METABOLISME SEL(KATABOLISME & ANABOLISME)

Pelatihan Rekayasa Bioproses Dalam Industri Bioteknologi20 November – 1 Desember 2006

LIESBETINI HARTOTO

Metabolisme :

• Semua reaksi kimia yang terjadi di dalam sel berbagai molekulterlibat dalam reaksi tsb = “metabolit”

• Terbagi menjadi 2 kategori :a. Menghasilkan energi katabolismeb. Biosintetik (memerlukan energi) anabolisme

• Organisme Fotosintetik memperoleh energi dari cahaya matahari• Organisme Kemotrof dari senyawa organik

• Oksidasi Biologis merupakan dehidrogenasi (penghilangan2 atom H yang dipindahkan molekul lain (= coenzyme),Contoh : - NAD (nicotinamide adenin dinucleotida)

- FMN (flavin mononucleotide)- FAD (flavin adenine dinucleotide)

• Selama pemecahan senyawa organik, dihasilkan senyawa antara(intermediate) yang mengandung gugus fosfat yang terikat sebagaiikatan ester fosfat (ikatan berenergi tinggi) ATP (adenine trifosfat)

Sumber Energi

KATABOLISME(Khimosintesis)

ANABOLISME(Biosintesis)

KATABOLISME(Fotosintesis)

CahayaBiopolimer

Fosforilasi substrat& Oksidatif

RNA, DNA,Protein Fosforilasi

Bioelemen/intermediate(asam amino, purin dll)

Pengumpulanintraseluler

ATPADP

ATPADP PanasPanas

Produk metabolisme Substrat

Skema Proses Metabolisme Di dalam Sel Mikroba

KATABOLISME

Pada mikroba dikenal 4 jalur pemecahan glukosa menjadi asam piruvat

1. Jalur Embden-Meyerhof Parnas (EMP) atau Glikolisis

fungi & kebanyakan bakteri

2. Jalur Heksosamonofosfat (HMF)

berbagai organisme

3. Jalur Entner-Doudoroff (ED)

hanya ditemukan pada beberapa bakteri

4. Jalur Fosfoketolase (FK)bakteri golongan laktobasili heterofermentatif

1. Jalur Embden-Meyerhof Parnas (EMP) atau Glikolisis

1. Jalur Embden-Meyerhof Parnas (EMP) atau Glikolisis

Merupakan reaksi konsekutif :

1. Fosforilasi glukosa oleh ATP; isomerisasi dan fosforilasi membentukfruktosa-1,6 difosfat dan 2 ADP

2. Pemecahan fruktosa-1,6 difosfat membentuk 2 mol triofosfat3. Oksidasi 3-fosfo-gliseraldehida dg redukso NAD dan pengambilan

fosfat anorganik (Pi ) pembentukan ikatan berenergi tinggi pd 1,3-difosfo-gliserat

4. Pemindahan ∼P dari 1,3-difosfo-gliserat ke ADP5. Isomerisasi 3-fosfo-gliserat, diikuti dg dehidrasi membentuk ∼P pd

fosfo-enol-piruvat6. Pemindahan ∼P pd fosfo-enol-piruvatke ADP dan membentuk piruvat

dan ATP

Piruvat menjadi kunci dalam proses katabolisme selanjutnyaContoh : asam laktat

etanol (khamir)Senyawa penting bernilai komersial

2. Jalur Heksosamonofosfat (HMF)

2. Jalur Heksosamonofosfat (HMF)

- Pemecahan glukosa menjadi asam piruvat dapat terjadi dari 2 jalur, yaitu jalur Heksosa Difosfat (seperti jalur EMP) dan jalur HeksosaMonofosfat

- Memberikan pentosa yang dibutuhkan untuk sintesis asam nukleat, beberapa asam amino armatik, vitamin & NADPH+H+

Siklus Pentosa

- Tidak menghasilkan energi secara langsung, tetapi NADPH+H+ yangterbentuk merupakan ATP jika masuk ke dalam sistem transpor energi

- Reaksi keseluruhan :

