METABOLISME MIKROORGANISME

METABOLISME Sel harus menyelesaikan 2 tugas dasar untuk tumbuh, yaitu: Mensintesa komponen baru biosintesis Mengumpulkan energi Jumlah total reaksi kimia biosintesis dan pengumpulan energi disebut “metabolisme”

PRINSIP METABOLISME Metabolisme dapat dibagi 2 komponen, yaitu: Anabolisme Katabolisme Reaksi degradatif Reaksi yang menghasilkan energi dari pecahan molekul-molekul yang lebih besar Reaksi yang melibatkan sintesis komponen sel Reaksi anabolis membutuhkan energi Reaksi anabolis menggunakan energi yang dihasilkan dari reaksi katabolis

PRINSIP METABOLISME Mengumpulkan energi Energi didefinisikan sebagai kapasitas untuk melakukan pekerjaan Hadir sebagai: Energi potensial Energi yang disimpan Energi kinetik Energi yang bergerak Melakukan pekerjaan Energi dapat dikonversikan dari satu bentuk ke bentuk yang lain Potensial  kinetik Kinetik  potensial

PRINSIP METABOLISME Mengumpulkan energi Jumlah energi yang dilepas dari ikatannya disebut “energi bebas” Energi tersedia untuk melakukan pekerjaan Jika perekasi (reactants) memiliki energi bebas lebih dari produk, maka energi dilepaskan. Reaksi Eksergonis Jika produk memiliki energi lebih dari pereaksi, maka energi dikonsumsi. Reaksi Endergonis

PRINSIP METABOLISME Komponen Jalur metabolik Proses terjadi sejalan dengan reaksi kimia Komponen awal dikonversikan menjadi molekul pertengahan (intermediate) dan produk akhir. Produk Intermediates dan produk akhir dapat digunakan sebagai metabolit prekursor Jalur metabolik memiliki komponen penting untuk menyelesaikan proses Enzim ATP Sumber energi kimia Pembawa elektron Metabolit prekursor

PRINSIP METABOLISME Peran enzim Enzim memfasilitasi setiap langkah jalur metabolik Mereka adalah protein yang berperan sebagai katalis Meningkatkan konversi substrat menjadi produk Reaksi katalisa dengan menurunkan energi aktivasi Energy required to initiate a chemical reaction

ENZIM Berperas sebagai katalisator biologi Sangat spesifik Jenis enzim tertentu hanya beraksi dengan 1 substrat substrat dalam jumlah terbatas Enzim tidak dapat mengganti pereaksi atau produk reaksi kimia Enzim tidak dapat digantikan dengan reaksi kimia yang dikatalisisnya Enzim biasanya dinamai untuk substrat yang dilakukannya dan berakhir dengan akhiran–ase protease

ENZIM Cara kerja Enzim Enzim bekerja dengan 2 tahap, yaitu: Substrat yang mengikat sisi aktif enzim untuk membentuk suatu enzim kompleks Substrat adalah bahan khusus pada enzim yang bekerja. Produknya terbentuk. E + S  ES  E + P Enzim dilepas untuk mengikat substrat baru Enzim diregulasikan untuk mencegah pruksi hasil yang berlebihan.

ENZIM Kofaktor dan Koenzim Kofaktor Koenzim Komponen non-protein yang bereaksi dengan enzim. Koenzim Kofaktor Organik Bekerja sebagai pembawa (carriers) bagi molekul atau elektron NAD+, FAD and NADP+ adalah koenzim Tidak spesifik seperti enzim Bisa bekerja dengan beberapa enzim.

ENZIM Faktor Lingkungan dari aktifitas Enzim Faktor-faktor yang mempengaruhi aktifits enzim adalah: Suhu Suhu yang meningkat akan meningkatkan kecepatan reaksi Suhu yang sangat tinggi membuat enzim menjadi tidak berfungsi pH Fungsi enzim terbaik pada pH di atas 7 Konsentrasi garam Konsentrasi garam yang rendah sangat disukai enzim

ENZIM Regulasi Allosteric Feedback inhibition Meregulasikan produksi hasil Molekul peregulasi mengikat nagian enzim allosteric Mengubah kemiripan enzim terhadap substrat Enzim Allosteric memulai aktifitas jalur (pathway) yang diberi Regulasi mengendalikan aktifitas metabolik Feedback inhibition Produk akhir jalur (pathway) bekerja pada bagian allotter enzim Menutup jalur masuk

ENZIM Penghambatan Enzim Penghambatan Tidak kompetitif (Non-competitive inhibition) Penghambat dan substrat bekerja pada bagian enzim yang berbeda Allosteric inhibition Feedback inhibition Penghambatan kompetitif (Competitive inhibition) Penghambat berkompetisi untuk bagian aktif dengan substrat Penghambat secara struktural sama dengan substrat Obat Sulfa berkompetisi dengan PABA untuk bagian aktif enzim yang menghasilkan asam folat.

