METABOLISME MIKROBA Oleh ; I Wayan Suberata, S.Si.,M.Si I. PENDAHULUAN Latar Belakang Dalam kehidupan, mahluk hidup memerlukan energi yang diperoleh dari proses metabolisme. Metabolisme adalah suatu ciri yang dimiliki makhluk hidup yang merupakan serangkaian reaksi kimia di dalam sel. Reaksi-reaksi ini tersusun dalam jalur-jalur metabolisme yang rumit dengan mengubah molekul-molekul melalui tahapan-tahapan tertentu. Secara keseluruhan metabolisme bertanggung jawab terhadap pengaturan materi dan sumber energi dari sel. Metabolisme terjadi pada semua mahluk hidup termasuk kehidupan mikroba. Metabolisme merupakan serentetan reaksi kimia yang terjadi dalam sel hidup. Dalam metabolisme ada dua fase yaitu katabolisme dan anabolisme. Secara menyeluruh sebagian besar katabolisme adalah respirasi seluler di mana glukosa dan bahan bakar organik yang lain dipecah menjadi karbon dan air dengan membebaskan energi. Energi yang diperoleh disimpan dalam molekul-molekul organik dan digunakan untuk melakukan kerja dari sel. Kebalikan dari katabolisme adalah anabolisme, yang merupakan serangkaian reaksi-reaksi kimia yang membutuhkan energi untuk membentuk molekul-molekul besar dari molekul-molekul yang lebih kecil, misalnya pembentukan protein dari asam amino. Bila dalam suatu reaksi menghasilkan energi maka disebut reaksi eksergonik dan apabila untuk dapat berlangsungnya suatu reaksi diperlukan energi reaksi ini disebut reaksi endergonik. Kegiatan metabolisme meliputi proses perubahan yang dilakukan untuk sederetan reaksi enzim yang berurutan. Untuk mempercepat laju reaksi-reaksi diperlukan enzim-enzim tertentu pada setiap tahapan reaksi.
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
METABOLISME MIKROBA Oleh ; I Wayan Suberata, S.Si.,M.Si
I. PENDAHULUAN
Latar Belakang
Dalam kehidupan, mahluk hidup memerlukan energi yang diperoleh dari proses
metabolisme. Metabolisme adalah suatu ciri yang dimiliki makhluk hidup yang merupakan
serangkaian reaksi kimia di dalam sel. Reaksi-reaksi ini tersusun dalam jalur-jalur metabolisme
yang rumit dengan mengubah molekul-molekul melalui tahapan-tahapan tertentu. Secara
keseluruhan metabolisme bertanggung jawab terhadap pengaturan materi dan sumber energi dari
sel. Metabolisme terjadi pada semua mahluk hidup termasuk kehidupan mikroba.
Metabolisme merupakan serentetan reaksi kimia yang terjadi dalam sel hidup. Dalam
metabolisme ada dua fase yaitu katabolisme dan anabolisme. Secara menyeluruh sebagian besar
katabolisme adalah respirasi seluler di mana glukosa dan bahan bakar organik yang lain dipecah
menjadi karbon dan air dengan membebaskan energi. Energi yang diperoleh disimpan dalam
molekul-molekul organik dan digunakan untuk melakukan kerja dari sel. Kebalikan dari
katabolisme adalah anabolisme, yang merupakan serangkaian reaksi-reaksi kimia yang
membutuhkan energi untuk membentuk molekul-molekul besar dari molekul-molekul yang lebih
kecil, misalnya pembentukan protein dari asam amino.
Bila dalam suatu reaksi menghasilkan energi maka disebut reaksi eksergonik dan apabila
untuk dapat berlangsungnya suatu reaksi diperlukan energi reaksi ini disebut reaksi endergonik.
Kegiatan metabolisme meliputi proses perubahan yang dilakukan untuk sederetan reaksi enzim
yang berurutan. Untuk mempercepat laju reaksi-reaksi diperlukan enzim-enzim tertentu pada
setiap tahapan reaksi.
II. PEMBAHASAN
A. ANABOLISME DAN KATABOLISME
Metabolisme merupakan seluruh peristiwa reaksi-reaksi kimia yang berlangsung dala sel
makhluk hidup. Metabolisme terdiri atas dua proses, yaitu anabolisme dan katabolisme.
