Prokaryot anaerob mengoksidasiNADH dan pembawa elektronlain → respirasi anaerobik(nitrat, sulfat atau fumarat sebagaiakseptor elektron) atau fermentasi

Fermentasi : lintasan dimanaNADH (akseptor elektronlainnya) dioksidasi pada lintasantsb → terjadi di sitosol → ATPdari fosforilasi tingkat substrat.

Fermentasi hanya terjadi diprokariot, pada khamir butuhO2 kecuali bila ada sterol danasam lemak tak jenuh

Beberapa sel hewan mampuberfermentasi seperti sel otot,sel darah merah manusia.

Jenis fermentasi tergantungproduk akhir utama:fermentasi etanol oleh khamir,fermentasi asam laktat olehsel otot, sel darah merahmanusia.

Fermentasi karbohidrat diklasi-fikasikan dalam 6 grup: laktat,etanol, butirat, asam campuran,propionat, homoacetat.

Toksisitas oksigen: Oksigentereduksi (radikal hidroksil,radikal superoksida, hidrogenperoksida) bersifat toksik bagianaerob obligat.

Bentuk superoksida terbentukkarena penambahan 1 elektron

O2 + e- → O2-

Flavoprotein, quinon danprotein FeS melepassuperoksida.

Organisme aerobik memilikisuperoksida dismutase

O2- + O2

- + 2H+ → H2O2 + O2

H2O2 + H2O2 → H2O + O2

oleh enzim katalase

fermentasi

Reduksi

Metanogen

Fermentasi asam amino,karbohidrat, purin, pirimidin →asam organik dan alkohol →CO2, CH4 dan H2 (berbagaitipe bakteri) → rantaimakanan anaerobik → sikluskarbon.

Asetogen pereduksi protonobligat mengoksidasi butirat,propionat, etanol dankomponen lain ke asetat, CO2dan H2 sumber utama / satu-satunya “electron sink” adalahproton. Fisiologinya belumjelas, kemungkinan:

elektron dari substrat →pembawa elektron intermediat(NAD+) → hidrogenase → H+.

Contoh

CH3CH2COO- + 3H2O →CH3COO- + HCO3

- + H+ = 3H2ΔG’o = + 76,1 KJ

A. Fosforilasi tingkat substrat

1. 1,3 BPGA + ADP 3- PGA + ATP

2. PEP + ADP PIRUVAT + ATP

3. ASETIL-P + ADP ASETAT + ATP

B. Respirasi Fumarat

OutIn

H+ + NADH

2H+ + Fumarat

Suksinat

2e-

QLOOP 2H+

OutIn

2H+ + Fumarat

Suksinat

AH2

A+2H+2e-

C. Pompa proton dan produk efflux

OutIn

Laktat

nH+

OutIn

OAA

CO2 + Piruvat2Na+

D. Na+bebas mendekarboksilasi asamorganik

E. Oksalat elektrogenik menjadi Format

OutIn-O2C-CO2

-

HCOO-

H+

CO2

-O2C-CO2-

Lintasan Akrilat → propionat

Clostridium propionicum :

3 laktat → 2 propionat + 1asetat + 1 CO2 + 1ATP

ATP dari fosforilasi tingkatsubstrat pada konversi asetil-P ke asetat (asetat kinase).Satu asetat per 3 laktat → 1/3ATP /lintasan

Penting!

Pada glikolisis produksiasetat berasosiasi denganpembentukan 2 ATP.

CH3 CHOH COOH(2H)

1CH3 C COOH

O

2

(2H) CO2

CoASH

3CoASH

CH3

O

C ∼ SCoAAsetil-CoA

CH3 C O ∼ PAsetil-P

O

4 ADP

ATP

CH3 COOH

Asetat

O

C ∼ SCoALaktil-CoA

CH3 CHOH

Akrilil-CoA

O

C ∼ SCoACH2 CH

O

C ∼ SCoA

Laktil-CoA

CH3 CH2

CH3 CH2 COOH

Propionat

CoASH

5

6

7

H2O

2(H) X 2

Laktat Piruvat

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 1bahan organik ke yang lain(CoA transferase)

Lintasan suksinat-propionat

Pada Propionibacterium :Gram +, anaerobik, non motil,tak berspora, batangpleomorfik, hewan normalrumen herbivora, kulitmanusia, produk susu.

Digunakan pada pembuatankeju swiss.

Menghasilkan lebih banyakATP/mol propionat.