ENZIM

PRINSIP METABOLISME Peran ATP Adenosine triphosphate (ATP) Sumber energi bagi sel Berhubungan secara negatif pada kelompok fosfat yang menempel pada molekul adenosin Berhubungan negatif terhadap fosfat Menciptakan ikatan tidak stabil yang mudah pecah menghasilkan energi ATP diciptakan dari 3 mekanisme: Substrate phosphorylation Oxidative phosphorylation Photophosphorylation

PRINSIP METABOLISME Substrate phosphorylation Menggunakan energi kimia untuk menambahkan ion fosfat ke molekul ADP Oxidative phosphorylation Menggunakan energi dari proton untuk menambah ion fosfat ke ADP Photophosphorylation Menggunakan energi radiasi dari matahari untuk diubah menjadi phosphorylate ADP ke ATP

PRINSIP METABOLISME Peran sumber energi kimia Sumber energi Bahan compound pecah untuk menghasilkan energi Jenis-jenis bahan compound yang tersedia : Glukosa, merupakan molekul organisyang paling umum Mengumpulkan energi membutuhkan sejumlah reaksi yang berpasangan Reaksi Oksidasi-reduksi

PRINSIP METABOLISME Reaksi Oksidasi-reduksi Reaksi di mana 1 atau lebih elektron dipindahkan dari 1 substrat ke substrat lainnya. Bahan compound yang kehilangan elektron dioksidasi Disebut Donor Elektron Bahan compound yang mendapat elektron direduksi Disebut Pembawa Elektron Di dalam reaksi, elaktron dihilangkan Proton sering mengikuti bentuk ion H+ Ion H+ memiliki 1 proton dan tidak ada elektron

PRINSIP METABOLISME Peran pembawa elektron (electron carriers) Ada 3 jenis pembawa elektron (electron carriers) Nicotinamide adenine dinucleotide NAD+ Flavin adenine dinucleotide FAD Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate NADP+ Bentuk yang direduksi mewakili kekuatan yang direduksi Disebabkan energi yang dapat digunakan di dalam ikatan Bentuk yang direduksi : NADH + H+ FADH2 NADPH

PRINSIP METABOLISME Metabolit Precursor Produk Intermediate dihasilkan di dalam jalur katabolis Digunakan pada jalur anabolis Tampil sebagai bahan mentah untk kontruksi makromolekul

Tahapan pada katabolisme glukosa: Glikolisis Transisi (konversi) Siklus Kreb (Tricarboxylic Cycle, TCA) Electron Transport Chain (ETC, Respiration)

KATABOLISM GLUKOSA Skema metabolisme Tiga jalur utama: Jalur metabolik utama: Glikolisis Transisi Siklus Kreb Electron Transport Chain Jalur utama adalah katabolis dan menyediakan : Energi Koenzime yang direduksi Metabolit Precursor

GLIKOLISIS Glikolisis Jalur utama untuk mengubah 1 glukosa  2 piruvat 10 tahapan Jalur tersebut terdiri dari: Dua 3 C-molekul piruvat Menghasilkan 2 ATP 2 ATP selanjutnya pecah menjadi glukosa 4 ATP dikumpulkan Dua molekul mengurangi tenaga NADH + H+ 6 jenis metabolit precursor 5 intermediate and 1 piruvat

GLIKOLISIS

TRANSISI Tahap Transisi Menghubungkan glikolisis menjadi Tricarboxylic Acid Cycle Memodifikasi 3-C piruvat dari glikolisis menjadi 2-C acetyl CoA CO2 dihilangkan melalui dekarboksilasi Sisa kelompok 2-C acetyl bergabung menjadi koenzim A Membentuk Acetyl CoA NAD+ direduksi menjadi NADH + H+ Setiap piruvat memasuki langkah transisi Reaksi terjadi 2 kali untuk 1 glukosa Hasil dari tahap Transisi : Tenaga yang berkurang NADH + H+ Metabolit Precursor Acetyl CoA

TRANSISI

SIKLUS ASAM TRICARBOKSILAT Siklus Asam Trikarboksilat menyelesaikan oksidasi glukosa Menggabungkan acetyl CoA dari tahap Transisi Melepaskan CO2 pada reaksi Siklus berganti 1 kali untuk setiap acetyl CoA Dua putaran untuk setiap molekul glukosa Siklus menghasilkan: 2 ATP 6 NADH + H+ 2 FADH2 4 CO2

