Bioteknologi Lingkungan

RE 091332 BIOTEKNOLOGI LINGKUNGANMikroba dan MetabolismaProf. Joni HermanaMateri Kuliah2011

ftspfakultas teknik sipil dan perencanaan ITS surabayahttp://www.ftsp.its.ac.idMinggu ke: 2 - 3Subyek BahasanPrinsip Metabolisma oleh OrganismaPara Pelaku MetabolismaMetabolisma: GlycolysisMetabolisma: LipidsMetabolisma: KarbohidratMetabolisma: Asam NukleatMetabolisma: ProteinProduksi Energi SelularMikroba dan MetabolismaDegradasi polutan oleh mikroorganisma dapat terjadi melalui: proses penguraian (melalui konsortia) atau immobilisasi (dari hasil zat kimia yang dikeluarkan organisma)Energi yang digunakan, disarkan pada sumber nitrisinya: Dari cahaya (phototrophs), dari bahan organik (organotrophs), dari bahan kimia anorganik (lithotrophs)Carbon diperoleh dari makanan yang dicernanya: dari bahan organic (heterotrophs), dan bahan inorganic/CO2 (autotrophs)Klasifikasi bakteri berdasarkan Sumber Energi dan Sumber Carbon-nyaJenis NutrisiSumber EnergiSumber CarbonContohPhototrophsSunlightOrganic compounds (photoheterotrophs) or carbon fixation (photoautotrophs)Cyanobacteria, Green sulfur bacteria, Chloroflexi, or Purple bacteriaLithotrophsInorganic compoundsOrganic compounds (lithoheterotrophs) or carbon fixation (lithoautotrophs)Thermodesulfobacteria, Hydrogenophilaceae, or NitrospiraeOrganotrophsOrganic compoundsOrganic compounds (chemoheterotrophs) or carbon fixation (chemoautotrophs) Bacillus, Clostridium or EnterobacteriaceaeMikroba PelakuAwalnya dikenal ada 2 jenis mikroba:Mikroba yang mempunyai nukleus (eukaryotes)Mikroba yang tidak mempunyai nukleus (prokaryotes)Kemudian dikenal archea, prokaryotes yang namun lebih menyerupai eukaryotes.Sehingga selanjutnya (menurut Woese) menjadi 3 jenis: bakteri, archea, eukaryotes (berdasarkan organisasi dan proses dlm selnya)Archea ditemukan di lingkungan yang ekstrim (suhu, tekanan, salinitas atau tekanan osmotis)Apa yang Ada di Dalam SelKajian dilakukan untuk E coli, sebagai organisma yang relatif paling sederhanaDi dalam sel terdapat kromosom tunggal berisi bahan genetikDisepanjang kromosom ada beberapa benang panjang dengan bola ganda yang bergulir di sepanjang benang tersebut, disekitarnya ada gumpalan makromolekul, serpihan bahan mentah dan lautan air

Supercoiled chromosome of E. Coli (R. Kavanoff)Gambar Struktur Sel Bakteri Coli

Eubacteria

Sel memiliki dinding luar yang tipis (dapat ditembus oleh zat-zat kimia). Didalam dinding sel terdapat cairan sitoplasma, yang mengandung struktur-struktur kecil atau organ-organ kecil (organel). Struktur pusat adalah nukleus yang memuat gen yang menentukan bentuk dan fungsi sel. Struktur-struktur lain melepaskan energi dari makanan, membuang zat-zat sisa, atau melindungi sel dari serangan organisme lain.SEL PROKARYOTE

SEL EUKARYOTE

Prokaryote vs. EukaryoteKarakteristik ProkariotEukariotGenomeJumlah molekul DNADNA dalam OrganelDNA dalam KromosomMembran nukleusPembelahan mitosis dan meiosis dari nukleusPembentukan diploid partialSatuTidakTidakTidakTidak