Reaksi transkarboksilasi utkmenyimpan ATP

Karboksilasi piruvat denganpiruvat karboksilase dan CO2,butuh ATP

Propionibacterium : methyl-malonyl-CoA-pyruvattranskarboksilase → transfergrup karboksil dari methyl-malonyl-CoA ke piruvat tanpaATP

CO2 O

C ∼ SCoA3CH3 CHOH COOH6(H)

13CH3 C COOH

O

2

(2H)

CoASH

3

CH3Asetil-CoA

CH3 C O ∼ PAsetil-P

O

4 ADP

ATP

CH3 COOH

Asetat

5

6

7

4(H)

2H2O

Laktat Piruvat

C

C

2COOH

COOH

H2

OOksaloasetat

2COOH

CH2

C HOH

COOH Malat

C

C

COOH

2COOH

H

H Fumarat

8ADP+Pi

ATP4(H)

C

C

COOH

2COOH

H2

H2

Suksinat9C

C

C

COOH

H2

H2

∼SCoA

OSuksinil-CoA

∼SCoA

C

C

2COOH

H CH3

O

Metil malonil-CoA

CH3 CH2 COOH

Propionat

∼SCoA

CH2

C

2CH3

O

Propionil-CoA

10

2(CoAS)

Enzim:

(1) Laktat dehidrogenase (a flavoprotein),

(2) Piruvat dehidrogenase (enzim NAD+ )

(3) Fosfotransasetilase,

(4) Asetat kinase,

(5) metilmalonil-CoA-piruvat transkarboksilase,

(6) Malat dehidrogenase,

(7) Fumarase,

(8) Fumarat reduktase,

(9)CoA transferase

(10) metilmalonil-CoA-rasemase.

Propionibacteria dapatmemproduksi suksinat danpropionat sebagai produk akhirbila ditumbuhkan pada glukosa→ memiliki karboksilase C3 keC4.PEP + CO2 + P → oxaloasetat+ PPi

PPi digunakan untuk fosforilasiFru-6P dan serin (Fosfoserin)

Oxaloasetat direduksi kesuksinat

Lintasan dari PEP keSuksinat:

1. Fumarat sebagai electronsinks yang memungkinkanNADH di oksidasi

2. Fumarat reduktase → situspenggabungan

Suksinat dapat dikonversi kesuccinyl-CoA yangdibutuhkan untukbiosintesis tetrapyrol, lisin,asam diaminopimelat danmetionin

Fermentasi asetat(asetogenesis)

C. thermoaceticum : CO2sebagai electron sinkmelalui lintasan asetil CoA

Desulfotomaculumthermobenzoicum (pereduksisulfat) : jika tumbuh padapiruvat tanpa sulfat

Desulfobulbus propionicusmemfermentasi piruvat keasetat dan propionat melaluilintasan suksinat-propionat

4CH3 C COOH

O

Piruvat1

8(H) 4CO2

CoASH

4CH3 C ∼ SCoA

O

4CH3 C O ∼ P

O

34ADP

ATP

4CH3COOH

Asetat

46(H),ATPCO2

CO25

(CH3)

(CO)2(H) 6

CH3 C ∼ SCoA

OCoASH

CH3 C O ∼ P

O

8ADP

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

Grup yang heterogen,anaerob toleran, ada pada kulithewan, traktus gastrointestinal,beberapa hidup di vegetasi,produk susu, ada penting dalambidang medis dan komersial

Lactobacillus, Leuconostoc,Sporolactobacillus, Pediococcusdan Bifidobacterium

Memfermentasi glukosahanya melalui fermentasi →ATP dari fosforilasi tingkatsubstrat. Kondisi tertentu →mentransport laktat keluar seldengan simport H+

menghasilkan ΔΨ

Tipe fermentasi:1. Homofermentasi : glikolisis2. Heterofermentasi : pentosa fosfat3. Lintasan Bifidum:Bifidobacterium bifidum

Homofermentasi laktat

Glukosa + 2 ADP + 2 Pi → 2 laktat + 2 ATP

Heterofermentasi laktat

Laktat diproduksi saatdekarboksilasi dan isomerisasipada lintasan pentosa fosfat

Glukosa + ADP + Pi → etanol+ laktat + CO2 + ATP

Lintasan Bifidum

2 glukosa + 5 ADP + 5 Pi → 3asetat + 2 laktat + 5 ATP

Menggunakan reaksi pentosafosfat dan homofermentatif

Fermentasi asam campurandan butanediol

Bakteri entero bersifatanaerob fakultatif →perubahan ke anaerob:

1.Reduktase terminalmengganti oksidase padarantai transpor elektron

2.Siklus TCA tereduksi.Suksinat dehidrogenasediganti fumarat reduktase

3.Piruvat-format liase digantipiruvat dehidrogenase

4.Fermentasi asamcampuran atau butanediol

Fermentasi asam campurandan butanediol sama dalamhal memproduksi asam organikcampuran, CO2 dan NADH.

