Presentasi sedang didownload. Silahkan tunggu

Presentasi sedang didownload. Silahkan tunggu

Kuliah ke-III m.k. DASAR REKAYASA BIOPROSES TIN 221 METABOLISME I : Kebutuhan & Sumber Energi bagi Sel Mikroorganisme JURUSAN TEKNOLOGI INDUSTRI PERTANIAN.

Presentasi serupa


Presentasi berjudul: "Kuliah ke-III m.k. DASAR REKAYASA BIOPROSES TIN 221 METABOLISME I : Kebutuhan & Sumber Energi bagi Sel Mikroorganisme JURUSAN TEKNOLOGI INDUSTRI PERTANIAN."— Transcript presentasi:

1 Kuliah ke-III m.k. DASAR REKAYASA BIOPROSES TIN 221 METABOLISME I : Kebutuhan & Sumber Energi bagi Sel Mikroorganisme JURUSAN TEKNOLOGI INDUSTRI PERTANIAN FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR 2012

2 PENDAHULUAN  Untuk dapat tetap hidup dan berkembang biak, mikroba melakukan berbagai proses metabolisme  Proses metabolisme dapat berlangsung bila tersedia energi yang dibutuhkan  Mikroba mempunyai kekhasan dalam pembentukan energi yang dibutuhkan, seperti fermentasi, respirasi atao fotosintesis  “Hasil samping” proses pembentukan energi berupa senyawa yang dapat dimanfaatkan menjadi produk yang berguna bagi manusia, contohnya etanol, asam organik dll berdasarkan lintasan metabolismenya

3 Fungsi Metabolisme : Memecah senyawa kompleks (nutrien) menjadi substrat/prekursor (senyawa awal) Menangkap energi yang dilepaskan dari pemecahan nutrien.(katabolisme) Sintesis molekul yang dibutuhkan (anabolisme) Hubungan antara Katabolisme & Anabolisme : Katabolisme : oksidatif; exergonic (melepaskan energi) Anabolisme : reduktif, endergonic (membutuhkan energi) Metabolisme : Semua aktivitas kimiawi yang terjadi dalam sel, baik yang berfungsi penguraian (katabolisme) maupun pembentukan (anabolisme)  prinsipnya reaksi oksidasi-reduksi

4 Nutrien/Seny kimia (KH, Protein, Lemak) KATABOLISME (Khimosintesis) ANABOLISME (Biosintesis) KATABOLISME (Fotosintesis) Cahaya Biopolimer/Mol Sel Fosforilasi tk. substrat & Fosforilasi Oksidatif RNA, DNA, Protein, Polisakarida, Lemak Fotofosforilasi Prekursor/intermediate (asam amino, gula, asam lemak, purin dll) Akumulasi intraseluler ATP ADP ATP ADP Energi Produk metabolisme/ metabolit Substrat Skema Proses Metabolisme Di dalam Sel Mikroba

5 NH 3

6 I. PROSES BIOKIMIA PENGHASIL ENERGI (KATABOLISME)  1. Kebutuhan & Sumber Energi bagi Mikroba  2. Energi Kimia & Transfer Energi  3. Sintesis ATP oleh Mikroba  4.Lintasan Katabolisme Nutrien ENERGI

7 II. PROSES BIOKIMIA YG MEMBUTUHKAN ENERGI (ANABOLISME/BIOSINTETIK)  dipelajari di Metabolisme II 1. Penggunaan Energi untuk Proses Biosintetik 2. Biosintesis Senyawa Mengandung Nitrogen : - Biosintesis Asam Amino & Protein - Biosintesis Nukleotida & Asam Nukleat 3. Biosintesis Karbohidrat 4. Biosintesis Lipida (Asam Lemak Rantai Panjang dan Fosfolipida) 5. Penggunaan Energi untuk Proses Selain Biosintesis : - Transpor Nutrien ke Dalam Sel & Motilitas