Anabolisme adalah penyusunan senyawa kimia sederhana menjadi senyawa kimia atau
molekul komplek (Prawirohartono dan Hadisumarto, 1997). Pada peristiwa ini diperlukan energi
dari luar. Energi yang digunakan dalam reaksi ini dapat berupa energi cahaya ataupun energi
kimia. Energi tersebut, selanjutnya digunakan untuk mengikat senyawa-senyawa sederhana
tersebut menjadi senyawa yang lebih kompleks. Jadi, dalam proses ini energi yang diperlukan
tersebut tidak hilang, tetapi tersimpan dalam bentuk ikatan-ikatan kimia pada senyawa kompleks
yang terbentuk. Energi yang digunakan dalam anabolisme dapat berupa energi cahaya atau
energi kimia. Anabolisme yang menggunakan energi cahaya dikenal dengan fotosintesis,
sedangkan anabolisme yang menggunakan energi kimia dikenal dengan kemosintesis.
Katabolisme adalah reaksi pemecahan/pembongkaran senyawa kompleks menjadi
senyawa-senyawa yang lebih sederhana dengan menghasilkan energi yang dapat digunakan
organisme untuk melakukan aktivitasnya. Fungsi reaksi katabolisme adalah untuk menyediakan
energi dan komponen yang dibutuhkan oleh reaksi anabolisme.
Gambar Anabolisme dan Katabolisme
B. PRODUKSI ENERGI OLEH MIKROBA (RESPIRASI, FERMENTASI DAN
FOTOSINTESIS)
Sel-sel bakteri seperti halnya sel semua organisme hidup, umumnya melakukan aktivitas
kehidupan untuk kelangsungan hidupnya. Semua sel membutuhkan suatu sumber energi.
Walaupun sangat beraneka ragam jenis substansi yang berperan sebagai sumber energi bagi
mikroorganisme, namun terdapat pola dasar metabolisme yang sangat sederhana yaitu terjadi
perubahan dari satu bentuk energi yang kompleks menjadi bentuk energi yang lebih sederhana,
sehingga dapat masuk ke dalam rangkaian metabolik.
MENGAPA MIKROBA MEMERLUKAN ENERGI ?
• Synthesa bagian sel (dinding sel,
membran sel, dan substansi sel
lainnya)
• Synthesis Enzim, Asam Nukleat,
Polysakarida, Phospholipids, atau
komponen sel lainnya
• Mempertahankan kondisi sel
(optimal) dan memperbaiki
bagian sel yang rusak
• Pertumbuhan dan Perbanyakan
• Penyerapan hara dan ekskresi
senyawa yang tidak diperlukan
atau waste products
• Pergerakan (Motilitas)
Bakteri dapat mengubah zat kimia dan energi radiasi kebentuk yang berguna untuk
kehidupannya melalui proses respirasi, fermentasi dan fotosintesis. Dalam respirasi, molekul
oksigen adalah penerima elektron utama, sementara dalam fermentasi molekul bahan makanan
biasanya pecah menjadi dua bagian, dimana yang satu kemudian dioksidasi oleh yang lainnya.
Dalam fotosintesis, energi cahaya diubah menjadi energi kimia. Bagaimanapun, dalam semua
jenis sel dan tanpa menghiraukan mekanisme yang digunakan untuk mengekstrak energi, reaksi
tersebut diiringi oleh pembentukan Adenosine Triphosphate (ATP). ATP adalah perantara yang
umum (reaktan) baik dalam reaksi yang menghasilkan energi maupun reaksi-reaksi yang
membutuhkan energi dan pembentukannya memerlukan mekanisme dimana energi yang
tersedia dapat disalurkan kedalam reaksi biosintesis dari sel yang memerlukan energi.
1. Respirasi
Respirasi merupakan proses disimilasi, yaitu proses penguraian zat yang membebaskan
energi kimia yang tersimpan dalam suatu senyawa organik. Dalam proses ini, terjadi
pembongkaran suatu zat makanan sehingga menghasilkan energi yang diperlukan oleh
organisme tersebut. Saat molekul terurai menjadi molekul yang lebih kecil, terjadi pelepasan
energi, reaksinya disebut eksorgenik. Respirasi merupakan salah satu dari reaksi katabolik.
Berdasarkan kebutuhan terhadap oksigen bebas, respirasi dibedakan atas dua macam, yaitu:
A. Respirasi aerob, yaitu respirasi yang membutuhkan oksigen bebas. Pada proses ini, oksigen
merupakan senyawa penerima hidrogen akhir.