YaLebih dari satuYaYaYaYa

TidakOrganelMitokondriaRetikulum EndoplasmaAparatus GolgiAparatus FotosintetisFlagellaTidakTidakTidakKlorosomProtein tunggal, sturktur sederhanaYaYaYaKloroplastStuktur kompleks, dgn mikrotubulesSporaEndosporaEndo~ dan Eksospora Daya tahan panasTinggiRendahJalur Metabolisma yang Relevan dengan BioteknologiStrategi utama bioteknologi lingkungan adalah memanfaatkan jalur metabolisme mikroorganisme agar mampu memecah atau mencerna bahan organikJalur metabolisme yang bekerja untuk mensintesis disebut anabolik, sementara yang bekerja pada jalur penguraian atau degradasi disebut sebagai katabolik.Istilah anabolisme- katabolisme digunakan untuk menggambarkan proses sintetis dan degradasi.

MakromolekulTersusun dari rantai yang sebagian besar berupa salinan sub-unit molekul unsur-unsur C, H, O, N, S dan P yang identikMisalnya polisakarida yang hanyalah dari rantai molekul glukosa. Polisakarida yang umum adalah kanji dan selulosaMakromolekul lain adalah Lipid, Asam Nukleat dan Protein

Metabolisme Glycolysis dan TCA (Tricarboxylic Acid)Glikolisis adalah proses yang menggambarkan penguraian glukosa (gula, C6H12O6) yang mengandung enam atom karbon, menjadi dua molekul piruvat, masing-masing memiliki tiga atom karbon (CH3COCOO)Sehingga glycolysis adalah konversi 6-phosphor dari gula carbon (glucose 6-phosphate) menjadi 2 (3-carbon organic acid) atau pyruvic acid. Metabolisme Glycolysis dan TCA (Tricarboxylic Acid)Proses Glycolysis dan TCA merupakan sentral metabolisma karena dari sinilah terjadi proses penguraian dan penggabungan secara metabolis.Pyruvate masuk kedalam berbagai pathway yang didasarkan oleh kebutuhan energi dan sintesis sel pada saat itu. Pyruvate ketika masuk ke Siklus TCA akan menghasilkan dan menerima produk antara maupun menghasilkan energi.Kebalikan dari proses ini disebut gluconeogenesis.Tahapan Perubahan Energi pada GlycolysisStepReactionG' / (kJ/mol)G / (kJ/mol)1glucose + ATP4- glucose-6-phosphate2- + ADP3- + H+-16.7-342glucose-6-phosphate2- fructose-6-phosphate2-1.67-2.93fructose-6-phosphate2- + ATP4- fructose-1,6-bisphosphate4- + ADP3- + H+-14.2-194fructose-1,6-bisphosphate4- dihydroxyacetone phosphate2- + glyceraldehyde-3-phosphate2-23.9-0.235dihydroxyacetone phosphate2- glyceraldehyde-3-phosphate2-7.562.46glyceraldehyde-3-phosphate2- + Pi2- + NAD+ 1,3-bisphosphoglycerate4- + NADH + H+6.30-1.2971,3-bisphosphoglycerate4- + ADP3- 3-phosphoglycerate3- + ATP4--18.90.0983-phosphoglycerate3- 2-phosphoglycerate3-4.40.8392-phosphoglycerate3- phosphoenolpyruvate3- + H2O1.81.110phosphoenolpyruvate3- + ADP3- + H+ pyruvate- + ATP4--31.7-23.0Metabolisma Utama (EMP Pathway) (Glycolysis dan Siklus TCA)

Degradasi LipidsKelas makromolekul ini termasuk lemak netral yaitu triacylglycerols (dikenal sebagai lemak dan minyak). Triacylglycerols adalah ditemukan di waduk dalam tubuh mikro-organisme sebagai tetesan lemak, tertutup dalam 'wadah', yang disebut vesikel, sedangkan pada hewan tingkat tinggi, ada dalam jaringan adiposa,yang berisi terutama sel penuh lemak. Lemak dalam berbagai "gudang penyimpanan" ini, akan dimanfaatkan ketika energi diperlukan oleh organisme karena degradasi triacylglycerols merupakan reaksi yang sangat exergonic dan karena itu merupakan sumber energi sel yang siap pakai. Gram per gram, katabolisme lemak tersebut melepaskan lebih banyak energi daripada katabolisme gula. Selain itu, gula merupakan osmosis aktif yang dapat menjadi masalah bagi keseimbangan air dalam sel

