6 Prokaryot anaerob mengoksidasi
NADH dan pembawa elektron lain → respirasi anaerobik (nitrat, sulfat atau fumarat sebagai akseptor elektron) atau fermentasi 6 Fermentasi : lintasan dimana NADH (akseptor elektron lainnya) dioksidasi pada lintasan tsb → terjadi di sitosol → ATP dari fosforilasi tingkat substrat.
6Fermentasi hanya terjadi di prokariot, pada khamir butuh O2 kecuali bila ada sterol dan asam lemak tak jenuh Beberapa sel hewan mampu berfermentasi seperti sel otot, sel darah merah manusia. Jenis fermentasi tergantung produk akhir utama: fermentasi etanol oleh khamir, fermentasi asam laktat oleh sel otot, sel darah merah manusia.
Fermentasi karbohidrat diklasifikasikan dalam 6 grup: laktat, etanol, butirat, asam campuran, propionat, homoacetat. Toksisitas oksigen: Oksigen tereduksi (radikal hidroksil, radikal superoksida, hidrogen peroksida) bersifat toksik bagi anaerob obligat. Bentuk superoksida terbentuk karena penambahan 1 elektron O2 + e- → O2Flavoprotein, quinon dan protein FeS melepas superoksida.
Organisme aerobik memiliki superoksida dismutase O2- + O2- + 2H+ → H2O2 + O2 H 2O 2 + H 2O 2 → H 2O + O 2 oleh enzim katalase
fermentasi
Reduksi
Metanogen
Fermentasi asam amino, karbohidrat, purin, pirimidin → asam organik dan alkohol → CO2, CH4 dan H2 (berbagai tipe bakteri) → rantai makanan anaerobik → siklus karbon. Asetogen pereduksi proton obligat mengoksidasi butirat, propionat, etanol dan komponen lain ke asetat, CO2 dan H2 sumber utama / satusatunya “electron sink” adalah proton. Fisiologinya belum jelas, kemungkinan:
elektron dari substrat → pembawa elektron intermediat (NAD+) → hidrogenase → H+. Contoh CH3CH2COO- + 3H2O → CH3COO- + HCO3- + H+ = 3H2 ΔG’o = + 76,1 KJ
A. Fosforilasi tingkat substrat 1. 1,3 BPGA + ADP 2. PEP
+ ADP
3. ASETIL-P + ADP
3- PGA
+ ATP
PIRUVAT
+ ATP
ASETAT
+ ATP
B. Respirasi Fumarat
In
Out
In
Out AH2
2H+ + Fumarat
H+ + NADH 2H+
QLOOP
2e-
Suksinat
2H+ + Fumarat
A+2H+
2eSuksinat
C. Pompa proton dan produk efflux
In
Out
D. Na+bebas mendekarboksilasi organik
In
Out
Laktat OAA 2Na+ CO2 + Piruvat
nH+
E. Oksalat elektrogenik menjadi Format
In -O
2C-CO2
Out -O
-
H+ CO2 HCOO-
2C-CO2
-
asam
Lintasan Akrilat → propionat Clostridium propionicum : 3 laktat → 2 propionat + 1 asetat + 1 CO2 + 1ATP ATP dari fosforilasi tingkat substrat pada konversi asetilP ke asetat (asetat kinase). Satu asetat per 3 laktat → 1/3 ATP /lintasan Penting! Pada glikolisis produksi asetat berasosiasi dengan pembentukan 2 ATP.
(2H) CH3 CHOH
COOH Laktat
1
O CH3 C COOH Piruvat
(2H) CO2 2
O CH3 C ∼ SCoA Asetil-CoA
CoASH 5 3
CoASH
O C ∼ SCoA Laktil-CoA
CH3 CHOH
O CH3 C O ∼ P Asetil-P
6 H 2O O
CoASH
C ∼ SCoA
CH2 CH 2(H)
Akrilil-CoA
4
ADP ATP
X2
7 CH3 COOH O CH3 CH2
Asetat
C ∼ SCoA Laktil-CoA
CH3 CH2
COOH Propionat
Enzim : (1) laktat dehidrogenase, (2) Piruvat-ferredoksin oksidoreduktase, (3) fosfotransasetilase, (4) asetat kinase, (5) CoA transferase, (7) dehidrogenase. Reaksi 6 is not sufficiently characterized.
