Drb II. Metabolisme - Cara Mo Mendptkan Energi 2003

DEPARTEMEN TEKNOLOGI INDUSTRI PERTANIANFAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN

INSTITUT PERTANIAN BOGOR2008

m.k. DASAR REKAYASA BIOPROSESm.k. DASAR REKAYASA BIOPROSES

I. METABOLISME MIKROBA : PROSES BIOKIMIA PENGHASIL ENERGI

Kebutuhan Energi oleh Sel Mikroba

Sumber Utama Penghasil Energi bagi Mikroba

Energi Kimia & Transfer Energi

Pembentukan ATP oleh Mikroba

Lintasan Disimilasi (penguraian) Nutrien : - Disimilasi Nutrien Kompleks - Glikolisis - Fermentasi & Respirasi

Nutrien/Seny kimia

KATABOLISME(Khimosintesis)

ANABOLISME(Biosintesis)

KATABOLISME (Fotosintesis)

CahayaBiopolimer

Fosforilasi substrat & Oksidatif

RNA, DNA,Protein Fotofosforilasi

Bioelemen/intermediate(asam amino, purin dll)

Akumulasiintraseluler

ATPADP

ATPADP

EnergiEnergi

Produk metabolisme/metabolit

Substrat

Skema Proses Metabolisme Di dalam Sel Mikroba

II. METABOLISME MIKROBA : PROSES BIOKIMIA YG MEMBUTUHKAN ENERGI

Penggunaan Energi untuk Proses Biosintetik

Biosintesis Senyawa Mengandung Nitrogen : - Biosintesis Asam Amino & Protein - Biosintesis Nukleotida & Asam Nukleat Biosintesis Karbohidrat : - Pemberian Energi unt. Monosakarida - Biosintesis Peptidoglikan Dinding Sel

Biosintesis Lipida : - Biosintesis Asam Lemak Rantai Panjang - Biosintesis Fosfolipida

Penggunaan Energi untuk Proses Selain Biosintesis : - Tranpor Nutrien ke Dalam Sel - Motilitas

Kebutuhan Energi oleh Sel Mikroba

• Semua sel hidup memerlukan energi untuk melaksanakan berbagai aktivitas, termasuk : - Konstruksi bagian struktural sel (dinding sel, membran sel dll)- Konstruksi bagian struktural sel (dinding sel, membran sel dll) - Sintesis enzim, asam nukleat, polisakarida, fosfolipida &- Sintesis enzim, asam nukleat, polisakarida, fosfolipida & komponen kimia lainkomponen kimia lain - Memperbaiki bag yg rusak & pemeliharaan sel- Memperbaiki bag yg rusak & pemeliharaan sel - Untuk pertumbuhan & replikasi- Untuk pertumbuhan & replikasi - Untuk akumulasi bbrp senyawa nutrien yg memiliki konsentrasi- Untuk akumulasi bbrp senyawa nutrien yg memiliki konsentrasi tinggitinggi - Untuk mengumpulkan bbrp nutrien dlm sel dan mengekskresikan - Untuk mengumpulkan bbrp nutrien dlm sel dan mengekskresikan produk-produk limbahproduk-produk limbah - Untuk motilitas (pergerakan)- Untuk motilitas (pergerakan)

•Sumber energi Sumber energi cahayacahaya, tetapi kebanyakan mikroba mendapatkan energi , tetapi kebanyakan mikroba mendapatkan energi dgn cara dgn cara disimilasidisimilasi (pemecahan (pemecahan nutriennutrien atau atau senyawa kimia senyawa kimia )) bila ikatan kimia nutrien tsb dipecah akan dilepaskan energi dari molekul nutrien & disimpan secara temporer pada “energy-trapping system” sampai saatnya digunakan.

