METABOLISME MIKROORGANISME
Mengapa mempelajari metabolisme?
Marlia Singgih Wibowo School of Pharmacy ITB
Tujuan mempelajari metabolisme mikroorganisme
Memahami jalur biosintesis suatu metabolit (primer atau sekunder) yang diproduksi oleh mikroorganisme Memahami regulasi dalam proses metabolisme (inhibisi, represi, kontrol, induksi) Memanfaatkan mikroorganisme untuk memproduksi metabolit yang kita inginkan Dapat memanipulasi mikroorganisme dan lingkungannya untuk mengatur laju pembentukan metabolit yang kita inginkan Dapat menetapkan faktor-faktor penentu dalam suatu proses metabolisme
Metabolisme
Katabolisme : proses degradasi nutrien menjadi fragmen-fragmen yang lebih kecil. Proses katabolisme menghasilkan ATP, proton motive force, menurunkan tenaga dan pengambilan nutrisi serta pembentukan rangka karbon dalam jalur metabolisme inti Jalur degradasi ini bisa pendek (misalnya pembentukan asetat) atau bisa pula panjang (misalnya pembentukan asam benzoat)
Amphibolisme : proses pembentukan intermediate (senyawa antara) Terjadi pembentukan building blocks (senyawa pembangun), misalnya asam amino, purin, pirimidin, gula-gula fosfat, asam organik, dan metabolit lain
Tahap Utama Metabolisme Asam amino, asam nukleat, dll
KH, Lemak, Protein NTP ADP ATP Katabo lisme
NADP NADPH
NDP Biosin tesis
CO2 Kerangka karbon
Tumbuh
Protein, lipid, struktur sel
Anabolisme : biosintesis polimer dari monomer (asam amino, nukleotida dan lipid) dari rangka karbon utama melalui pemanfaatan ATP dan NADPH Pertumbuhan sel dengan menggabungkan struktur makromolekul melalui proses polimerisasi monomer-monomer yang dihasilkan dari proses biosintesis, melibatkan berbagai nukleotida fosfat Polimer sel a.l. protein, asam nukleat, dinding sel, makanan cadangan, dll.
Jalur utama dalam metabolisme
Reaksi dalam proses metabolisme
Reaksi redoks (reduksi-oksidasi) yang melibatkan donor elektron dan akseptor elektron Keseluruhan reaksi redoks menunjang aktivitas sel yang menghasilkan salah satu dari 3 macam energi kimia berpotensi a.l :
Nukleotida piridin (NADH dan NADPH) Nukleotida adenin (ATP,ADP dan AMP) Proton motive force (pemindahan ion H dari bagian interior ke bagian eksterior membran)
Fungsi enzim dalam metabolisme
Reaksi metabolisme dikatalisis oleh enzim Semua protein pada sel tunggal (unisel) berada dalam bentuk protein enzim Pada bakteri, kebanyakan tidak memiliki protein struktur Setiap enzim secara spesifik bertanggung jawab pada konversi suatu senyawa menjadi senyawa lain Kerja enzim dapat bersifat substratspesifik, atau kerja-spesifik
Fungsi energi dalam metabolisme
Nukleotida piridin (NADH dan NADPH) : memindahkan hidrogen antara berbagai bagian sel yang berbeda-beda Nukleotida adenin (ATP,ADP dan AMP) : memperpanjang reaksi sel misalnya pada polimerisasi nukleotida dan asam amino Proton motive force (pemindahan ion H dari bagian interior ke bagian eksterior membran) : berperan dalam pengambilan substrat, atau untuk pergerakan
Laju kerja enzim
Ko-enzim dan gugus prostetik
Untuk mengambil atau memberikan fragmen suatu substrat, protein enzim menggunakan suatu senyawa berBM kecil yang bertindak sebagai tweezer untuk menangani gugus amino, gugus metil, hidrogen, elektron, dan fargmen kecil lainnya Ko-enzim sangat penting karena tidak dapat disintesis oleh kebanyakan organisme, sehingga harus diperoleh dari luar. Contoh : vitamin
Pembentukan energi dalam reaksi biokimia yang terjadi di dalam sel
Reaksi biokimia dalam metabolisme melibatkan pembentukan ATP Ada tiga cara ATP dibentuk :
Substrate-level phosphorylation Oxidative/respiratory-chain phosphorylation Photosynthetic phosphorylation
Fosforilasi pada tingkat substrat
Fosforilasi pada rantai respirasi
(Substrate-level Phosphorylation)
(Respiratory-Chain Phosphorylation)