Fermentasi butanediol(Serratia, Enterobacter danErwinia) banyak memproduksi2,3 butanediol, asetoin, CO2

dan etanol

Fermentasi asam campuran:Escherichia, Salmonella,Shigella

Fermentasi asam campuran

Reaktannya: PEP + CO2 atauPiruvat

Produknya: suksinat, laktat,asetat, etanol, format, CO2, H2.

Format dioksidasi ke CO2 danH2 oleh sistim enzim format-hidrogen liase yang terdiri atasformat dehidrogenase danhidrogenase.

Format dehidrogenasemengoksidasi format ke CO2dan mereduksi hidrogenaseyang akan mentransfer elektronke 2 proton membentuk H2.

Shigella dan Erwinia takmempunyai format-hidrogenliase → tak ada gas

Glukosa G6P 6-P-Glukonat

2(H)

ATP

1 2 3

CO22(H)

RuMP

CH2OH

Xyl-5-P

C

C

C

CH2O

O

OHHO

H

O

P

1

2

3

4

5

Pi

4

5

CH3 C O ∼ PAsetil-P

O

1 2

CH3 C ∼ SCoA

O

Pi 6

72(H)

CH3 C H

O

Asetaldehid

82(H)

CH3 CH2OH

Etanol

PGALD

C

CHOH

CH2O P

H O3

4

5

Pi92(H)

C O ∼ P

1.3 BPGA

O

CHOH

CH2O P

10ADP

ATP

3-PGA

COOH

CHOH

CH2O P

COOH

CHO P

CH2OH

11

2-PGA

C O ∼ P

PEP

COOH

CH2

C O

Piruvat

COOH

CH3

Laktat

COOH

CHOH

CH3

Enzim ; (1) heksokinase, (2) glukosa-6 fosfat

dehidrogenase, (3) 6-fosfoglukonat

dehidrogenase, (4) ribulose-5-fosfat

epimerase, (5) fosfoketolase, (6) fosfotransasetilase, (7) asetaldehid

dehidrogenase,(8) alkohol dehidrogenase,(9) PGALD dehidrogenase,(10) PGA kinase, (11) fosfogliserat mutase,(12) enolase, (13) piruvat kinase, (14) laktat dehidrogenase.

2(H)11

OAA

Malat

H2O12

Fumarat

Suksinat

2(H)13

Asetil-CoA +

1/2 Glukosa1

2H

PEP

ATPADP

ADP + Pi

ATP

2

Piruvat

ADP

ATP

3 CoASH

Format

Asetil-P

ADP

ATP9

Asetat

Pi8

2(H)6 CoASH

Asetaldehid

7

Etanol

Laktat4

H2

CO25

10Pi

CO2

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 danasetoin

Dekarboksilasi piruvat oleh α−asetolaktat sintase yang bergantungthiamin pirofosfat (TPP) →asetaldehid aktif terikat ensim.Asetaldehid aktif ditransfer kepiruvat oleh α−asetolaktat sintasemembentuk α−asetolaktat →dekarboksilasi → asetoin → 2,3butanediol

Produksi butanediol disukai padakondisi medium agak asam danmerupakan cara bakterimengurangi keasaman pH eksternalyang disebabkan oleh sintesis asamorganik dari piruvat

Fermentasi butirat

Selain butirat juga sedikit CO2dan H2.

Clostridia proteolitik pentingpada dekomposisi proteinsecara anaerob dan disebutputrefaction

Fermentasi butirat dan butanol-aseton

Pada C.acetobutylicum.

Pada fase eksponensialdiproduksi butirat, asetat, CO2dan H2 (fase asidogenik).

Memasuki fase stasionerkonversi asam organik kebutanol, aseton dan etanol (fasesolventogenik).

Kemampuan mengirim elektronke hidrogen melaluiNADH:ferredoxinoxidoreductase memungkinkanbakteri memproduksi lebihbanyak asetat → lebih banyakATP daripada mereduksi asetil-CoA ke butirat, namun secaraenergi tak disukai dan dihambatoleh akumulasi H2.

