan enzim hidrolitik yang dapat memecah ikatan glikosidik pada polysaccharida, shg diperoleh mono- dan disaccharida. Starch, glycogen mudah dihidrolisis oleh amilase Cellulose lebih sulit dipecah, sangat tidak larut, terikat kuat. Banyak fungi, beberapa bakteri menghasilkan cellulase. Agar beberapa bakteri laut menghasilkan agar Saat mono- atau disaccharida sudah tersedia, mrk ditransportasikan kedalam sel, dikonversi menjadi beberapa intermediate glikolisis seperti glucose-6-phosphate, dikatabolisme enzim glikolitik.

42 LipidaLipida biologis umumnya adalah triglycerida, diglycerida. Untuk mengkatabolismenya, bakteri mengeluarkan lipase, hidrolisis glycerida menjadi free fatty acids dan glycerol. Fatty acid dipergunakan oleh pathway Beta-oxidation. Dengan menggunakan FAD dan NAD+ untuk carrier elektron, 2unit-Karbon dihasilkan acetyl-CoA, masuk ke metabolisme sentral dari TCA cycle. Jalur Glikolisis tidak termasuk (kecuali untuk sintesis gula untuk dinding sel, pathway berjalan kebalikan arah).

Protein Protein harus pertama dihidrolisis oleh enzim protease, untuk memperoleh amino acid. Amino acid mempunyai struktur umum: NH2 - RCH - COOH. Tahap pertama pada katabolism adalah menghilangkan amino group (deamination), sering dengan penambahan substrat lain (transamination). Contoh: glutamic acid (suatu AA) + pyruvate alpha-ketoglutarate + alanine (= pyruvate + amino group). Kemudian alpha-KG dapat dioksidasi pada TCA cycle, karena mrp senyawa TCA cycle Pada saat ekses amino groups terakumulasi, harus dikeluarkan sebagai produk buangan, kemungkinan sebagai ion ammonium (membuat alkaline pH).

Katabolisme zat selain glukosa

43BiosintesaPathway/jalur-jalur metabolisme sentral (misal glikolisis dan TCA cycle), dengan beberapa modifikasi, selalu berjalan pada satu arah atau arah tertentu pada organisme. Alasannya adalah pathway-pathway ini menyediakan precursors untuk biosinthesa dari material yang dibutuhkan oleh sel. Saat satu pathway, seperti Embden-Meyerhof pathway atau TCA cycle, fungsi-fungsi untuk supplai energi dan/atau senyawa intermediate untuk sinthesis material sel, pathway tsb disebut amphibolic pathway. Pathway glycolysis dan TCA cycle adalah amphibolic pathways dapat membuat ATP dan senyawa intermediate sebagai pembangun material sel. Metabolic pathway yang utama, dan hubungannya dengan biosynthesis material sel, ditunjukkan pada gambar berikutnya. Biosynthesis atau intermediary metabolism adalah topik penting dalam ilmu biokimia, sebagai dasar dalam ilmu rekayasa bioproses tetapi tidak akan dijelaskan lebih jauh pada mata kuliah ini.Metabolic pathways dasar dari biosynthesis adalah sama pada semua organisma, dengan cara yang sama synthesis protein atau struktur DNA. Beerapa precursor utama untuk synthesis struktur sel procaryotie dan komponennya adalah sebagai berikut. 44Polysaccharide capsules atau inclusions adalah polimer dari glukosa dan sugar lain. Cell wall peptidoglycan (NAG dan NAM) diturunkan dari glucose phosphate. Nucleotides (DNA dan RNA) disintesis dari ribose phosphate. Triose-phosphates adalah precursors dari glycerol, dan acetyl CoA adalah precursor utama dari lipida untuk membran. Amino acid mempunyai sumber yang beragam. Precursor utamanya adalah amino acid untuk manufaktur protein adalah pyruvate, alpha-ketoglutarate dan oxaloacetate. Vitamin dan coenzyme disintesa pada berbagai pathway yang bergerak meninggalkan metabolisme sentral. ATP and NAD are part of purine (nucleotide) metabolism. Contoh, sintesis tetrapyrrole diperoleh dari pathway serine, juga dari succinate pada TCA cycle.

Biosynthesis45

46KETERATURAN METABOLISMEMetabolisme mikroba berjalan dengan tingkat keteraturan yang sangat baik, efisien dan tidak terjadi pembentukan produk secara berlebihanMetabolisme mikroba dikendalikan melalui mekanisme keteraturan dalam aktivitas dan sintesis enzim, seperti: 1.induksi 2.keteraturan katabolit 3. Feedback regulation 4.Keteraturan muatan energi 5.Permeabilitas membran47FEEDBACK REGULATION

48GLIKOLISIS: Degradasi glukosa menjadi piruvat1. 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 obligat49

lintasan Embden-Meyerhof-Parnas (EMP) = EMP Pathway

Memecah glukosa menjadi 2 piruvat, 2 NADH, dan 2 ATP 50

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 yang merupakan prekursor nukleotida.51

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

52

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

53SIKLUS KREB = Piruvat diubah menjadi CO2 dan NAD

Transport elektron54