Transfer Coenzim A dari 1 bahan organik ke yang lain (CoA transferase) Lintasan suksinat-propionat &Pada Propionibacterium : Gram +, anaerobik, non motil, tak berspora, batang pleomorfik, hewan normal rumen herbivora, kulit manusia, produk susu. &Digunakan pada pembuatan keju swiss. &Menghasilkan lebih banyak ATP/mol propionat.
Reaksi transkarboksilasi utk menyimpan ATP
Karboksilasi piruvat dengan piruvat karboksilase dan CO2, butuh ATP
Propionibacterium : methylmalonyl-CoA-pyruvat transkarboksilase → transfer grup karboksil dari methylmalonyl-CoA ke piruvat tanpa ATP
6(H) 3CH3 CHOH COOH Laktat
(2H) CO2
O 3CH3 C
1
COOH
CH3 C ∼ SCoA Asetil-CoA
2
Piruvat
O
CoASH 5
3
COOH C CH3 CH2
O CH2 Oksaloasetat
COOH
Propionat
2COOH 4(H)
O CH3 C O ∼ P Asetil-P
6 4
Propionil-CoA
2CH3
2COOH
CH2
CH2
C ∼SCoA
C HOH
ATP CH3 COOH
COOH Malat
O
ADP
Asetat Enzim:
7 2H2O
Metil malonil-CoA
2COOH
2COOH
CH
C H
CH3 H
C ∼SCoA
(1) Laktat dehidrogenase (a flavoprotein), (2) Piruvat dehidrogenase (enzim NAD+ )
C
Fumarat COOH
O
(3) Fosfotransasetilase, (4) Asetat kinase,
8 ADP+Pi 4(H) ATP
10
COOH
C H2 C ∼SCoA O Suksinil-CoA
(6) Malat dehidrogenase,
2(CoAS)
C H2 9
(5) metilmalonil-CoA-piruvat transkarboksilase,
2COOH
(7) Fumarase,
C H2
(8) Fumarat reduktase,
C H2
Suksinat
(9)CoA transferase
COOH
(10) metilmalonil-CoArasemase.
Propionibacteria memproduksi
dapat suksinat
dan
propionat sebagai produk akhir bila ditumbuhkan pada glukosa → memiliki karboksilase C3 ke C4. PEP + CO2 + P → oxaloasetat + PPi PPi digunakan untuk fosforilasi Fru-6P dan serin (Fosfoserin) Oxaloasetat suksinat
direduksi
ke
Lintasan dari Suksinat:
PEP
ke
1. Fumarat sebagai electron sinks yang memungkinkan NADH di oksidasi 2. Fumarat reduktase → situs penggabungan Suksinat dapat dikonversi ke succinyl-CoA yang dibutuhkan untuk biosintesis tetrapyrol, lisin, asam diaminopimelat dan metionin
Fermentasi (asetogenesis)
asetat
C C. thermoaceticum : CO2 sebagai electron sink melalui lintasan asetil CoA
C
Desulfotomaculum thermobenzoicum (pereduksi sulfat) : jika tumbuh pada piruvat tanpa sulfat Desulfobulbus propionicus memfermentasi piruvat ke asetat dan propionat melalui lintasan suksinat-propionat
8(H)
O 4CH3
C
COOH
Piruvat
1 CoASH
4CO2
O 4CH3
C ∼ SCoA
O 4CH3
O∼P
C
4ADP 3 ATP 4CH3COOH Asetat
CO2
6(H),ATP
CO2
4 2(H)
(CH3) (CO)
O CoASH 6
CH3
C ∼ SCoA
O CH3
5
C
O∼P
ADP 8 ATP CH3COOH Asetat
Enzim : (1) piruvat dehidrogenase, (2,7) fosfotransasetilase, (3,8) asetat kinase, (4) enzim dari lintasan asetil Co-A, (5,6) karbon monoksida dehidrogenase.