3 Glukosa-6-fosfat + 6 NADP+ 2 Fruktosa-6-fosfat + Gliseraldihida-3-fosfat + 3 CO2 + 6 NADPH+H+

Kaitan Link Glikolisis dgn Jalur Heksosamonofosfat (HMF)

3. Jalur Entner-Doudoroff (ED)

3. Jalur Entner-Doudoroff (ED)

-Ditemukan pada oksidasi glukosa oleh spesies Pseudomonas

- Tahapan reaksi :

* Aktivasi glukosa oleh ATP* Oksidasi gugus aldehid pada glukosa-6-fosfat membentuk

6-fosfo-glukonat dan reduksi NADP* Dehidrasi 6-fosfo-glukonat membentuk 2-keto-3-deoksi-6-fosfo-glukona

(KDPG)* Pemutusan KDPG menghasilkan piruvat dan gliseraldehida-3-fosfat* Triosa-fosfat melewati jalur Glikolisis serta menghasilkan 2 mol ATP

dan 1 mol NADPH+H+

4. Jalur Fosfoketolase (FK)

Glukosa L-arabinosaD-ribosa D-xylosa

Glukosa-6-P

Glukonolakton-6-P

6-Fosfoglukonat

Ribulose 5-P

D-ribosa 5-P L-ribolose D-xylosa

Xylulose 5-P

Gliseraldehida 3-P Asetil-P Asetat

Piruvat

ATPADP

NADP+

NADPH+H+

NADP+

NADPH+H+

ATPADP ATP

ADP

ADP ATP

Lihat EMP

4. Heterolactic lactobacilli

4. Heterolactic lactobacilli (Jalur Fosfoketolase (FK)

- Merupakan modifikasi dari jalur Glikolisis, karena mikroba tidakmempunyai enzim glikolitik (aldolase) : fruktosa difosfatgliseraldehida-3-fosfat

-Tahapan reaksi :

Pentosa fosfat diisomerisasi dan dipecah dgn pengikatan Pi asetil ∼fosfat terbentuk asetat atau etanolgliseraldehida-3-fosfat Glikolisis piruvat laktat

• Beberapa mikroba memetabolisme oiruvat dengan berbagai jalurkondisi

anaerobik

• Contoh :

Mikroba Produk Utama

Clostridia Butirat, asam setat, butanol, etanol, aseton, CO2, H2

Enteric bacteria Asam asetat, etanol, CO2 , H2 atau asam format, (E. coli, asam laktat, asam suksinat, 2,3-butilen glikolAerobacter aerogenes)

Yeast Etanol, CO2

Homofermentatif Lactic acidlactobacilli

Metabolisme Piruvat Secara Anaerobik

Siklus Asam Sitrat (TCA Cycle = Siklus Krebs))

- Bila tersedia oksigen, banyak mikroba dapat mengoksidasi puruvat melaluiSiklus Krebs

- Siklus berperan penting dalam memberikan kerangka karbon sebagaisenyawa awal (intermediate) serta energi untuk reaksi

- Melepaskan lebih banyak energi dibandingkan Glikolisis

Siklus Asam Sitrat (TCA Cycle = Siklus Krebs))

ANABOLISME (BIOSINTESIS)

1. Biosintesis Asam Amino

2. Biosintesis Asam Lemak

3. Biosintesis Karbohidrat

4. Biosintesis Nukleotida

5. Biosintesis Antibiotika

6. dll

Biosintesis Asam Amino

Biosintesis Asam Lemak

KETERATURAN METABOLISME

- Metabolisme mikroba berjalan dengan tingkat keteraturan yang sangat baikefisien dan tidak terjadi pembentukanproduk secara berlebihan

- Metabolisme mikroba dikendalikan melalui mekanisme keteraturan dalamaktivitas dan sintesis enzim, seperti :

1. Induksi2. Keteraturan Katabolit3. Feedback Regulation4. Keteraturan Muatan Energi5. Permeabilitas Membran

MODIFIKASI METABOLISME

1. Modifikasi Lingkungan

2. Modifikasi Genetika

3. Rekombinasi Genetika

SISTEM PENGENDALIAN AKTIVITAS ENZIM OLEH MIKROBA(Feedback Regulation)