B. Respirasi anaerob, yaitu respirasi yang tidak membutuhkan oksigen bebas. Pada proses ini,
senyawa seperti asam piruvat dan asetaldehid berfungsi sebagai penerima hidrogen terakhir.
A. Respirasi Aerob
Respirasi secara aerob, terjadi didalam sitoplasma dan berlangsung melalui empat tahap, yaitu:
1) Glikolisis
Glikolisis merupakan pengubahan glukosa menjadi piruvat dan ATP tanpa membutuhkan
oksigen. Proses glikolisis terdiri atas 10 tahap, yaitu:
a) Tahap 1: Glukosa yang masuk kedalam sel mengalami fosfolirasi dengan bantuan enzim
heksokinase dan menghasilkan glukosa 6-fosfat. Untuk keperluan ini ATP diubah menjadi ADP
agar diperoleh energi.
b) Tahap 2: Glukosa 6-fosfat diubah oleh enzim fosfoglukoisomerase menjadi bentuk isomernya
berupa fruktosa 6-fosfat.
c) Tahap 3: Dengan menggunakan energi hasil perubahan ATP menjadi ADP, fruktosa 6-fosfat
diubah oleh enzim fosfofruktokinase menjadi fruktosa 1,6-bifosfat
d) Tahap 4: Enzim aldolase mengubah fruktosa 1,6-bifosfat menjadi dihidroksiaseton fosfat dan
gliseraldehida fosfat.
e) Tahap 5: Terjadi perubahan reaksi bolak balik antara dihidroksi aseton fosfat dengan
gliseraldehid fosfat sehingga akhirnya hanya gliseraldehid fosfat saja yang digunakan untuk
reaksi berikutnya.
f) Tahap 6: Melalui bantuan enzim triosofosfat dehidrogenase, terjadi perubahan dari gliseraldehid
fosfat menjadi 1,3-bifogliserat. Dalam tahap ini juga terjadi transfer elektron sehingga NAD
berubah menjadi NADH, serta pengikatan fosfat anorganik dari sitoplasma.
g) Tahap 7: Terjadi perubahan dari 1,3-bifogliserat menjadi 3-fosfogliserat dengan bantuan enzim
fosfogliserokinase. Pada tahap ini juga terjadi pembentukan dua molekul ATP dengan
menggunakan gugus fosfat yang sudah ada pada reaksi sebelumnya.
h) Tahap 8: Terjadi perubahan 3-fosfogliserat menjadi 2-fosfogliserat karena enzim
fosfogliseromutase memindahkan gugus fosfatnya.
i) Tahap 9: Terjadi pembentukan fosfoenol piruvat (PEP) dan 2-fosfogliserat dengan bantuan
enzim enolase, sekaligus juga terjadi pembentukan 2 molekul air.
j) Tahap 10: Terjadi perubahan fosfoenol piruvat (PEP) menjadi asam piruvat dengan enzim
piruvatkinase, serta terjadi pembentukan 2 molekul ATP
Dengan demikian, pada akhir glikolisis akan dihasilkan 2 molekul asam piruvat yang
berkarbon 3, 2 ATP dan 2 NADH dari setiap perubahan 1 molekul glukosa.
2) Dekarboksilasi Oksidatif Asam Piruvat
Dekarboksilasi oksidatif asam piruvat berlangsung didalam mitokondria dan merupakan reaksi
kimia yang mengawali siklus krebs. Dalam peristiwaini terjadi perubahan asam piruvat menjadi
molekul asetil-KoA. Asetil KoA merupakan senyawa berkarbon dua. Dalam dua peristiwa ini
juga dihasilkan satu molekul NADH untuk setiap pengubahan molekul asam piruvat menjadi
asetil-KoA.
3) Siklus Krebs (Daur Asam Sitrat)
Kondisi aerob dalam organisme berlangsung pada dua tahapan berikutnya, yaitu siklus krebs dan
transpor elektron. Pada organisme eukariotik, proses ini berlangsung pada matriks dalam
mitokondira sedangkan pada prokariotik, berlangsung dalam sitoplasma. Tahapan siklus krebs
adalah sebagai berikut:
a) Asam piruvat dari proses glikolisis, selanjutnya masuk ke siklus krebs setelah bereaksi dengan
NAD+ (Nikotinamida adenine dinukleotida) dan ko-enzim A atau Ko-A, membentuk asetil Ko-
A. Dalam peristiwa ini, CO2 dan NADH dibebaskan. Perubahan kandungan C dari 3C (asam
piruvat) menjadi 2C (asetil ko-A).
b) Reaksi antara asetil Ko-A (2C) dengan asam oksalo asetat (4C) dan terbentuk asam sitrat (6C).
