METABOLISME MIKROORGANISME

Kuliah ke-8 Mikrobiologi 1203 P

METABOLISME

Sel harus menyelesaikan 2 tugas dasar untuk

tumbuh, yaitu:

Mensintesa komponen baru

biosintesis

Mengumpulkan energi

Jumlah total reaksi kimia biosintesis dan

pengumpulan energi disebut ―metabolisme‖

PRINSIP METABOLISME

Metabolisme dapat dibagi 2 komponen, yaitu: Anabolisme

Katabolisme

Katabolisme Reaksi degradatif

Reaksi yang menghasilkan energi dari pecahan molekul-molekul yang lebih besar

Anabolisme Reaksi yang melibatkan sintesis

komponen sel

Reaksi anabolis membutuhkan energi

Reaksi anabolis menggunakan energi yang dihasilkan dari reaksi katabolis

PRINSIP METABOLISME

Mengumpulkan energi

Energi didefinisikan sebagai kapasitas untuk melakukan pekerjaan

Hadir sebagai:

Energi potensial

Energi yang disimpan

Energi kinetik

Energi yang bergerak

o Melakukan pekerjaan

Energi dapat dikonversikan dari satu bentuk ke bentuk yang lain

Potensial kinetik

Kinetik potensial

PRINSIP METABOLISME

Mengumpulkan energi

Jumlah energi yang dilepas dari ikatannya disebut “energi

bebas”

Energi tersedia untuk melakukan pekerjaan

Jika perekasi (reactants) memiliki energi bebas lebih dari produk,

maka energi dilepaskan.

o Reaksi Eksergonis

Jika produk memiliki energi lebih dari pereaksi, maka energi

dikonsumsi.

o Reaksi Endergonis

PRINSIP METABOLISME

Komponen Jalur metabolik Proses terjadi sejalan dengan reaksi kimia

Komponen awal dikonversikan menjadi molekul pertengahan (intermediate) dan produk akhir.

Produk Intermediates dan produk akhir dapat digunakan sebagai metabolit prekursor

Jalur metabolik memiliki komponen penting untuk menyelesaikan proses

Enzim

ATP

Sumber energi kimia

Pembawa elektron

Metabolit prekursor

PRINSIP METABOLISME

Peran enzim

Enzim memfasilitasi setiap langkah jalur metabolik

Mereka adalah protein yang berperan sebagai katalis

Meningkatkan konversi substrat menjadi produk

Reaksi katalisa dengan menurunkan energi aktivasi

Energi dibutuhkan untuk memulai reaksi kimia.

ENZIM

Berperan sebagai katalisator biologi

Sangat spesifik

Jenis enzim tertentu hanya beraksi dengan 1 substrat

substrat dalam jumlah terbatas

Enzim tidak dapat mengganti pereaksi atau produk reaksi

kimia

Enzim tidak dapat digantikan dengan reaksi kimia yang

dikatalisisnya

Enzim biasanya dinamai untuk substrat yang dilakukannya

dan berakhir dengan akhiran–ase

protease

ENZIM

Cara kerja Enzim

Enzim bekerja dengan 2 tahap, yaitu: Substrat yang mengikat sisi

aktif enzim untuk membentuk suatu enzim kompleks

Substrat adalah bahan khusus pada enzim yang bekerja.

Produknya terbentuk.

E + S E-S E + P

Enzim dilepas untuk mengikat

substrat baru

Enzim diregulasikan untuk

mencegah produksi hasil yang

berlebihan.

ENZIM

Kofaktor dan Koenzim

Kofaktor

Komponen non-protein yang bereaksi

dengan enzim.

Koenzim

Kofaktor Organik

Bekerja sebagai pembawa (carriers)

bagi molekul atau elektron

o NAD+, FAD and NADP+ adalah

koenzim

Tidak spesifik seperti enzim

Bisa bekerja dengan beberapa enzim.

ENZIM

Faktor Lingkungan dari aktifitas Enzim

Faktor-faktor yang mempengaruhi aktifitas enzim adalah:

Suhu

Suhu yang meningkat akan meningkatkan kecepatan reaksi

o Suhu yang sangat tinggi membuat enzim menjadi tidak berfungsi

pH

Fungsi enzim terbaik pada pH di atas 7

Konsentrasi garam

Konsentrasi garam yang rendah sangat disukai enzim

ENZIM

Regulasi Allosteric

Meregulasikan produksi hasil

Molekul peregulasi mengikat nagian enzim allosteric Mengubah kemiripan enzim terhadap

substrat

Enzim Allosteric memulai aktifitas jalur (pathway) yang diberi Regulasi mengendalikan aktifitas

metabolik

Feedback inhibition

Produk akhir jalur (pathway) bekerja pada bagian allotter enzim Menutup jalur masuk

ENZIM

Penghambatan Enzim

Penghambatan Tidak kompetitif (Non-competitive inhibition)

Penghambat dan substrat bekerja pada bagian enzim yang berbeda

Allosteric inhibition

Feedback inhibition

Penghambatan kompetitif (Competitive inhibition)

Penghambat berkompetisi untuk bagian aktif dengan substrat

Penghambat secara struktural sama dengan substrat

Obat Sulfa berkompetisi dengan PABA untuk bagian aktif enzim yang menghasilkan asam folat.