Metabolisma Utama (Penguraian Lemak/Lipds)Degradasi LipidsTriacylglycerols yang merupakan tulang punggung gliserol yang asam lemaknya di-esterifikasi menjadi masing-masing dari tiga posisi.Tri-, di- dan monoacylglycerols (dahulu dinyatakan sebagai tri-, di-atau monoglycerides)Secara kimiawi, lemak dan minyak adalah identik (minyak bila berbentuk cairan pada suhu kamar, atau lemak jika berbentuk padatan). Titik leleh senyawa ini ditentukan oleh besarnya kandungan asam lemak. Asam lemak jenuh, mempunyai titik leleh yang lebih tinggi daripada asam lemak tak jenuh.

Degradasi LipidsKatabolisme mereka adalah dengan hidrolisis asam lemak dari backbone gliserol, diikuti oleh oksidasi asam lemak oleh p-oksidasi. Senyawa lemak termasuk phosphoglycerides yang merupakan komponen utama membran sel. Senyawa ini dapat memiliki kelompok gugus polar yang sangat besar, dan ekor nonpolar yang memungkinkan mereka untuk bertindak sebagai surfaktan dan dalam konteks khusus, sebagai biosurfactants (misalnya: glikolipid), kepala polar ekor asam lemak non polar Turunan lemak termasuk vitamin yang larut dalam lemak, karet alam, kolesterol dan hormon steroid.21LipidTersusun dari rantai yang sebagian besar berupa salinan sub-unit molekul unsur-unsur C, H, O, N, S dan P yang identik

Struktur BiosurfactantDegradasi KarbohidratKarbohidrat merupakan sumber energi siap pakai untuk kebanyakan organisme sebagai bahan bakar proses metabolisme. Contohnya unit gula, seperti glukosa (C(H20)n), bergabung bersama untuk membentuk makromolekul, mereka disebut polisakarida (mis: glikogen pada hewan atau selulosa pada tanaman)Metabolisme karbohidrat sering digunakan sebagai dasar identifikasi mikroorganisme

Degradasi KarbohidratDalam lingkungan aerobik, karena oksigen yang tersedia, piruvat tidak diperlukan sebagai titik awal untuk sintesis molekul lain. Maka kemungkinan glukosa masuk dalam siklus TCAJika tidak ada oksigen tersedia, fermentasi, adalah kemungkinan rute yang digunakan. Fungsi dari fermentasi adalah untuk menyeimbangkan reduksi dan oksidasi kimia yang dilakukan pada tahap awal glikolisis.

Metabolisma Utama (Penguraian Karbohidrat)Degradasi Asam Nukleat dan ProteinMakromolekul yang lebih kompleks dan paling penting dalam genetika adalah Asam Nukleat dan ProteinBalok penyusun asam nukleat disebut nukleotida, yang terdiri dari gula, fosfat dan basa. Mereka saling terkait membentuk tulang punggung yang sangat panjang terdiri dari gula, fosfat dan basa nitrogenSedangkan protein makromolekul paling rumit yang disusun oleh sub-unit molekulnya yaitu Asam Amino (setidaknya ada 20 asam amino standard yang tergolong protein). Setiap dua asam amino bergabung menjadi peptida, apabia lebih menjadi polipeptida.

Asam Nukleat

Metabolisma Utama (Asam Nukleat)Degradasi Asam Nukleat dan ProteinEnzim adalah protein yang memecahkan atau menggabungkan satu molekul dengan molekul lainnya, dan setiap enzim bertanggungjawab atas satu reaksi tertentu. Mis: polisakarida.Langkah katabolik pertama dalam degradasi protein adalah hidrolisis enzimatik dari ikatan peptida yang terbentuk selama sintesis protein mengakibatkan munculnya potongan pendek, dan akhirnya setelah degradasi lebih lanjut, terbentuk asam amino.