Reaksi biokimia yang terjadi di dalam sitoplasma pada pembentukan ATP Pada reaksi Gliserat 1,3 bifosfat → 3 fosfogliserat : terbentuk 1 ATP Fosfoenol piruvat → piruvat (1 ATP) Asetil fosfat → asetat (1 ATP) Pada reaksi ini hanya terjadi pada bakteri yang memproduksi asetat, butirat, butanol, aseton, isopropanol
Ditandai dengan kapasitas memproduksi energi melalui proses respirasi Disebut juga fosforilasi transport elektron Sel bakteri dan mitokondria pada eukariot bertindak sebagai vesikel yang dikelilingi oleh membran sitoplasma. Ion Hidrogen dipindahkan dari atau ke membran sedemikian rupa sehingga terjadi gradien elektrokimia antara bagian luar dan dalam membran Bagian luar membran bermuatan positif, bagian dalam bermuatan negatif Transport elektron terjadi pada membran dan rantai respirasi tersebut bertindak sebagai pompa proton. Pada sintesis ATP, proton mengalir dari luar sel ke dalam sel
Fosforilasi fotosintesis (Photosynthetic phosphorylation)
Proses ini terjadi pada membran sel Terlibat suatu rangkaian reaksi yang membawa elektron (oleh donor elektron)dan yang menerima elektron (oleh akseptor elektron) Oksigen bukan satu-satunya spesi akseptor elektron, tapi juga senyawa lain misalnya senyawa inorganik nitrat, CO2, senyawa organik fumarat, dll) Pada Fotosintesis terjadi pula transport elektron, dan cahaya merupakan pemicu pompa proton
Regulasi metabolisme
Mekanisme transport komponen substrat ke dalam sel
Seluruh kegiatan metabolisme berlangsung sangat cepat dan harus bekerja di dalam sel Mikroorganisme memiliki potensi genetik untuk memproduksi lebih dari 1000 enzim Enzim ini harus dibentuk dalam jumlah yang tepat dan dalam sistem yang terkoordinasi dengan baik agar sel bekerja secara efisien Mikroorganisme dapat dengan cepat mengantisipasi perubahan lingkungan sehingga dapat dengan segera memperbaiki sistem metabolismenya Regulasi untuk sistem yang demikian terjadi pada level sintesis enzim atau pada level kerja enzim
Faktor yang mempengaruhi regulasi metabolisme
Jenis dan jumlah enzim Jenis dan jumlah substrat Adanya induktor, aktivator, represor dan inhibitor Faktor lingkungan Faktor genetik
Pada tingkat apa regulasi itu terjadi?
Tingkat molekul : misalnya regulasi terhadap ATP, NADPH Tingkat efektor : misalnya cAMP, Guanosin Trifosfat Tingkat protein : ekspresi oleh gen tertentu, induksi enzim, dll
Perbedaan Inhibitor, Represor, Aktivator dan Induktor terhadap suatu enzim
Aktivitas metabolisme utama yang dilakukan mikroorganisme
Metabolisme karbohidrat : amilum dan selulosa diubah menjadi glukosa dan selanjutnya menjadi senyawa lain mis.asam organik, aldehid atau alkohol. Dengan adanya oksigen senyawa tersebut diubah menjadi CO2 dan H2O Metobolisme lemak : lemak diubah menjadi gliserol dan asam-asam lemak (proses lipolisis) Metobolisme protein dan asam amino : protein diuraikan menjadi asam amino dan selanjutnya di dekarboksilasi
Inhibitor : molekul atau senyawa yang dapat menginhibisi atau menghambat terjadinya suatu reaksi Represor :molekul atau senyawa yang menyebabkan berkurangnya kecepatan reaksi enzim Induktor : molekul atau senyawa yang dapat menyebabkan terjadinya peningkatan efek enzim yang lebih baik Aktivator : molekul atau senyawa yang dapat mengaktifkan kerja suatu enzim
Glikolisis
Adalah proses umum yang terjadi di seluruh sel dimana substrat 6C diubah menjadi 2 molekul 3C (asam piruvat) 2 molekul ATP digunakan pada awal reaksi tetapi selanjutnya terbetuk 4 ATP akibat proses fosforilasi pada substrat Jalur : Embden-Meyerhof (EM), EntnerDuodoroff (ED) atau Hexose MonoPhosphate (HMP)
Embden-Meyerhof (EM) pathway
Entner-Duodoroff (ED) pathway
Metabolisme primer
Jalur metabolisme primer
Asam nukleat Purin Pirimidin Glukosa Asam amino Asam sitrat
Hexosa EMP ED HMP
Gliserol
Asetil CoA sitrat
isositrat
Piruvat
asetat
oksaloasetat
suksinat
propionat
Laktat
Asetil & format
metana
asetoasetat asetoin
butirat
butanol
Aseton + CO2