ENZIM

PRINSIP METABOLISME

Peran ATP

Adenosine triphosphate (ATP)

Sumber energi bagi sel

Berhubungan secara negatif pada kelompok fosfat yang

menempel pada molekul adenosin

Berhubungan negatif terhadap fosfat

Menciptakan ikatan tidak stabil yang mudah pecah menghasilkan energi

ATP diciptakan dari 3 mekanisme:

Substrate phosphorylation

Oxidative phosphorylation

Photophosphorylation

PRINSIP METABOLISME

Substrate phosphorylation

Menggunakan energi kimia untuk menambahkan ion fosfat ke molekul ADP

Oxidative phosphorylation

Menggunakan energi dari proton untuk menambah ion fosfat ke ADP

Photophosphorylation

Menggunakan energi radiasi dari matahari untuk diubah menjadi phosphorylate ADP keATP

PRINSIP METABOLISME

Peran sumber energi kimia

Sumber energi

Bahan compound pecah untuk menghasilkan energi

Jenis-jenis bahan compound yang tersedia :

Glukosa, merupakan molekul organisyang paling umum

Mengumpulkan energi membutuhkan sejumlah reaksi

yang berpasangan

Reaksi Oksidasi-reduksi

PRINSIP METABOLISME

Reaksi Oksidasi-reduksi Reaksi di mana 1 atau lebih elektron dipindahkan dari 1

substrat ke substrat lainnya.

Bahan compound yang kehilangan elektron dioksidasi

Disebut Donor Elektron

Bahan compound yang mendapat elektron direduksi

Disebut Pembawa Elektron

Di dalam reaksi, elaktron dihilangkan

Proton sering mengikuti bentuk ion H+

Ion H+ memiliki 1 proton dan tidak ada elektron

PRINSIP METABOLISME

Peran pembawa elektron (electron carriers) Ada 3 jenis pembawa elektron (electron carriers) Nicotinamide adenine dinucleotide

NAD+

Flavin adenine dinucleotide

FAD

Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate

NADP+

Bentuk yang direduksi mewakili kekuatan yang direduksi

Disebabkan energi yang dapat digunakan di dalam ikatan

Bentuk yang direduksi :

NADH + H+

FADH2

NADPH

PRINSIP METABOLISME

Metabolit Precursor

Produk Intermediate dihasilkan di dalam jalur katabolis

Digunakan pada jalur anabolis

Tampil sebagai bahan mentah untk kontruksi makromolekul

KATABOLISME GLUKOSA

Tahapan pada katabolisme glukosa:

Glikolisis

Transisi (konversi)

Siklus Kreb (Tricarboxylic Cycle, TCA)

Electron Transport Chain (ETC, Respiration)

KATABOLISM GLUKOSA

Skema metabolisme

Tiga jalur utama:

Jalur metabolik utama:

Glikolisis

Transisi

Siklus Kreb

Electron Transport Chain

Jalur utama adalah katabolis dan

menyediakan :

Energi

Koenzime yang direduksi

Metabolit Precursor

GLIKOLISIS

Glikolisis Jalur utama untuk mengubah 1 glukosa 2 piruvat

10 tahapan

Jalur tersebut terdiri dari:

Dua 3 C-molekul piruvat

Menghasilkan 2 ATP

2 ATP selanjutnya pecah menjadi glukosa

4 ATP dikumpulkan

Dua molekul mengurangi tenaga

NADH + H+

6 jenis metabolit precursor

5 intermediate and 1 piruvat

GLIKOLISIS

TRANSISI

Tahap Transisi

Menghubungkan glikolisis menjadi Tricarboxylic Acid Cycle

Memodifikasi 3-C piruvat dari glikolisis menjadi 2-C acetyl CoA

CO2 dihilangkan melalui dekarboksilasi

Sisa kelompok 2-C acetyl bergabung menjadi koenzim A

o Membentuk Acetyl CoA

NAD+ direduksi menjadi NADH + H+

Setiap piruvat memasuki langkah transisi

Reaksi terjadi 2 kali untuk 1 glukosa

Hasil dari tahap Transisi :

Tenaga yang berkurang

NADH + H+

Metabolit Precursor

Acetyl CoA

TRANSISI

SIKLUS ASAM TRICARBOKSILAT

Siklus Asam Trikarboksilat

menyelesaikan oksidasi glukosa

Menggabungkan acetyl CoA dari tahap Transisi

Melepaskan CO2 pada reaksi

Siklus berganti 1 kali untuk setiap acetyl CoA

Dua putaran untuk setiap molekul glukosa

Siklus menghasilkan:

2 ATP

6 NADH + H+

2 FADH2

4 CO2

SIKLUS ASAM TRIKARBOKSILAT

RESPIRASI Menggunakan NADH and

FADH2 untuk mensintesa ATP Fosforilasi oksidatif terjadi

dari kombinasi 2 mekanisme:

Rantai Trasportasi Elektron Menghasilkan proton motive

force

Kombinasi dengan sintesaATP Menggunakan energi di

dalam proton motive force untuk mensintesa ATP

RESPIRASI

Rantai Transportasi elektron

Kelompok pembawa elektron dengan membran yang

melekat

Susunan pembawa membantu produksi proton motive force

Empat jenis pembawa elektron:

Flavoproteins—FAD

Iron-sulfur proteins—seperti NAD dehydrogenase complex

Quinones—lipid soluble molecules yang bergerak di dalam

membran dan memindahkan elektron

Cytochromes—proteins dengan kelompok ‗heme‘

RESPIRASI

Rantai Transportasi elektron mitokondria Rantai terdiri dari :

Complex I

a.k.a NADH dehydrogenase

Complex II

a.k.a succinate dehydrogenase

Coenzyme Q

Complex III

Cytochrome C

Complex IV

Setiap pembawa menerima elektron dari pembawa sebelumnya.

Di dalam proses, proton dipompakan melewati membran

RANTAI TRANSPORTASI ELEKTRON

MITOKONDRIA

RESPIRASI

Mekanisme tenaga proton

Pembawa tertentu menerima proton dan elektron,

beberapa hanya menerima elektron

Memompa proton melewati membran

Menciptakan suatu gradien proton

Penyusunan pembawa menyebabkan proton dapat melewati

membran.

RESPIRATION

Rantai transportasi

elektron menggunakan

serangkaian reaksi

oksidasi reduksi untuk

menghasilkan energi

untuk memompa H+

dan untuk membentuk

air.

RANTAI TRANSPORTASI ELEKTRON

MITOKONDRIA

RESPIRASI

Rantai transportasi elektron prokaryota

Respiration dapat bersifat aerob atau anaerob

Pada respirasi aerob beberapa prokaryota memiliki enzim sama dengan complex I and II dari mitokondria Tidak memiliki enzim yang sama dengan complex III atau

cytochrome c

Menggunakan quinones (ubiquinone)

o membawa elektron secara langsung menuju terminal electron acceptor

o Oksigen bertindak sebagai penerima jika tersedia

RANTAI TRANSPORTASI ELEKTRON

PROKARYOTA (AEROB)

RESPIRASI

Rantai transportasi elektron pada prokaryota

Respirasi anaerob kurang efisien

Pembawa elektron alternatif digunakan

Oksigen tidak bertindak sebagai ujung penerima elektron

(terminal electron acceptor)

Beberapa bakteri menggunakan nitrat

Nitrat diubah menjadi nitrit

o Nitrit diubah menjadi ammonia

Bakteri pereduksi sulfur menggunakan sulfat sebagai ujung

penerima elektron (terminal electron acceptor)

Pembawa Quinone (menaquinone) menghasilkan vitamin K

RESPIRASI

Sintesa ATP

Mengumpulkan energi dari tenaga proton (proton force)untuk mensitesa ATP Mengizinkan proton untuk mengalir kembali ke dalam sel

Menghasilkan cukup energi untuk mem-phosphorylate ADP ATP

o Satu ATP terbentuk dari 3 proton

10 proton dipompa keluar setiap NADH+H+

Satu NADH menghasilkan 3 molekul ATP

6 proton dipompa keluar setiap FADH2

Satu FADH menghasilkan 2 molekul ATP

RESPIRASI

ATP dari phosphorylasi oksidatif

ATP dihasilkan melalui re-oksidasi NADH + H+ dan FADH2

Maximum theoretical yield

Dari glycolysis

2 NADH + H+ 6 ATP

Dari tahap transisi

2 NADH + H+ 6 ATP

Dari TCA

6 NADH + H+ 18 ATP

2 FADH2 4 ATP

FERMENTASI

Digunakan oleh organisme yang tidak dapat

berespirasi

Karena kekurangan penerima elektron inorganik yang

cocok atau kekurangan rantai transportasi elektron

ATP dihasilkan hanya pada glikolisis

Tahap lain untuk mengkonsumsi tenaga pereduksi yang

berlebih

Mengulang siklus NADH

Jalur fermentasi menggunakan pyruvate atau derivative sebagai

terminal electron acceptor

FERMENTASI

FERMENTASI Produk akhir dari

fermentasi termasuk:

Asam laktat

Ethanol

Asam butyrat

Asam propionic

2,3-Butanediol

Campuran beberapa asam

Semua dihasilkan pada serangkaian reaksi untuk menghasilkan terminal electron acceptor yang cukup

Terima Kasih