8 I.1. Kebutuhan Energi oleh Sel Mikroba Energi digunakan untuk aktivitas : - Konstruksi bagian struktural sel (dinding sel, membran sel dll.) - Sintesis enzim, asam nukleat, polisakarida, fosfolipida & komponen kimia lain - Memperbaiki bagian sel yg rusak & pemeliharaan sel - Pertumbuhan & replikasi (reproduksi) - Akumulasi beberapa senyawa nutrien cadangan - Mengekskresikan produk-produk limbah - Motilitas (pergerakan) Sumber energi :  cahaya,  tetapi kebanyakan mikroba mendapatkan energi dgn cara katabolisme senyawa kimia  energi disimpan secara temporer umumnya pada ATP

9 Energi kimia : energi yg terkandung pada ikatan kimia dlm. molekul substrat  lihat contoh Proses katabolisme & anabolisme saling berkaitan : Reaksi exergonic (katabolisme) menghasilkan energi  ditangkap oleh senyawa pentransfer energi (ATP)  diberikan ke reaksi endergonic (sintesis) yg butuh energi ATP (adenosine triphosphate) menyimpan & mentransfer energi dgn menerima/melepaskan fosfat anorganik (Pi)  disintesis dari ADP (adenosine diphosphate) (Kandungan energi 1 mol ATP = 7.3 kkal/mol) energi ADP + Pi ATP + air ATP + air ADP + fosfat energi I.2. Energi Kimia & Transfer Energi

10 Ikatan kimia yang mempunyai energi tinggi digambarkan Dengan garis gelombang (~), terbentuk dengan cara oksidasi Contoh ikatan kimia berenergi tinggi : Asetil fosfat O CH 3 – C ~ P Asetil Koenzim A O (Acetyl-CoA) CH 3 – C ~ S – CoA Asetat anhidrid O O CH 3 – C ~ O ~ C - CH 3

11 a.Fosforilasi Tingkat Substrat Proses adisi fosfat anorganik pada senyawa yg sedang dioksidasi pada lintasan metabolisme  dihasilkan senyawa yang mengandung ikatan fosfat berenergi tinggi  energi yg dilepaskan dari substrat tsb digunakan untuk memindahkan gugus fosfat ke ADP, sehingga terbentuk ATP (umumnya merupakan pembentukan energi pada fermentasi) I.3. Sintesis ATP oleh Mikroba a. Fosforilasi Tingkat Substrat b. Fosforilasi Oksidatif (Kemiosmosis) c. Fotofosforilasi Contoh senyawa berenergi tinggi : *1,3 biphospho glycerate & phosphoenolpyruvate  dihasilkan dari Glikolisis *succynil~SCoA  dari Siklus Krebs

12 Energi yg dilepaskan dari pemecahan senyawa/substrat organik berenergi tinggi digunakan untuk sintesis ATP dari ADP Terjadi 2 tahap pada Glikolisis dan 1 tahap pada Siklus Krebs (TCA) yang menghasilkan ATP melalui Fosforilasi Tingkat Substrat a. Fosforilasi Tingkat Substrat (substrat berenergi tinggi)

13 Konservasi energi pada Fermentasi dan Respirasi Fermentasi Respirasi

14 Fosforilasi Tingkat Substrat

15 Glikolisis 2 tahap Fosforilasi Tingkat Substrat pada Glikolisis

16 SIKLUS KREBS 1 Tahap Fosforilasi Tingkat Substrat Pada Siklus Krebs

17  Terjadi pada sistem respirasi, dimana setelah fosforilasi, elektron yg dihslkan lalu digunakan oleh Rantai Transpor Elektron (RTE)  sbg akseptor elektron terakhir pada RTEadalah O 2  Melibatkan serangkain perpindahan elektron yang melibatkan senyawa pembawa elektron : nikotin adenin dinukleotida tereduksi (NADH)/FADH 2 dan cytochome  yg digunakan untuk sintesis ATP dari ADP b. Fosforilasi Oksidatif (Kemiosmosis) Sumber NADH/FADH 2 : Glikolisis (pemecahan sumber karbon) Reaksi piruvat menjadi acetyl-CoA Metabolisme asam lemak Siklus Krebs