METABOLISME MIKROBA : PROSES BIOKIMIA PENGHASIL ENERGI

Mikroba Chemotrophic :-Mendapatkan energi dg cara disimilasi nutrien atau substrat kimiawi energi yg dihasilkan ditangkap dan produk terakumulasi

Mikroba Chemoheterotrophic :-Mendapatkan energi dari disimilasi senyawa organik -contohnya : Streptococcus lactis + glukosa energi + asam laktat

Mikroba Chemoautotrophic :-Mendapatkan energi dari disimilasi senyawa anorganik, contohnya

Anabaena cylindrica + cahaya absorpsi cahaya oleh pigmen sel energi

Sumber Penghasil Energi Utama Mikroba :

Kelp. Nutrisi SumberEnergi

Sumber Karbon

Contoh

Kemoautotrof Seny. Anorganik

CO2Bakteri nitrifying, hidrogen, besi & sulfur

Kemoheterotrof Seny. Organik

Seny Organik Kebanyakan bakteri, fungi, protozoa & hewan

Fotoautotrof Cahaya CO2Bakteri sulfur ungu & hijau, alga, Cyanobacteri & tanaman

Fotoheterotrof Cahaya Seny Organik Bakteri non sulfur ungu & hijau

Klasifikasi Nutrisional Bakteri & Organisme Lain (berdasarkan sumber energi & sumber karbon)

• Energi kimia : energi yg terkandung dlm ikatan kimia dlm. mol. nutrien• Proses disimilasi & sintesis saling berkaitan

Reaksi exergonic membebaskan energi

Sebag energi ditangkap oleh senyawa pentransfer energi

Senyawa pentransfer energi memberikan energi ke reaksi endergonic

• Senyawa pentransfer energi terpenting : ATP (adenosine triphosphate) yang terbuat dari ADP (adenosine diphosphate) (Kandungan energi 1 mol ATP = 7.3 kkal/mol) energi ADP + fosfat ATP + air

ATP + air ADP + fosfat energi

ENERGI KIMIA & TRANSFER ENERGI

Fosforilasi penambahan/adisi gugus fosfat ke ADP dg energi dari reaksi exergonic (reaksi yg menghasilkan energi)

Cara fosforilasi ADP :

a. Fosforilasi Tingkat Substrat proses dimana gugus fosfat suatu senyawa kimia (substrat) ditambahkan ke ADP b. Fosforilasi Oksidatif proses dimana energi yg dilepaskan dari oksidasi kimia suatu senyawa digunakan untuk sintesis ATP dari ADP c. Fotofosforilasi proses dimana cahaya digunakan untuk sintesis ATP dari ADP (cyanobacteria, algae dan tanaman hijau yg berklorofil)

Cahaya digunakan untuk menghasilkan gaya “protonmotive” sbg tenaga untuk sintesis ATP

Pembentukan ATP oleh Mikroba

Oksidasi Biologi : • Merupakan proses oksidasi-reduksi, yaitu reaksi penting oleh sel hidup pada metabolisme & pengadaan energi (contoh : oksidasi zat organik)• Oksidasi : proses pelepasan elektron• Reduksi : proses penangkapan elektron

oksidasi (-elektron) A B

reduksi (+elektron)

• Semua reaksi oksidasi membebaskan energi, sedangkan reduksi membutuhkan energi• Pada tiap reaksi, terlibat pasangan senyawa : satu dlm bentuk teroksidasi & lainnya dlm bentuk tereduksi tiap pasangan senyawa = “sistem oksidasi-reduksi” = Sistem O/R

• “Electron-transport system” : suatu seri reaksi oksidasi sekuensial yg menghasilkan energi

Fosforilasi Oksidatif

• Proses oksidasi = dehidrogenasi dan proses reduksi = hidrogenasi Contoh : asam laktat menjadi asam piruvat adalah reaksi dehidrogenasi

• Reaksi tsb memerlukan senyawa lain sbg yg bertindak sbg akseptor elektron, yg disebut sbg “koenzim”, yaitu DPN (difosfo piridin nukleotida) DPN DPNH+H+