SIKLUS ASAM TRIKARBOKSILAT

RESPIRASI Menggunakan NADH and FADH2 untuk mensintesa ATP Fosforilasi oksidatif terjadi dari kombinasi 2 mekanisme: Rantai Trasportasi Elektron Menghasilkan proton motive force Kombinasi dengan sintesa ATP Menggunakan energi di dalam proton motive force untuk mensintesa ATP

RESPIRASI Rantai Transportasi elektron Kelompok pembawa elektron dengan membran yang melekat Susunan pembawa membantu produksi proton motive force Empat jenis pembawa elektron: Flavoproteins—FAD Iron-sulfur proteins—seperti NAD dehydrogenase complex Quinones—lipid soluble molecules yang bergerak di dalam membran dan memindahkan elektron Cytochromes—proteins dengan kelompok ‘heme’

RESPIRASI Rantai Transportasi elektron mitokondria Rantai terdiri dari : Complex I a.k.a NADH dehydrogenase Complex II a.k.a succinate dehydrogenase Coenzyme Q Complex III Cytochrome C Complex IV Setiap pembawa menerima elektron dari pembawa sebelumnya. Di dalam proses, proton dipompakan melewati membran

RANTAI TRANSPORTASI ELEKTRON MITOKONDRIA

RESPIRASI Mekanisme tenaga proton Pembawa tertentu menerima proton dan elektron, beberapa hanya menerima elektron Memompa proton melewati membran Menciptakan suatu gradien proton Penyusunan pembawa menyebabkan proton dapat melewati membran.

RESPIRATION Rantai transportasi elektron menggunakan serangkaian reaksi oksidasi reduksi untuk menghasilkan energi untuk memompa H+ dan untuk membentuk air.

RANTAI TRANSPORTASI ELEKTRON MITOKONDRIA

RESPIRATION Rantai transportasi elektron prokaryota Respiration dapat bersifat aerob atau anaerob Pada respirasi aerob beberapa prokaryota memiliki enzim sama dengan complex I and II dari mitokondria Tidak memiliki enzim yang sama dengan complex III atau cytochrome c Menggunakan quinones (ubiquinone) membawa elektron secara langsung menuju terminal electron acceptor Oksigen bertindak sebagai penerima jika tersedia

RANTAI TRANSPORTASI ELEKTRON PROKARYOTA (AEROB)

RESPIRASI Rantai transportasi elektron pada prokaryota Respirasi anaerob kurang efisien Pembawa elektron alternatif digunakan Oksigen tidak bertindak sebagai ujung penerima elektron (terminal electron acceptor) Beberapa bakteri menggunakan nitrat Nitrat diubah menjadi nitrit Nitrit diubah menjadi ammonia Bakteri pereduksi sulfur menggunakan sulfat sebagai ujung penerima elektron (terminal electron acceptor) Pembawa Quinone (menaquinone) menghasilkan vitamin K

RESPIRASI Sintesa ATP Mengumpulkan energi dari tenaga proton (proton force) untuk mensitesa ATP Mengizinkan proton untuk mengalir kembali ke dalam sel Menghasilkan cukup energi untuk mem-phosphorylate ADP  ATP Satu ATP terbentuk dari 3 proton 10 proton dipompa keluar setiap NADH+H+ Satu NADH menghasilkan 3 molekul ATP 6 proton dipompa keluar setiap FADH2 Satu FADH menghasilkan 2 molekul ATP

RESPIRASI ATP dari phosphorylasi oksidatif ATP dihasilkan melalui re-oksidasi NADH + H+ dan FADH2 Maximum theoretical yield Dari glycolysis 2 NADH + H+  6 ATP Dari tahap transisi 2 NADH + H+ 6 ATP Dari TCA 6 NADH + H+ 18 ATP 2 FADH2  4 ATP

FERMENTASI Digunakan oleh organisme yang tidak dapat berespirasi Karena kekurangan penerima elektron inorganik yang cocok atau kekurangan rantai transportasi elektron ATP dihasilkan hanya pada glikolisis Tahap lain untuk mengkonsumsi tenaga pereduksi yang berlebih Mengulang siklus NADH Jalur fermentasi menggunakan pyruvate atau derivative sebagai terminal electron acceptor

FERMENTASI

FERMENTASI Produk akhir dari fermentasi termasuk: Asam laktat Ethanol Asam butyrat Asam propionic 2,3-Butanediol Campuran beberapa asam Semua dihasilkan pada serangkaian reaksi untuk menghasilkan terminal electron acceptor yang cukup

Terima Kasih