Koordinasi metabolisme mikrobial dan biokonversi
Nutrien masuk ke dalam tubuh sel melalui : 1. Difusi pasif •
Pemasukan nutrien melalui pergerakan molekuler secara acak dan tidak memerlukan energi (ATP). 2. Difusi terfasilitas • Nutrien dialirkan melalui kombinasi ulang alik dan zat terlarut dengan molekul pembawa stereospesifik di dalam membran (tidak melibatkan ATP). • Dinding sel • Molekul pembawa yang bergerak ulang alik 3. Transpor aktif (permease) • Terjadi suatu akumulasi melawan gradien konsentrasi setinggi 10.000 kalinya oleh seuatu proses yang melibatkan seatu pembawa membran spesifik dan membutuhkan ATP. Proses ini dikontrol secara induksi atau represi. 4. Translokasi group • Suatu perubahan kovalen terjadi pada zat telarut, sehingga reaksinya sendiri menghasilkan suatu perlakuan dari molekul melalui membran. Proses ini membutuhkan energi. Zat terlarut yang terpindahkan secara kimiawi termodifikasi dan muncul sebagai suatu persenyawaan turunan di dalam sel.
KOORDINASI METABOLISME MIKROBIAL • Bila sel-sel mikroorganisme ditempatkan pada suatu lingkungan yang mengandung pati dengan amonia dan garam-garam mineral, maka sel tersebut menghidrolisa pati menjadi glukosa, membawa glukosa ke dalam sel, mendegradasi heksosa (C6) menjadi karbon rantai 2 dan 3, dan mengumpankan senyawa-senyawa lebih kecil tersebut ke dalam siklus asam trikarboksilat (Siklus Krebs) untuk memperoleh energi dan senyawasenyawa antara.
KOORDINASI METABOLISME MIKROBIAL • Senyawa antara yang terbentuk oleh siklus Krebs oleh senyawa sekuen lainnya untuk memebentuk ikatan 20 asam amino, 4 ribonukleotida, 4 deoksiribonukleotida, sekitar 10 vitamin, asam-asam lemak, gula alkohol, asam-asam organik dan heksosamin yang harus dikonversi menjadi 2000 buah protein, DNA, tiga tipe RNA, mukopeptida, polisakarida, koenzim dan lemak-lemak yang digunakan untuk memebentuk inti sel, ribosom, flagela, dinding sel, selaput membran dan mitochondria, dengan waktu generasi 20 menit. Karena sebuah sel bakterial khusus memiliki potensi genetik untuk mampu memproduksi 1000 enzim dengan baik, koordinasi metabolik menjamin bahwa pada suatu waktu tertentu hanya enzim yang diperlukan, jumlah yang tepat, dan hanya enzim-enzim yang kegiatannya dapat diatur oleh proses aktifasi dan penghambatan saja yang dibuat.
Macam Senyawa Metabolit A. Metabolit Primer : Metabolit-metabolit primer adalah senyawaan yang termasuk produk-produk akhir yang memiliki BM rendah, yang digunakan sebagai senyawaan pembangun makromolekul atau yang dikonversikan menjadi koenzim. Contoh : asam-asam amino, nukleotida-nukleotida purin dan pirimidin serta vitamin-vitamin, asam sitrat dan fumarat. Mikroba biasanya tidak memproduksi secara berlebih.
Macam Senyawa Metabolit 2. Metabolit Sekunder : Metabolit-metabolit sekunder adalah molekul-molekul yang disintesa oleh mikroorganisme tertentu, biasanya dilakukan pada akhir siklus pertumbuhannya strukturnya hampir sama. Tidak digunakan untuk pertumbuhannya namun berguna sebagai nutrien untuk bertahan hidup. Yang dikenal adalah antibiotika, mikotoksin dan pigmen [neomisin, mitomisin, aflatoksin, penisilin,
aktimoisin]
Pengaturan katabolit • Penurunan relatif kecepatan sintesis suatu enzim khusus, yang dihasilkan dari ekposur suatu sumber karbon yang diasimilasi secara cepat (terepressi katabolit). • Contoh • 1) terepressi katabolit pada β galaktosidase oleh E. Coli pada glukosa; • 2) pada Pseudomonas aeroginosa lebih menyukai sitrat sehingga sitrat akan menekan produksi enzim yang berperan dalam katabolisme gula.
Pengaturan Umpan Balik •
Umumnya untuk mengontrol produksi enzim biosintetik yang mengubah senyawa-senyawa antara metabolik menjadi senyawa kompleks makromolekul. Ada 2 pengaturan umpan balik : 1.
Penghambatan umpan balik : suatu fenomena metabolik terakhir dari seluruh bikokimiawi yang mencegah kegiatan enzim awal 2. Represi umpan balik : terjadi karena adanya suatu turunan produk sasaran pada jalur (pathway) konversi tersebut. Operasi ini digunakan untuk pengaturan sintesis asam amino, nukleotida purin, pirimidin, vitamin dan senyawa-senyawa pembangun molekul lain.