CH3 CH3 HC-OH C=O (enzim laktat dehidro- genase) HOC=O HOC+O DPN DPNH+H+

(asam laktat) (asam piruvat)

Penggunaan koenzim tsb lebih efisien krn hasil penerimaan elektron yaitu DPNH+H+ dpt digunakan lagi pada reaksi lainContoh : reaksi etanol menjadi asetaldehida menghasilkan DPNH+H+

yg dpt digunakan pada reaksi asam piruvat menjadi asam laktat

SENYAWA PEMBAWA ELEKTRON

• Berfungsi sbg pembawa elektron dari satu reaksi ke reaksi yg lainnya dgn bantuan enzim = koenzim

• Penggolongan senyawa pembawa elektron :

1. Protein yg mengandung inti besi, misalnya ferredoksin, rubidoksin dll 2. Nukelotida, misalnya nikotinamida adenin dinukleotida (NAD) dan nikotinamida adenin dinukleotida fosfat (NADP), yg masing-masing disebut juga DPN dan TPN. 3. Senyawa flavoprotein (FP) yaitu senyawa yg mengandung riboflavin dan terikat dg protein, misalnya flavin mononukleotida (FMN) dan flavin adenin dinukleotida (FAD) 4. Citochroma yaitu suatu heme yg mengandung inti besi dan terikat dg protein, misalnya citochroma a, b, c dll (berbeda berdasarkan spektrum sinar yg diabsorbsi)

Senyawa HasilOksidasi

HasilReduksi

JumlahElektron

JumlahProton

Ferredoksin FAD FADH2 2 2

Nukleotida DPN DPNH+H+ 2 1

TPN TPNH+H+ 2 1

Flavoprotein FP FPH2 2 2

Citochroma Cit(+) cit. 1 0

Tabel. Hasil oksidasi & reduksi bebrapa senyawa pembawa elektron

Rantai Transpor Elektron

• Merupakan rangkaian reaksi enzimatis yg menyangkut oksidasi substrat dan reduksi molekul oksigen Contoh : DPNH+H+ FAD DPN + FADH2

• DPNH+H+ yg dihasilkan dari reaksi-reaksi biologis akan dioksidasi oleh

FAD menjadi DPN• FADH2 yg tereduksi yaitu akan mengalami oksidasi dg memindahkan elektron-elektron ke citochroma yg tersedia.

Rantai Transpor Elektron

Skema “Rantai Transpor Elektron”(Fungsi : menerima elektron /H dari senyawa tereduksi dan memindahkan ke oksigen, sehingga terbentuk air dg mengeluarkan energi) Substrat Hasil oksidasi

Dehidrogenase DPN DPNH+H+

Flavoprotein FDH2 FAD

2H+

Citochroma Fe+++ Fe++

Citochroma Oksidase Fe++ Fe+++

O-- H2O

Lokasi berlangsungnya respirasi sel, memerlukan O2 & menghaslkan 36 mol ATP/mol glukosa•Matriks internal (biru) : lokasi terjadinya Siklus Krebs & “rantai transpor elektron” (RTE)• NADH2 and FADH2 (diproduksi dg glikolisis dan Siklus Krebs) mengumpankan ion hidrogen/elektron ke RTE • RTE memompa ion-ion hidrogen ke ruang intramembran (kuning), shg terjadi gradien pH 8 dlm matriks dan pH 7 dlm ruang intramembran • Ion-ion hidrogen mengalir dari ruang intramembran melalui saluran pada enzim ATP synthase ke dlm matriks (lihat panah) terjadi rotasi,sehingga terbentuk ATP

Struktur Internal Mitochondria

“the Powerhouses of the Cell”

Lintasan Disimilasi Nutrien :

Disimilasi Nutrien Kompleks• M.o dpt menggunakan berbagai jenis senyawa sumber energi molekul kompleks (protein, lemak, polisakarida), shg hrs dihidrolisis secara enzimatis menjadi senyawa sederhana seblm digunakan sbg pemasok energi

Molekul sederhana selanjutnya dpt dikonversi menjadi senyawa lain yg dpt memasuki lintasan disimilasi sel, seperti glikolisis (lihat lintasan glikolisis).