Fermentasi Laktat I Grup yang heterogen, anaerob toleran, ada pada kulit hewan, traktus gastrointestinal, beberapa hidup di vegetasi, produk susu, ada penting dalam bidang medis dan komersial I Lactobacillus, Leuconostoc, Sporolactobacillus, Pediococcus dan Bifidobacterium I Memfermentasi glukosa hanya melalui fermentasi → ATP dari fosforilasi tingkat substrat. Kondisi tertentu → mentransport laktat keluar sel dengan simport H+ menghasilkan ΔΨ
Tipe fermentasi: 1. Homofermentasi : glikolisis 2. Heterofermentasi : pentosa fosfat 3. Lintasan Bifidum: Bifidobacterium bifidum Homofermentasi laktat Glukosa + 2 ADP + 2 Pi → 2 laktat + 2 ATP
Heterofermentasi laktat Laktat diproduksi saat dekarboksilasi dan isomerisasi pada lintasan pentosa fosfat Glukosa + ADP + Pi → etanol + laktat + CO2 + ATP Lintasan Bifidum 2 glukosa + 5 ADP + 5 Pi → 3 asetat + 2 laktat + 5 ATP Menggunakan reaksi pentosa fosfat dan homofermentatif
Fermentasi asam campuran dan butanediol Bakteri entero bersifat anaerob fakultatif → perubahan ke anaerob: 1.Reduktase terminal mengganti oksidase pada rantai transpor elektron 2.Siklus TCA tereduksi. Suksinat dehidrogenase diganti fumarat reduktase 3.Piruvat-format liase diganti piruvat dehidrogenase 4.Fermentasi asam campuran atau butanediol
Fermentasi
asam
campuran
dan butanediol sama
dalam
hal memproduksi asam organik campuran, CO2 dan NADH. Fermentasi (Serratia,
butanediol Enterobacter
dan
Erwinia) banyak memproduksi 2,3 butanediol, asetoin, CO2 dan etanol Fermentasi asam campuran: Escherichia, Salmonella, Shigella
Fermentasi asam campuran Reaktannya: PEP + CO2 atau Piruvat Produknya: suksinat, laktat, asetat, etanol, format, CO2, H2. Format dioksidasi ke CO2 dan H2 oleh sistim enzim formathidrogen liase yang terdiri atas format dehidrogenase dan hidrogenase. Format dehidrogenase mengoksidasi format ke CO2 dan mereduksi hidrogenase yang akan mentransfer elektron ke 2 proton membentuk H2.
Shigella dan Erwinia tak mempunyai format-hidrogen liase → tak ada gas
2(H) ATP
Glukosa
G6P
6-P-Glukonat
2
1
2(H)
1 2
C
O
HO C
O
H
5
RuMP
3
CH2OH
3 4
CO2
C
4
OH
CH2O P Xyl-5-P
Pi 5
H
3
C
Enzim ;
O
CHOH
5
CH2O P PGALD
Pi 2(H)
O
(1) heksokinase,
4
CH3 C O ∼ P 1 2 Asetil-P
(2) glukosa-6 fosfat dehidrogenase,
Pi
(3) 6-fosfoglukonat dehidrogenase,
9
O
(4) ribulose-5-fosfat epimerase,
O
CH3 C ∼ SCoA
C O∼P
(5) fosfoketolase,
CHOH
(6) fosfotransasetilase,
CH2O P
1.3 BPGA
ADP 10 ATP
6
2(H)
7 O
(7) asetaldehid dehidrogenase, (8) alkohol dehidrogenase,
CH3 C H Asetaldehid
(9) PGALD dehidrogenase,
2(H)
8
(10) PGA kinase, COOH
(11) fosfogliserat mutase,
CHOH
(12) enolase,
CH2O P 3-PGA 11
(13) piruvat kinase,
COOH CHO P CH2OH 2-PGA
CH3 CH2OH Etanol
(14) laktat dehidrogenase. COOH
COOH
COOH
C O∼P
C O
CHOH
CH2
CH3
CH3
PEP
Piruvat
Laktat
1/2 Glukosa ATP
1
ADP ADP + Pi
2H
ATP CO2 Pi
PEP
10 ADP
OAA 11
2 ATP
2(H)
Piruvat Malat 3 12
CoASH
H 2O
Pi
2(H)
Suksinat
Format
Asetil-CoA +
Fumarat 13
Laktat
4
2(H) 8
6
5 CoASH
Asetaldehid
Asetil-P ADP
CO2 H2
7
9 ATP
Asetat
Etanol
Enzim : (1) enzim glikolitik, (2) piruvat kinase, (3) piruvat-format liase, (4) laktat dehidrogenase, (5) format-hidrogen lyase, (6) asetaldehid dehidrogenase, (7) alkohol dehidrogenase, (8) fosfotransasetilase, (9) asetat kinase, (10) PEP karboksilase, (11) malat dehidrogenase, (12) fumarase, (13) fumarat reduktase .