18 Komponen RTE text_images/FG21_111-2.JPG NADH dan FADH 2 dioksidasi  melepaskan elektron ke RTE  melewati serangkaian senyawa pembawa elektron,  energi yang dilepaskan digunakan untuk memompa ion H +  terjadi gradien ion H + (proton motive force) yang menggerakkan pembentukan ATP oleh enzim syntahse. Molekul O 2 sbg penerima elektron terakhir  terbentuk H 2 O dengan menghasilkan ATP ATP

19 Rantai Transpor Elektron (RTE) : Merupakan tahap akhir respirasi sel dimana energi pada NADH & FADH 2 dibebaskan, lalu ditransfer dan disimpan pada ATP  Digunakan untuk menangkap energi dari reaksi oksidasi- reduksi (respirasi aerobik dan dari cahaya matahari (fotosintesis) RTE berlangsung karena terbentuk gradien ion H + antara matriks & ruang antar membran mitokondria  menggerakkan sintesis ATP melalui Fosforilasi Oksidatif (Kemiosmosis) Lokasi terjadinya RTE : Eukariota : – mitokondria Prokariota : – membran sitoplasma

20 Ringkasan Produksi Energi selama Respirasi Aerobik

21 c. Fotofosforilasi - Terjadi pada organisme yang mempunyai klorofil yang mampu mengabsorbsi cahaya matahari - Cahaya matahari digunakan untuk menghasilkan protonmotive force yang menggerakkan sintesis ATP  Produksi ATP dengan menggunakan energi dari cahaya matahari (bukan dari pemecahan substrat organik)  terjadi pada fotosintesis contoh : cyanobacteria, alga dan tanaman berklorofil)

22 Katabolisme Nutrien Kompleks M.o dpt menggunakan berbagai jenis senyawa sumber energi  molekul kompleks (protein, lemak, polisakarida) shg hrs dihidrolisis secara enzimatis menjadi senyawa sederhana seblm digunakan sbg pemasok energi Molekul sederhana selanjutnya dpt dikonversi menjadi senyawa lain yg dpt memasuki lintasan disimilasi sel : - Protein  peptida  asam amino  membentuk asam piruvat  ke Siklus Krebs - Lemak  gliserol  ke Glikolisis ; asam lemak  Asetil KoA  ke Siklus Krebs - Polisakarida  Monosakarida/glukosa  ke Glikolisis I.4. Lintasan Katabolisme Nutrien :

23

24

25 CARA MIKROBA MENDAPATKAN ENERGI 1.Fermentasi 2.Respirasi Aerobik 3.Respirasi Anaerobik 3. Fotosintesis

26 Oksidasi Biologi : Merupakan proses oksidasi-reduksi, yaitu reaksi penting oleh sel hidup pada metabolisme & pengadaan energi oksidasi (-elektron/H+) A B reduksi (+elektron/H+) - Pada reaksi oks-red, elektron mengalami perpindahan tingkat energi yg tinggi ke tingkat energi yg lbh rendah  Reaksi oksidasi membebaskan energi & reduksi membutuhkan energi - Pada tiap reaksi, terlibat pasangan senyawa : satu dlm bentuk teroksidasi & lainnya dlm bentuk tereduksi  tiap pasangan senyawa = “Sistem Oksidasi-Reduksi” = Sistem O/R

27 Bila suatu sistem O/R mengoksidasi sistem O/R lainnya, maka terjadi pembebasan energi yang besarnya sebanding dengan selisih antara nilai Eo (electrical potential = tegangan listrik suatu reaksi oksidasi-reduksi, volt)  energi yang dihasilkan Digunakan untuk mensintesis ATP Semakin besar perbedaan Eo antara senyawa yang mengoksidasi dengan senyawa yang mereduksi atau semakin negatif senyawa yg mengoksidasi dan semakin positif senyawa yg mereduksi  energi yang dihasilkan juga semakin besar. (Eo sistem semakin negatif = donor elektron bagi sistem dg Eo lebih positif (= akseptor elektron) Jadi sel dapat menghasilkan energi dengan mengoksidasi Eo yang lebih negatif dan mereduksi Eo yang lebih positif  pemindahan elektron berhubungan dengan produksi energi ! (RTE)