Protein

Metabolisma Utama (Penguraian Protein)Degradasi Asam Nukleat dan ProteinLangkah utama dalam katabolisme asam amino adalah untuk menghilangkan gugus amino menjadi asam a-keto. Hal ini biasanya dicapai dengan mentransfer gugus amino ke siklus TCA intermediate, a-ketoglutarat, menghasilkan asam amino, glutamat. Gugus amino sangat penting pada semua organisme karena hanya sejumlah kecil organisme yang dapat mengikat nitrogen dari atmosfer sehingga sumber gugus amino ini biasanya dengan mentransfernya dari molekul lain. Akan tetapi, akhirnya, nitrogen dihapus oleh oksidasi deaminasi dan dikeluarkan dalam bentuk senyawa yang bergantung pada jenis organismenya. Amonia adalah racun bagi kebanyakan sel. Ini adalah dasar dari siklus nitrogenMekanisme penguraian produk oleh Enzim

Bagaimana Energi Diperoleh?Melalui metabolic pathways, dgn maksud:Untuk menghasilkan bahan kimia yang diperlukan untuk pertumbuhan (dengan menambah atau mengurangi unsur lainnya, seperti H, O, N, S dan P)Untuk menghasilkan energi kimia dalam bentuk ATP, yang merupakan komponen utama pembentuk asam nukleit.Jika organisme tidak mampu mensintesa kebutuhan makanan, maka ia akan mencerna makanan bahan kimia tersebut sebagai sumber nutrien esensial.

Mekanisme Produksi EnergiEnergi seluler hadir terutama dalam bentuk ATP dan untuk jumlah yang lebih sedikit, GTP (Gambar 2.4) yang merupakan molekul energi tinggi, dinamakan demikian karena sejumlah besar energi kimia dilepaskan pada hidrolisis dari gugus fosfat.Sebuah sumber makanan umumnya: karbohidrat, lemak atau untuk jumlah yang lebih sedikit, protein, tetapi jika suatu senyawa dianggap sebagai kontaminan dapat memasuki jalur katabolik, maka dia akan menjadi makanan organisma, ini yang menjadi dasar bioremediasiEnergi ditransfer dari molekul 'makanan' menuju ATP, melalui dua rute :Sintesis ATP dalam sitoplasma yang merupakan transfer langsung sebuah gugus fosfat ke ADP, menyimpan energi dari reaksi itu dalam ikatan kimia. Transfer elektron dan proton, atau ion hidrogen, yang berasal dari oksidasi makanan pada tahap tertentu selama perjalanan melalui jalur katabolik. Jalur akhir untuk elektron dan ion hidrogen adalah oksigen, dalam kasus fosforilasi oksidatif, untuk menghasilkan air.Mekanisme Produksi EnergiFermentasi dan RespirasiElektron berasal dari katabolisme dari sumber karbon, akan disumbangkan ke molekul organik (proses fermentasi), atau Disisumbangkan ke akseptor anorganik oleh transfer sepanjang rantai elektron (hal ini disebut respirasi).Dapat bersifat aerobik (apabila akseptor elektron adalah oksigen), atau bersifat anaerobik bila akseptor elektronnya adalah ion nitrat, sulfat, karbon dioksida, belerang atau besi.FermentasiFermentasi berarti pertumbuhan pada zat organik dan yang sepenuhnya tergantung pada fosforilasi tingkat substrat. Sintesis ATP oleh transfer gugus fosfat langsung dari energi tinggi kompleks dan tidak melibatkan rantai transpor elektron. Galam hal ini, pertama adalah regenerasi NAD+ dari NADH yang dihasilkan selama glikolisis (penting untuk mempertahankan kesetimbangan oksidasi reduksi), dan yang kedua adalah bahwa piruvat, atau turunan daripadanya, adalah penerima elektron selama proses reoksidasi NADH. Lihat Gambar 2.8 dan 2.1

METABOLISMA DALAM FERMENTASIPustakaEvans, Gareth M and Judith C. Furlong (2003) Environmental Biotechnology: Theory and Application. Lohn Willey & Sons, England