Dalam peristiwa ini, Ko-A dibebaskan kembali.
c) Asam sitrat (6C) dengan NAD+ membentuk asam alfa ketoglutarat (5C) dengan membebaskan
CO2.
d) Peristiwa berikut agak kompleks, yaitu pembentukan asam suksinat (4C) setelah bereaksi dengan
NAD+ dengan membebaskan NADH, CO2 dan menghasilkan ATP setelah bereaksi dengan ADP
dan asam fosfat anorganik.
e) Asam suksinat yang terbentuk, kemudian bereaksi dengan FAD (Flarine Adenine Dinucleotida)
dan membentuk asam malat (4C) dengan membebaskan FADH2.
f) Asam malat (4C) kemudian bereaksi dengan NAD+ dan membentuk asam oksaloasetat (4C)
dengan membebaskan NADH, karena asam oksalo asetat akan kembali dengan asetil ko-A
seperti langkah ke 2 di atas.
Dapat disimpulkan bahwa siklus krebs merupakan tahap kedua dalam respirasi aerob yang
mempunyai tiga fungsi, yaitu menghasilkan NADH, FADH2, ATP serta membentuk kembali
oksaloasetat. Oksaloasetat ini berfungsi untuk siklus krebs selanjutnya. Dalam siklus krebs,
dihasilkan 6 NADH, 2 FADH2, dan 2 ATP.
Gambar Siklus Krebs
4) Transpor Elektron
Pada dasarnya, transpor elektron merupakan peristiwa pemindahan elaktron dari . Elektron
tersebut berasal dari NADH dan FADH dari suatu substrat ke substrat lain secara berantai
disertai pembentukan ATP melalui proses Fosforilasi okeidatif. Fosforilasi oksidatif merupakan
proses penambahan gugus posfat anorganik ke molekul ADP. Dalam transpor elektron, yang
menjadi penerima elektron terakhir adalah oksigen sehingga pada akhir peristiwa ini terbentuk
O.NADH dan FADH dalam transpor elektron berfungsi sebagai senyawa pereduksi
yangmenghasilkan ion hidrogen. Setiap molekul NADH yang memasuki rantai transpor elektron
akan menghasilkan 3 molekul ATP, dan setiap molekul FAD akan menghasilkan 2 molekul
ATP.
B. Respirasi Anaerob (Fermentasi)
Fermentasi adalah proses pembebasan energi tanpa oksigen. Ciri-ciri dari fermentasi adalah:
1. Terjadi pada organisme yang tidak membutuhkan oksigen bebas.
2. Tidak terjadi penyaluran elektron ke siklus krebs dan transpor elektron.
3. Energi (ATP) yang terbentuk lebih sedikit jika dibandingkan dengan respirasi aerob yaitu 2
molekul ATP setiap mol glukosa.
4. Jalur yang ditempuh ialah glikolisis dan pembentukan alkohol (fermentasi alkohol) dan
pembentukan asam laktat.
5. Menghasilkan produk berupa asam-asam organik, alkohol dan gas.
6. Organisme anaerobik juga menghasilkan energi, yaitu melalui reaksi-reaksi yang disebut
fermentasi yang menggunakan bahan organik sebagai donor dan akseptor elektron. Bakteri
anaerobik fakultatif dan bakteri anaerobik obligat menggunakan berbagai macam fermentasi
untuk menghasilkan energi. Misalnya pada bakteri Streptococus lactis menggunakan fermentasi
asam laktat untuk perolehan energi yaitu dengan menguraikan glukosa menjadi asam laktat
melalui proses glikolisis, satu molekul glukosa diubah menjadi dua molekul asam piruvat disertai
dengan pembentukan dua NADH + . Asam piruvat tersebut diubah menjadi asam laktat dalam
reaksi berikut:
COOH COOH
2 C = 0 + 2NADH + 2 2H – C – OH + 2NA
C C
Jalur-Jalur Fermentasi
Organisme dan produk fermentasi
Sebagaimana ditujukkan dalam skema di atas, selain menghasilkan asam piruvat sebagai
produk akhir juga dihasilkan 2 molekul NHDH yang harus dioksidasi. Tergantung pada tipe
mikroorganismenya asam piruvat (CH3COCOOH) dimetabolisme lebih lanjut untuk
menghasilkan produk akhir fermentasi sebagaimana ditunjukkan dalam skema berikut:
a) Fermentasi Asam homolaktat. Dilakukan oleh beberapa bakteri Streptococcus dan Laktobacillus.