- Regenerasi NAD • Sel mengandung NAD sangat terbatas, shg harus ada proses meregenerasi NAD dari NADH2 agar glikolisis tetap berlangsung• Organisme hidup menggunakan cara untuk membuat NAD dari NADH2 dgn fermentasi & respirasi (lebih efisien)

1. Fermentasi

2. Respirasi Aerobik dan Anaerobik

3. Fotosintesis

FERMENTASI

- Merupakan reaksi oksidasi-reduksi di dalam sistem biologi yang menghasilkan energi, dimana sebagai donor dan akseptor elektron digunakan senyawa organik (tdk perlu O2) tdk efisien

- Senyawa organik yang biasa digunakan adalah karbohidrat dalam bentuk glukosa

- Kapasitas mikroba untuk mengoksidasi tergantung dari jumlah akaseptor elektron terakhir yang dapat dipakai

- Skema proses fermentasi :

senyawa organik teroksidasi (donor elektron)

e- energi

senyawa organik tereduksi (akseptor elektron)

Tabel Produk Utama pemecahan Glukosa oleh Bakteri

Spesies Produk Fermentasi Utama

Clostridium acetobutylicum Aseton, asetil metil karbinol, butanol, etanol, asam butirat, asam asetat

Lactobacillus brevis Asam laktat, asam asetat, etanol, gliserol

Streptococcus lactis Asam laktat

Enterobacter aerogenes Butilen glikol, asetil metil karbinol, etanol, asam format

Succinimonas amylolityca Asam suksinat, asam asetat

RESPIRASI

- Sel mempunyai enzim oksidase, sehingga dpt menggunakan O2

sebagai akseptor elektron terakhir- Mol O2 merupakan substrat yang baik untuk direduksi & tersedia

banyak di udara lebih efisien mengubah substrat menjadi energi (20X fermentasi)

- Elektron dlm sistem respirasi berasal dari DPNH+H+ (hasil oksidasi substrat) diubah melalui flavoprotein atau FAD dan citochroma (rantai transpor elektron) menjadi energi dlm bentuk ATP

substrat organik teroksidasi (donor elektron) e- energi (ATP) FAD

sitokroma O2 H2O

RESPIRASI ANAEROBIK

• Respirasi tanpa menggunakan oksigen dari luar, tetapi menggunakan bahan anorganik yg ada dlm substrat = akseptor elektron terakhir

• Energi yg dihasilkan lebih sedikit dibandingkan respirasi aerobik

senyawa organik teroksidasi (donor elektron) e-

energi

senyawa anorganik

(akseptor elektron) tereduksiSenyawa- senyawa anorganik yg dpt digunakan sbg akseptor elektron :

nitrat, sulfat atau CO2, menghasilkan senyawa-senyawa tereduksi sbb :

NO3- + 2 e- + 2 H+ NO2- + H2O

(nitrat) (nitrit)

FOTOSINTESIS

(B) e- e- (B)

Energi sinar Energi yg digunakanMatahari untuk sel

(A) e- e- (A)

H2O O2

• Menggunakan energi sinar matahari untuk meningkatkan energi energi elektron-elektron yg dihasilkan oleh oksidasi air menjadi oksigen algae, bbrp bakteri (e.g Cyanobacteria) & tanaman hijau

• Reaksi : n CO2 + H2O sinar matahari (CH2O)n + O2

(karbohidrat)

• Cahaya diabsorbsi oleh klorofil yang terletak dlm membran fotosintetik.• Saat cahaya diabsorbsi, dilepaskan elektron dari klorofil dan akan bergerak menuju rantai transpor elektron energi