Fermentasi Butanediol Karakternya: 2,3 butanediol dan asetoin Dekarboksilasi piruvat oleh α− asetolaktat sintase yang bergantung thiamin pirofosfat (TPP) → asetaldehid aktif terikat ensim. Asetaldehid aktif ditransfer ke piruvat oleh α−asetolaktat sintase membentuk α−asetolaktat → dekarboksilasi → asetoin → 2,3 butanediol Produksi butanediol disukai pada kondisi medium agak asam dan merupakan cara bakteri mengurangi keasaman pH eksternal yang disebabkan oleh sintesis asam organik dari piruvat
Fermentasi butirat Selain butirat juga sedikit CO2 dan H2. Clostridia proteolitik penting pada dekomposisi protein secara anaerob dan disebut putrefaction Fermentasi butirat dan butanolaseton Pada C.acetobutylicum. Pada fase eksponensial diproduksi butirat, asetat, CO2 dan H2 (fase asidogenik).
Memasuki fase stasioner konversi asam organik ke butanol, aseton dan etanol (fase solventogenik). Kemampuan mengirim elektron ke hidrogen melalui NADH:ferredoxin oxidoreductase memungkinkan bakteri memproduksi lebih banyak asetat → lebih banyak ATP daripada mereduksi asetilCoA ke butirat, namun secara energi tak disukai dan dihambat oleh akumulasi H2.
1/2 Glukosa 1
2(H) ATP
Format
O
Laktat
2(H) 10
CoASH
CH3 C COOH Piruvat
2
3
CO2
+
H2
Asetil-CoA 4
2(H)
6
CO2
Asetaldehid (CH3 C
TPP.E)
OH O CH3 C
5
“Asetaldehid Aktif”
7
COOH
2(H)
Etanol
TPP.E OH O
CH3 C
C
COOH
α - Asetolaktat
COOH 8
CO2
Enzim : CH3
OH
O
CH
C
(1) enzim glikolitik, CH3
Asetoin 9
(2) piruvat-format liase, (3) format-hidrogen liase,
(2H)
(4) asetaldehid dehidrogenase, OH CH3 CH
(5) alkohol dehidrogenase,
OH CH
CH3
2,3 Butanediol
(6,7) alfa-asetolaktat sintase, (8) alfa-asetolaktat dekarboksilase, (9) 2,3-butanediol dehidrogenase, (10) laktat dehidrogenase.
CH3
CH3
NH2
CH2 CH2 O
P
P
+N
CH2
Enzim +N
1
S
S H 3C
N
H+
H+
TPP-E
H
Dipolar ion
2 CH3
CH3 +N
O
S
+N
CH3 C H
CH3 C
S
O
CH3 C OH TPP-adduct C O O
O O Piruvat
Asetaldehid
3 H+
Reaksi katalis TPP, (1) TPP-enzim kehilangan proton menjadi ion dipolar. Anion distabilkan oleh kutub positif nitrogen. (2) ion dipolar berkondensasi dengan piruvat membentuk TPPadduct. (3) Elektron attracting N dalam TPP memfasilitasi dekarboksilasi membentuk asetaldehid aktif.