Pengaturan pada jalur bercabang (Branchad Pathaway) 1. Pengaturan diferensial oleh isoenzim • Banyak enzim diproduksi, setiap enzim dapat mengkatalisa reaksi yang sama tetapi dikontrol oleh produk akhir yang berbeda. Contoh E. coli pada pembentukan asam aspartat diatur oleh lisin, threonin, metionin. 2. Pengaturan umpan balik harmonis • Hanya satu enzim yang terlibat tetapi lebih dari satu produk akhir tersedia dalam jumlah berlebih untuk menghambat/menekan. Contoh Salmonella typhosa. Produk akhir : valin, isoleusin, leusin, asam pentotenat.
3. pengaturan umpan balik kumulatif •
Satu produk akhir hanya mampu melakukan penghambatan sedikit meskipun tersedia dalam jumlah banyak. Penggabungan produk akhir memperlihatkan efek kumulatif.
• •
Misal : E inhibisi 50% G inhibisi 20%
62 %
Pengaturan asam amino pada sintesis RNA • Inhibisi sintesis RNA oleh strain yang ketat terjadi akibat diproduksinya guanosin tetrafosfat (ppGp) dan guanosin pentafosfat (ppGpp) dalam keadaan asam amino yang terbatas. Nukleotida ini menghambat sintesis RNA akibatnya produksi enzim untuk asam amino terhambat, sintesa protein terhambat.
Pengaturan muatan energi • • • • • • •
Jumlah energi tinggi pada sel menurut A Hinson ATP + ½ (ADP) Muatan Energi = ATP + ADP + AMP ATP = Adenosin Tri Phosphat ADP = Adenosin Di Phosphat AMP = Adenosin Mono Phosphat
• • • • • • •
Muatan energi mengatur : Kegiatan enzim katabolik yang menghasilkan pembentukan ATP. Kegiatan enzim biosintetik yang menggunakan ATP. Muatan energi tinggi : Menghambat isositrat dihidrogenase, fosfofruktokinase. Mengaktifkan piruvat karboksilat, aspartokinase. Inhibisi terjadi pada muatan energi + 0,85
Biokonversi
BIOKONVERSI • Biokonversi adalah proses-proses yang dilakukan oleh mikroorganisme untuk mengubah suatu senyawa menjadi suatu produk yang mempunyai struktur kimiawi yang berhubungan. Konversi seperti ini seringkali juga disebut transformasi mikrobial. Proses-proses yang terjadi hanya terdiri dari satu atau sejumlah kecil reaksi enzimatik yang berbeda dengan urutan multi reaksi fermentasi. Konversi cara ini dapat terjadi pada sel yang sedang tumbuh,sel istirahat,spora,sel kering udara,atau sel kering. • Salah satu biokonversi tertua yang dikenal adalah produksi asam cuka dari etanol oleh bakteria asam asetat.
BIOKONVERSI MIKROBA •
Alasan memilih biokonversi dibanding langkahlangkah kimiawi : a. Produktivitas umumnya tinggi. b. Kondisi reaksinya lemah (T.P rendah). c. Reaksi dapat dilaksanakan pada posisi molekul yang secara biasa tidak bisa berjalan karena aktivitas yang tidak cukup. d. Reaksi berganda kadang kala dapat dilaksanakan oleh mikroorganisme yang memiliki beberapa enzim.
Faktor-faktor penting untuk fermentasi 1. Seleksi strain
•
Gunakan mikroorganisme yang paling aktif berproduksi yang telah ada. 2. Perbaikan fermentasi
• •
Parameter fermentasi harus dioptimalkan untuk memaksimalkan pertumbuhan dan produksi zat yang diinginkan. Seperti : suhu, pH, transferoksigen, nutrien,m surfaktan untuk produksi enzim-enzim ekstraseluler. 3. Pengenalan puncak siklus pertumbuhan
•
•
Terutama pada fermentasi batch, harus diketahui dengan tepat puncak pertumbuhannya, karena jika terlampaui konsentrasi produksi akan turun. Pada sistem kontinyu kecepatan pertumbuhan produk dapat dijaga konstan.
Pertumbuhan mikrobial dan hubungannya dengan lingkungan 1. Pengaruh suhu Pertumbuhan optimum dibawah 20 C disebut psikrofilik 30-35 C disebut mesofilik Diatas 50 C disebut termofilik Beberapa mengikuti per. Arrhenious, dimana setiap selisih 10 C kec. Reaksi naik/turun 2 kali lipat.
Hubungan suhu terhadap laju pertumbuhan
2. Pengaruh pH • • • • •
Bakteri tumbuh pd pH 4-8 Khamir suka pH 3-6 Kapang pH 3-7 Sel eukoritik pH 6,5-7,5 Selama fermentasi pH bisa berubah terutama jika asam/basa menjadi sumber makanan, atau sebagai produk. Hal ini bisa digunakan sebagai sumber informasi mengenai pertumbuhan maupun pembentukan produk
3. Pengaruh konsentrasi nutrien yang tinggi • Konsentrasi nutrien yang tinggi dapat mengakibatkan penghambatan pertumbuhan oleh substrat. • Untuk glukosa terjadi penghambatan pd konsentrasi yang sangat tinggi 100-150 gram/ liter. Pada konsentrasi 300-350 gram/liter terjadi dehidrasi sel mikroorganisme.