b) Fermentasi Alkohol. Dilakukan oleh Yeast.
c) Fermentasi Asam Campuran, dilakukan Escherichia coli dan beberapa bacteri anterik lainnya.
d) Fermentasi butylen-glikol, dilakuka 0leh Enterobacter, Pseudomonas dan Bacillus.
e) Fermentasi Asam propionate. Dilakukan oleh Propioniacterium dan Veillonela. CO2 asam
piruvat….. asam asetat 2 oksalo asetat 2CO2 enzyme bond 2 asam suksinat propionil Co A asam
propionat suksinil Co A 2 methil malonil Co A
Energi yang bergabung dalam ikatan propiionil Co A disimpan oleh reaksi propionil Co A
dengan asam ukinat membentuk suksinil CoA dan asam propionat bebas. Selanjutnya CO2 yang
dibebaskan dari decarboksilasi metil malonil CoA tetap berikatan dengan enzim yang
mengandung biotin yang akan mentransfer CO2 kepada asam piruvat membentuk asam aksalo
asetat. Organisma ini juga dapat membentuk oksalo asetat dari reaksi PRP (Phosphoenol piruvat)
dengan CO2 bebas.
f) Fermentasi Asam Butirat, butanol dan aseton
Bakteri yang melakukan fermentasi tersebut adalah Clostridium.
Dari skema tersebut dapat diketahui bahwa berbagai macam senyawa yang dapat
berperan sebagai aseptor elektron terakhir. Jadi produk akhir dari fermentasi juga bervariasi.
Dalam hal fermentasi asam laktat atau alkohol, hanya satu macam. Pada fermentasi lain seperti
campuran asam atau asam butirat menggunakan bermacam aseptor elektron dan produk
fermentasi juga bervariasi. Tidak semua bakteri melakukan metabolisma gula melalui jalur
embden-meyerhof, tetapi ada beberapa alternatif penguraian glukosa menghasilkan tipe
fermentasi.
2. Fotosintesis
Fotosintesis adalah suatu proses biokimia pembentukan zat makanan karbohidrat yang
dilakukan oleh tumbuhan, terutama tumbuhan yang mengandung zat hijau daun atau klorofil.
Selain tumbuhan berklorofil, makhluk hidup non-klorofil lain yang berfotosintesis adalah alga
dan beberapa jenis bakteri. Organisme ini berfotosintesis dengan menggunakan zat hara, karbon
dioksida dan air serta bantuan energi cahaya matahari.
Terjadi pada algae, tumbuhan dan beberapa prokariotik:
• Terdiri atas 2 reaksi utama: Photophosphorylation (reaksi terang) dan fiksasi karbon dioksida
(reaksi gelap).
1. Photophosphorylation (Reaksi terang)
Pada reaksi terang, cahaya mengenai klorofil a yang menyebabkan elektron tereksitasi sehingga
mempunyai energi lebih tinggi. Dalam satu rangkaian reaksi kimia, energi tersebut akan diubah
menjadi ATP dan NADPH. Air akan terurai dan melepaskan oksigen sebagai satu produk reaksi.
ATP dan NADPH akan digunakan untuk membuat karbohidrat pada reaksi gelap.
2. Fiksasi Karbon Dioksida (Reaksi Gelap)
Fiksasi karbon dikenal sebagai reaksi gelap. Enam molekul gas asam arang masuk ke dalam
sel melalui stomata dan akan diikat oleh ribulosa bifosfat (RuBP). RuBP merupakan suatu
senyawa berkarbon 5 yang akan diubah menjadi satu molekul gula. Peristiwa ini terjadi di dalam
stroma dan telah diperkenalkan oleh Melvin Calvin sehingga selanjutnya dikenal dengan siklus