RE 091332 BIOTEKNOLOGI LINGKUNGAN

Mikroba dan MetabolismaProf. Joni Hermana

Materi Kuliah2011

ftsp

fakultas teknik sipil dan perencanaan – ITS surabayahttp://www.ftsp.its.ac.id

Minggu ke: 2 - 3

Subyek Bahasan• Prinsip Metabolisma oleh Organisma• Para Pelaku Metabolisma• Metabolisma: Glycolysis• Metabolisma: Lipids• Metabolisma: Karbohidrat• Metabolisma: Asam Nukleat• Metabolisma: Protein• Produksi Energi Selular

Mikroba dan Metabolisma• Degradasi 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-nya

Jenis Nutrisi

Sumber Energi Sumber Carbon Contoh

 Phototrophs Sunlight

 Organic compounds (photoheterotrophs) or carbon fixation (photoautotrophs)

 Cyanobacteria, Green sulfur bacteria, Chloroflexi, or Purple bacteria

 Lithotrophs

Inorganic compounds

 Organic compounds (lithoheterotrophs) or carbon fixation (lithoautotrophs)

Thermodesulfobacteria, Hydrogenophilaceae, or Nitrospirae

 Organotrophs

Organic compounds

 Organic compounds (chemoheterotrophs) or carbon fixation (chemoautotrophs)  

Bacillus, Clostridium or Enterobacteriaceae

Mikroba Pelaku• Awalnya 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 Sel• Kajian dilakukan untuk E coli, sebagai organisma yang relatif

paling sederhana• Di dalam sel terdapat kromosom

tunggal berisi bahan genetik• Disepanjang 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 Prokariot Eukariot

Genome• Jumlah molekul DNA• DNA dalam Organel• DNA dalam Kromosom• Membran nukleus• Pembelahan mitosis dan meiosis dari nukleus

• Pembentukan diploid partial

SatuTidakTidakTidakTidak

Ya

Lebih dari satuYaYaYaYa

Tidak

Organel• Mitokondria• Retikulum Endoplasma• Aparatus Golgi• Aparatus Fotosintetis• Flagella

TidakTidakTidakKlorosomProtein tunggal, sturktur sederhana

YaYaYaKloroplastStuktur kompleks, dgn mikrotubules

Spora Endospora Endo~ dan Eksospora

• Daya tahan panas Tinggi Rendah

Jalur Metabolisma yang Relevan dengan Bioteknologi

• Strategi utama bioteknologi lingkungan adalah memanfaatkan jalur metabolisme mikroorganisme agar mampu memecah atau mencerna bahan organik

• Jalur 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.

Makromolekul•Tersusun dari rantai yang sebagian besar berupa salinan sub-unit molekul unsur-unsur C, H, O, N, S dan P yang identik

•Misalnya polisakarida yang hanyalah dari rantai molekul glukosa. Polisakarida yang umum adalah kanji dan selulosa•Makromolekul 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 Glycolysis

Step Reaction

ΔG°' / (kJ/mol

)

ΔG / (kJ/mol

)

1 glucose + ATP4- → glucose-6-phosphate2- + ADP3- + H+ -16.7 -34

2 glucose-6-phosphate2- → fructose-6-phosphate2- 1.67 -2.9

3 fructose-6-phosphate2- + ATP4- → fructose-1,6-bisphosphate4- + ADP3- + H+ -14.2 -19

4fructose-1,6-bisphosphate4- → dihydroxyacetone phosphate2- + glyceraldehyde-3-phosphate2-

23.9 -0.23

5 dihydroxyacetone phosphate2- → glyceraldehyde-3-phosphate2- 7.56 2.4

6 glyceraldehyde-3-phosphate2- + Pi2- + NAD+ →

1,3-bisphosphoglycerate4- + NADH + H+ 6.30 -1.29

7 1,3-bisphosphoglycerate4- + ADP3- → 3-phosphoglycerate3- + ATP4- -18.9 0.09

8 3-phosphoglycerate3- → 2-phosphoglycerate3- 4.4 0.83

9 2-phosphoglycerate3- → phosphoenolpyruvate3- + H2O

1.8 1.1

10 phosphoenolpyruvate3- + ADP3- + H+ → pyruvate- + ATP4- -31.7 -23.0

Metabolisma

Utama (EMP Pathway)

(Glycolysis dan Siklus TCA)

Degradasi Lipids•Kelas 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

Meta

boli

sma

Utam

a

(Pen

gura

ian

Lema

k/Li

pds)

Degradasi Lipids• Triacylglycerols 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 Lipids• Katabolisme 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.

Lipid• Tersusun dari rantai

yang sebagian

besar berupa salinan sub-unit molekul unsur-unsur C, H, O, N, S dan P yang

identik

Struktur Biosurfactant

Degradasi Karbohidrat• Karbohidrat 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 Karbohidrat• Dalam lingkungan aerobik, karena oksigen yang tersedia, piruvat tidak diperlukan sebagai titik awal untuk sintesis molekul lain. Maka kemungkinan glukosa masuk dalam siklus TCA

• Jika 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.

Meta

boli

sma

Utam

a

(Pen

gura

ian

Karb

ohid

rat)

Degradasi Asam Nukleat dan Protein

• Makromolekul yang lebih kompleks dan paling penting dalam genetika adalah Asam Nukleat dan Protein

• Balok 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 nitrogen

• Sedangkan 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

Meta

bolism

a Utam

a (

Asam

Nukle

at)

Degradasi Asam Nukleat dan Protein

• Enzim 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

Meta

boli

sma

Utam

a

(Pen

gura

ian

Prot

ein)

Degradasi Asam Nukleat dan Protein

• Langkah 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 nitrogen

Mekanisme 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 Energi• Energi 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 bioremediasi

• Energi 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 Energi

Fermentasi dan Respirasi

• Elektron 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.

Fermentasi• Fermentasi 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 FERMENTASI

Pustaka• Evans, Gareth M and Judith C. Furlong (2003) Environmental Biotechnology: Theory and Application. Lohn Willey & Sons, England