28 FERMENTASI -Merupakan reaksi oksidasi-reduksi di dalam sistem biologi yang menghasilkan energi  sebagai donor dan akseptor elektron digunakan senyawa organik (tdk perlu O 2 )  tdk efisien -Senyawa organik yang biasa digunakan adalah karbohidrat dalam bentuk glukosa -Skema proses fermentasi : senyawa organik teroksidasi (donor elektron) e- energi (2 ATP/mol Glukosa) senyawa organik tereduksi (akseptor elektron)

29 Hasil samping dari produksi energi pada Fermentasi yg bermanfaat bagi manusia, contohnya : 1.Fermentasi Alkohol 2.Fermentasi Asam Laktat 3. Fermentasi 2,3-Butanediol 4. Fermentasi Asam Propionat 6. Fermentasi Asam Butirat Fermentasi : -Merupakan pemecahan karbohidrat secara anaerobik yang bertujuan untuk menghasilkan energi bagi mikroba - Melibatkan glikolisis, namun tidak melibatkan RTE  pemecahan glukosa menghasilkan 2 ATP/mol glukosa dengan melalui Fosforilasi Tingkat Substrat - Ditemui pada mikroba anaerobik dan anaerobik fakultatif

30 RESPIRASI -Sel mempunyai enzim oksidase, sehingga dpt menggunakan O 2 sebagai akseptor elektron terakhir -Mol O 2 merupakan substrat yang baik untuk direduksi (Eo ) & tersedia banyak di udara  lebih efisien mengubah substrat menjadi energi (20X fermentasi) - Elektron dlm sistem respirasi berasal dari DPNH+H + (hasil oksidasi substrat)  melalui flavoprotein atau FAD (protein pembawa elektron) dan sitokroma (RTE=rantai transpor elektron)  diubah menjadi energi dlm bentuk ATP

31 RESPIRASI Substrat respirasi : KH (glukosa), lemak, protein substrat organik teroksidasi (donor elektron) e - energi ( 36 ATP/mol glukosa) FAD sitokroma O 2 H 2 O

32 - Proses katabolik yang menghasilkan ATP - Melibatkan lintasan metabolisme : a. Glikolisis b. Konversi piruvat menjadi asetil Ko-A ( Asam piruvat (dari glikolisis) dioksidasi menjadi Asetil KoA)  sebagai substrat awal Silkus Krebs dg menghaslkan 1 NADH c. Siklus Krebs d. Rantai Transpor Elektron & Fosforilasi Oksidatif Respirasi Aerobik

33 Respirasi Aerobik :

34 Total : 38 ATP (Net : 36 ATP) Respirasi Aerobik

35 RESPIRASI ANAEROBIK Respirasi tanpa menggunakan oksigen dari luar, tetapi menggunakan senyawa anorganik yg ada dlm substrat sbg akseptor elektron terakhir  Energi yg dihasilkan lebih sedikit dibandingkan respirasi aerobik senyawa organik teroksidasi (donor elektron) e - energi senyawa anorganik (akseptor elektron) tereduksi Senyawa- senyawa anorganik yg dpt digunakan sbg akseptor elektron : sulfat, nitrat, atau CO 2

36 Respirasi Anaerobik melibatkan : - Glikolisis, Siklus Asam Sitrat dan RTE -Total hasil energi per molekul glukosa yang dioksidasi lebih kecil atau sama dengan 36 ATP (lebih sedikit dari Respirasi Aerobik, tapi lebih banyak dari fermentasi) Beberapa prokariot mampu melakukan respirasi anaerob Contoh : - Beberapa bakteri pereduksi sulfat dapat mentransfer elektron ke ggs sulfat  direduksi menjadi H 2 S. - Bakteri pereduksi nitrat dapat mentransfer elektron ke ggs nitrat  direduksi menjadi nitrit - Bakteri pereduksi nitrat lain dapat mereduksi nitrat  NO dan N 2