CH3
CO2
CH3 H+
a +N
S CH3 C O
N:
a
S
H
“Asetaldehid aktif”
CH3 C OH
H
H+ b
CH3 C O
CH3
CO2 O OH CH3 C C
+N
CO2
S
CH3
b
- Asetolaktat
H CH3
CH3
C
O H
CH3 C OH CO2
+N
S
2NAD+
Glukosa
Fdred Fdox
2NADH + H+
1
2 Piruvat
2Pi + 2ADP
2ATP
2CH3 C ∼ SCoA
2
2CoASH
O Asetil-SCoA
2CO2 3
CoASH O
O C ∼SCoA
CH3 C CH2
Asetoasetaldehid H+ + NADH
4 NAD+
OH
O
CH3 C CH2 H
C ∼SCoA
β -Hidroksibutiril-SCoA
5 H 2O
O
CH3 CH CH C ∼SCoA
Krotonil-SCoA
H
Enzim: (1) glikolisis,
H+ + NADH
6 NAD+
( 2) piruvat-ferredoksin oksidoreduktase,
O
CH3 CH2 CH2
C ∼SCoA
Butiril-SCoA
7 Pi
(4) beta-hidroksibutiril-CoA dehidrogenase,
CoAS O CH3 CH2 CH2
C
ADP
O∼ P Butiril-P
8
(5) krotonase, (6) butiril CoA dehidrogenase, (7) fosfotransbutirilase,
ATP
(8) butirat kinase
O CH3 CH2 CH2
(3) asetil-CoA asetiltransferase (tiolase),
C
OH
Asam butirat
(9) hidrogenase.
ATP
Pentosa
ADP Glukosa-6-P ATP
Glukosa
ATP
ADP
ADP
Fruktosa-6-P ATP
Pentosa-P
ADP 2-Fosfogliseraldehid 4ADP + 2Pi 4ATP 2NAD+
NADH + H+
16
NAD+
H2
2NADH + 2H+
2 Piruvat 17 1 Fdox
2CO2 ATP Asetat
ADP Asetil-P 9
+ Fdred 4H
8
2 Asetil-CoA 2
10
Asetaldehid
CoASH
13
Asetoasetil-CoA
11 3 Aseton
CoASH
Pi
CoASH
Asetoasetatik
2H2
CO2
NAD+
NADH + 2H+
Etanol
NAD+
Hidroksibutiril-CoA 4
H 2O
Crotonil-CoA ATP Butirat
7
5 ADP Butiril-P
Pi 6
NADH + H+
NAD+ Butiril-CoA 14
CoASH
NADH + 2H+
Butiraldehid NADPH + H+ 15 NADP+ Butanol
Glukosa 2NAD+
1
2NADH
CO2 2H2 4H+
2 Piruvat 2CO2
2Fdox 2Fdred
2
Asetil-CoA
2H2 4H+
Asetil-CoA P
3
NADH
Asetaldehid 4
NADH
5
Pi
Asetil-P 6
ADP
CH4
ATP
Etanol
Asetat
Ruminococcus albus
Metanogen
Fermentasi butirat dan butanol aseton pada C. acetobutylicum . Enzim : (1) piruvat-ferredoksin oksidoreduktase (2) asetil-CoA asetiltransferase (tiolase), (3) hidroksibutiril-CoA dehidrogenase, (4) krotonase (5) butiril-CoA dehidrogenase, (6) fosfotransbutirilase, (7) butirat kinase , (8) fosfotransasetilase, (9) asetat kinase, (10) asetoasetil-CoA: asetat/butirat: CoA transferase; (11) asetoasetat dekarboksilase, (12) asetaldehid dehidrogenase, (13) etanol dehidrogenase, (14) butiraldehid dehidrogenase, (15) butanol dehidrogenase, (16) NADH- ferredoksin oksidoreduktase dan hidrogenase, (17) hidrogenase.
