Mikrobiologi Farmasi

Nita Rusdiana M.Sc., Apt

PERTEMUAN 7

Metabolit mikroorganisme

Metabolisme adalah reaksi kimia yang berlangsung

di dalam organisme hidup, dan merupakan reaksi

yang sangat terkoordinasi, mempunyai tujuan,

serta mencakup berbagai kerja sama dari banyak

sistem multi enzim.• Metabolisme punya empat fungsi spesifik, yaitu :

1. Untuk memperoleh energi kimia dari degradasi makanan yang kaya energi dari lingkungan atau dari energi solar

2. Untuk mengubah molekul nutrisi menjadi prekursor unit pembangun bagi makromolekul sel.

3. Untuk menggabungkan unit-unit pembangun ini menjadi protein, asam nukleat, lipid, polisakarida, dan komponen sel lainnya.

4. Untuk membentuk dan mendegradasi biomolekul yang diperlukan dalam fungsi khusus sel.

• 2 proses metabolisme yang berlawanan, keduanya berlangsung serempak, yaitu:1. Anabolisme, yaitu proses sintesis makromolekul

kompleks misalnya asam nukleat, lipid, dan polisakarida serta penggunaan energi.

2. Katabolisme, yaitu merupakan proses penguraian bahan organik kompleks menjadi bahan organik yang lebih sederhana atau bahan anorganik dan menghasilkan energi, misalnya adenin triposfat (ATP) atau guanin triposfat (GTP).

PETA KONSEP

Proses Metabolisme:

Anabolisme

Katabolisme

Karbohidrat, Lemak, Protein

Proses sintesis sel dan enzim,

memelihara steady state sel,

penyerapan unsur hara, ekskresi

senyawa, pergerakan sel

Reaksi enzimatik,

Reaksi Reduksi- OksidasiEnergi

▫ Definisi Metabolisme, Katabolisme danAnabolisme

▫ Metabolisme sebagai proses produksienergi untuk kehidupan sel

▫ Senyawa pembawa energi, ATP dan ADP

DEFINISI METABOLISME

Semua proses kimiawi yang dilakukan oleh organisme

atau semua reaksi yang melibatkan transformasi

energi kimia di dalam mahluk hidup

Anabolisme: Pembentukan senyawa yang memerlukan

energi (Rekasi endergonik):

FOTOSINTESIS: MEMBENTUK C6G12O5 DARI CO2 DAN

H2O

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

• Karaktersitik enzim

• Faktor yang mempengaruhi kerja enzim

• Pengaturan sistem enzim

• Penamaan enzim

ENZIM

DEFINISI DAN KARAKTERISTIK KERJA ENZIM

Protein dengan aktivitas katalitik yang mempercepat

reaksi kimia tanpa ikut dalam reaksi tersebut

Teori Kunci-Anak

kunci

Penurunan energi

aktivasi

Ukuran molekul

enzim > substrat

Reaksi dipercepat

pada suhu alami

KOFAKTOR ENZIM

Ada enzim yang mengandung komponen kimia lainselain protein. Komponen ini disebut kofaktor, suatu komponen yang bukan protein

Kofaktor berupa : Molekul anorganik seperti Fe2+, Mn2+, Cu2+, Na+ atau molekul organik kecil yang disebut koenzim misalnya vitamin B, B1, dan B2

Koenzim yang terikat kuat secara kovalen padaprotein enzim disebut gugus prostetik.

Enzim yang strukturnya sempurna dan aktifmengkatalisis, bersama-sama koenzim atau guguslogamnya 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 Sumber H+

Heterotrof/Kemoorganotrof

Organik OrganikAtauanorganik

Oksidasisenyawa organik

-

Ototrof/kemolitotrof

CO2 anorganik OksidasiSenyawaanorganik

-

FotosintesisFotolitotrof

BakteriSianobakteri

FotoorganotrofBakteri

CO2

CO2

CO2

AnorganikAnorganik

Anorganik

Cahaya matahariCahaya matahari

Cahaya matahari

H2S atau H2

Fotolisis H2O

Bahanorganik

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 O2; 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 NO3, SO4, senyawa organik fumarate, dan CO2; dan donor elektron berupa bahan organik, misalnya, bakteri metanogen