37 electron acceptor reduced end product name of processorganism O2O2 H2OH2O aerobic respiration Escherichia,Strept omyces NO 3 NO 2, N 2 O or N 2 anaerobic respiration: denitrification Bacillus,Pseudomo nas SO 4 S or H 2 S anaerobic respiration: sulfate reduction Desulfovibrio fumaratesuccinate anaerobic respiration:using an organic e- acceptor Escherichia CO 2 CH 4 methanogenesisMethanococcus Table 3. Electron acceptors for respiration and methanogenesis in procaryotes Anaerobic respiration : use of some compound other than O 2 as a final electron acceptor in the electron transport chain. Electron acceptors used by procaryotes for respiration or methanogenesis

38 Biological methanogenesis is the primary source of methane (natural gas) on the planet. Methane is preserved as a fossil fuel (until we use it all up) because it is produced and stored under anaerobic conditions, and oxygen is needed to oxidize the CH 4 molecule. Methanogenesis is not really a form of anaerobic respiration, but it is a type of energy-generating metabolism that requires an outside electron acceptor in the form of CO 2. Methane is a significant greenhouse gas because it is naturally produced in fairly quantities and it absorbs up to 15 times more heat than carbon dioxide.

39 Denitrification is an important process in agriculture because it removes NO 3 from the soil. NO 3 is a major source of nitrogen fertilizer in agriculture. Almost one-third the cost of some types of agriculture is in nitrate fertilizers The use of nitrate as a respiratory electron acceptor is usually an alternative to the use of oxygen. Therefore, soil bacteria such as Pseudomonas will use O 2 as an electron acceptor if it is available, and disregard NO 3. This is the rationale in maintaining well- aerated soils by the agricultural practices of plowing and tilling.E. coli will utilize NO 3 (as well as fumarate) as a respiratory electron acceptor and so it is able to respire in the anaerobic intestinal habitat. Among the products of denitrification, N 2 O is of a major concern because it is a greenhouse gas with 300-times the heat absorbing capacity of CO 2. Denitrifying bacteria that respire using N 2 O as an electron acceptor yield N 2 and therefore provide a sink for the N 2 O. although this does not ameliorate denintrification of the soil.

40 Sulfate reduction It is an obligatory process that occurs only under anaerobic conditions. Methanogens and sulfate reducers may share habitat, especially in the anaerobic sediments of eutrophic lakes such as Lake Mendota, where they crank out methane and hydrogen sulfide at a surprising rate. Anaerobic respiring bacteria and methanogens play an essential role in the biological cycles of carbon, nitrogen and sulfur. In general, they convert oxidized forms of the elements to a more reduced state. - The lithotrophic procaryotes metabolize the reduced forms of nitrogen and sulfur to a more oxidized state in order to produce energy. - The methanotrophic bacteria, which uniquely posses the enzyme methane monooxygenase, can oxidize methane as a source of energy. Among all these groups of procaryotes there is a minicycle of the elements in a model ecosystem.

41 FOTOSINTESIS (B) e- e- (B) Energi sinar Energi yg digunakan sel Matahari untuk metabolismel (A) e- e- (A) H 2 O O 2 Menggunakan energi sinar matahari untuk meningkatkan energi elektron yg dihasilkan oleh oksidasi air menjadi oksigen  algae, bbrp bakteri (e.g Cyanobacteria) & tanaman hijau Reaksi : n CO 2 + H 2 O sinar matahari (CH 2 O) n + O 2 (karbohidrat) Cahaya diabsorbsi oleh klorofil Saat cahaya diabsorbsi, dilepaskan elektron dari klorofil dan akan masuk ke Rantai Transpor Elektron (RTE)  energi (ATP) A & B = tingkat energi elektron

42


Download ppt "Kuliah ke-III m.k. DASAR REKAYASA BIOPROSES TIN 221 METABOLISME I : Kebutuhan & Sumber Energi bagi Sel Mikroorganisme JURUSAN TEKNOLOGI INDUSTRI PERTANIAN."

Presentasi serupa


Iklan oleh Google