2(H)

TPP.E

1/2 Glukosa

1 2(H)

ATP

2 Asetil-CoA

CoASHFormat

OH

6Asetaldehid

7Etanol

4

5

CH3 C COOH

O

Piruvat

3CO2 H2+

2(H)CO2

8

(CH3 C TPP.E)

OH “Asetaldehid Aktif”

CO2

CH3 C COOH

O

CH3 C C COOH

COOH

O

α - Asetolaktat

OH

CH3 CH C CH3

O

Asetoin9 (2H)

OH

CH3 CH CH CH3

OH

2,3 Butanediol

2(H)10

Laktat

Enzim :

(1) enzim glikolitik,

(2) piruvat-format liase,

(3) format-hidrogen liase,

(4) asetaldehid dehidrogenase,

(5) alkohol dehidrogenase,

(6,7) alfa-asetolaktat sintase,

(8) alfa-asetolaktat dekarboksilase,

(9) 2,3-butanediol dehidrogenase,

(10) laktat dehidrogenase.

H3C

S

H

CH3

TPP-EN

NH2

CH2+ N

CH2 CH2 O P P Enzim

1

H+

S

CH3

+ NDipolar ion

H+

2

S

CH3

+ N

CH3 C OHC

OO

TPP-adduct

H+

3CO2

S

CH3

N :

CH3 C OH“Asetaldehid

aktif”

CH3 C OCO2

b

S

CH3

+ N

CH3 C O H

CH3 C OHCO2

b

S

CH3

+ N

- Asetolaktat H

CH3 C C CO2

CH3

OHO

H+

aS

CH3

+ N

CH3 C O H

H

a

H+

S

CH3

+ NCH3 C H

O

Asetaldehid

CH3 C O

OPiruvat

O

Reaksi katalis TPP,

(1) TPP-enzim kehilangan proton menjadi ion dipolar. Anion distabilkan oleh kutub positif nitrogen.

(2) ion dipolar berkondensasi dengan piruvat membentuk TPP-adduct.

(3) Elektron attracting N dalam TPP memfasilitasi dekarboksilasi membentuk asetaldehid aktif.

Glukosa 12NAD+

22 Piruvat

3

2CH3

O

C ∼ SCoAAsetil-SCoA

CoASH

Asetoasetaldehid

4

5

O

CH3 C CH2 C

O

∼SCoA

β -Hidroksibutiril-SCoA

OH

CH3 C CH2 C

H

O

∼SCoA

Krotonil-SCoACH3 CH CH C

H

O

∼SCoA

6

Butiril-SCoACH3 CH2 CH2 C

O

∼SCoA

7

CH3 CH2 CH2 C O∼ PButiril-P

O

CH3 CH2 CH2 C OHO

Asam butirat

8ADP

ATP

CoAS

Pi

H+ + NADH

NAD+

H2O

H+ + NADH

NAD+

FdoxFdred

2CO22CoASH

2NADH + H+

2Pi + 2ADP 2ATP

Enzim:

(1) glikolisis,

( 2) piruvat-ferredoksin oksidoreduktase,

(3) asetil-CoA asetiltransferase (tiolase),

(4) beta-hidroksibutiril-CoA dehidrogenase,

(5) krotonase,

(6) butiril CoA dehidrogenase,

(7) fosfotransbutirilase,

(8) butirat kinase

(9) hidrogenase.

GlukosaATP

ADP

2

17

Glukosa-6-P

Fruktosa-6-P

2-Fosfogliseraldehid

Pentosa

Pentosa-P

ADP

ATP

1

ATP

ADP

4ADP + 2Pi

4ATP2NAD+

2NADH + 2H+

2 Piruvat2H2

4H+

Fdox

Fdred2CO2

2 Asetil-CoA

CoASH

Asetoasetil-CoA

NAD+

NADH + 2H+

3

Hidroksibutiril-CoA

H2O4

Crotonil-CoANADH + H+

5NAD+

Butiril-CoA ButiraldehidNADPH + H+

NADP+15

14

Butanol

CoASH

Pi6Butiril-P

ATPADP

7Butirat

10Asetoasetatik

11

CO2Aseton

8Asetil-P9

ATPADP

AsetatCoASH

Asetaldehid

Etanol

NAD+

NADH + 2H+13

ATP

ADP

NADH + H+

NAD+H2

16

CoASH Pi

Glukosa

2 Piruvat

2

1

ADP

ATP

Asetil-CoA

Asetil-P

Asetat

Asetaldehid

Asetil-CoA

Etanol

3 5

4 6

PiNADH

NADH

4H+

2NAD+

2NADH

2H2

2Fdox

2Fdred 4H+

2H2

CO2

CH4

P

Ruminococcus albus Metanogen

2CO2

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.