4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O

• Bakteri yang tumbuh lambat dengan keberadaan senyawa anorganik (ion mineral) tanpa menggunakan sinar matahari sebagai sumber energi

• Sumber karbon: CO2

• Sumber N: NH3, NO3-, atau N2

METABOLISME OTOTROF

(kemotrof, kemoototrof,kemolitotrof)

Tipe kemosintetis Oksidasi

senyawa anorganik

sebagai sumber energi

Famili, Genus, spesies

pewakil

Pengoksidasi NH3

(aerob)

NH3 dioksidasi menjadi NO2 Nitrobacteriaceae

(Nitrosomonas,

Nitrosococcus, Nitrospira)

Pengoksidasi NO2

(aerob)

NO2 dioksidasi menjadi NO3 Nitrobacteriaceae

(Nitrobacter, Nitrococcus)

Pengoksidasi sulfur

(aerob) dan besi

(aerob)

S2 dioksidasi menjadi SO4, dan

Fe2+ dioksidasi menjadi Fe3+.

Thiobacillus thiooxidans

Thiobacillus ferrooxidans

Ferrobacillus,

Leptothrix

Pengoksidasi

senyawa sulfur dan

pereduski NO3

(denitrifikasi)

S2O3 dioksidasi, NO3 direduksi Thiobacillus denitrificans

Bakteri Ototrof

• 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

METABOLISME FOTOSINTESIS

(Fotoototrof, Fotoorganotrof)

Fotosintesis bakteri ungu non belerang

CO2 + 2CH3CHOHCH3 → (CH2O) + H2O + 2CH3COCH3

Fotosintesis bakteri hijau belerang

CO2 + 2H2S → (CH2O) + H2O + 2S

Fotosintesis Anoksigenik: Tidak Menghasilkan O2

Fotosintesis Oksigenik: Menghasilkan O2

Fotosintesis Sianobakteri

6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2

METABOLISME KARBOHIDRAT

• Glikolisis = glukosa menjadi piruvat

• Siklus Kreb (Siklus asam sitrat) = piruvat menjadi CO2 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

Glukosa Asam Piruvat

Acetyl-CoACO2

O2

H2O

[NADH]

Rantai Pernafasan e-

Elektron

akseptor

TAHAPAN DALAM RESPIRASI

Tahap I=

Glikolisis

Tahap II = Dekarbiksilasi

as. Pyrupat

Tahap III = Siklus Kreb

TCA

Tahap IV = Rantai

Pernafasan

EnergiATPFosforilasi

oksidatif

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 CO2 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

Terminal

akseptor e

Donor

e-

Perbedaan redox

menggambarkan

besarnya perolehan

energi.

Semakin negatif

semakin tereduksi dan

sebaliknya semakin

teroksidasi

MENARA ENERGI

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 N2

menjadi amonia

Asimilasi ammonia

L-Glutamat + NH4+ + 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 + NADPH2 + 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

Lintasan anaerob LIntasan aerob

Eschericia coli Alkaligenes faecalis

Salmonella typhimurium Corynebacterium diphteriae

Serratia maecesens Mycoibacterium phlei

Azotobacter agilis Bacillus (beberapa spesies)

Lactobacillus plantarum Micrococcus luteus

Agrobacterium tumifaciens Beggiatoa

Clostridium pasteurianum Leptospira caicola

Staphylococcus haemolyticus Sachharomyces cerevisiae

Clostridium butyricum Neurospora crassa

Caulobacter crescentus Candida lipolytica

Propionibacterium Stigmatella aurantiaca

Chloroflexus auranticus

Clorobium limicola

Mikroba dengan biosintesis asam lemak tidak jenuh melalui lintasan

anaerbob dan aerob

Degradasi Lipid

Degradasi lemak menjadi asam lemak (fatty acid)

dan gliserol (glycerol) yang dikatalis oleh enzim

lipase