METABOLISME BAKTERI

METABOLISME BAKTERI

Metabolisme didefinisikan sebagai semua reaksi kimia yang terjadi dalam sel. Metabolisma terdiri dari dua proses yang berlawanan yang terjadi secara simultan. Reaksi tersebut adalah:

1.    Anabolisme

Anabolisme merupakan proses dimana pembentukan molekul-molekul organic kompleks dari senyawa-senyawa sederhana yang membutuhkan energi.

Jalur anabolisme yang membentuk senyawa-senyawa dari prekursor sederhana mencakup:

·         Glikogenesis, pembentukan glikogen dari glukosa.

·         Glukoneogenesis, pembentukan glukosa dari senyawa organik lain.

·         Jalur sintesis porfirin

·         Jalur HMG-CoA reduktase, mengawali pembentukan kolesterol dan isoprenoid.

·         Metabolisme sekunder, jalur-jalur metabolisme yang tidak esensial bagi pertumbuhan, perkembangan, maupun reproduksi, namun biasanya berfungsi secara ekologis, misalnya pembentukan alkaloid dan terpenoid.

·         Fotosintesis

·         Siklus Calvin dan fiksasi karbon

2.    Katabolisme

Katabolisme merupakan proses dimana pemecahan molekul-molekul oraganik kompleks menjadi senyawa-senyawa yang sederhana. Hasil pemecahan akan menghasilkan energy.

Jalur katabolisme yang menguraikan molekul kompleks menjadi senyawa sederhana mencakup:

·         Respirasi sel, jalur metabolisme yang menghasilkan energi (dalam bentuk ATP dan NADPH) dari molekul-molekul bahan bakar (karbohidrat, lemak, dan protein). Jalur-jalur metabolisme respirasi sel juga terlibat dalam pencernaan makanan. Katabolisme karbohidrat Glikogenolisis, pengubahan glikogen menjadi glukosa.

o   Glikolisis, pengubahan glukosa menjadi piruvat dan ATP tanpa membutuhkan oksigen.

o   Jalur pentosa fosfat, pembentukan NADPH dari glukosa.

o   Katabolisme protein, hidrolisis protein menjadi asam amino.

·         Respirasi aerobik

·         Transpor elektron

·         Fosforilasi oksidatif

·         Respirasi anaerobik,

·         Daur Cori

·         Fermentasi asam laktat

·         Fermentasi

·         Fermentasi etanol

Kedua arah lintasan metabolisme diperlukan setiap organisme untuk dapat bertahan hidup. Arah lintasan metabolisme ditentukan oleh suatu senyawa yang disebut sebagai hormon, dan dipercepat (dikatalisis) oleh enzim. Pada senyawa organik, penentu arah reaksi kimia disebut promoter dan penentu percepatan reaksi kimia disebut katalis.

Pada setiap arah metabolisme, reaksi kimiawi melibatkan sejumlah substrat yang bereaksi dengan dikatalisis enzim pada jenjang-jenjang reaksi guna menghasilkan senyawa intermediat, yang merupakan substrat pada jenjang reaksi berikutnya. Keseluruhan pereaksi kimia yang terlibat pada suatu jenjang reaksi disebut metabolom. Semua ini dipelajari pada suatu cabang ilmu biologi yang disebut metabolomika.

Fosforilasi Oksidatif

Pada umumnya reaksi oksidasi secara biologi dikatalisis oleh enzim dehidrogenase. Enzim tersebut mentransfer elektron dan proton yang dibebaskan kepada aseptor elektron intermedier seperti NAD+ dan NADP+ untuk dibentuk menjadi NADH dan NADPH. Fosforilasi oksidasi terjadi pada saat elektron yang mengandung energi tinggi tersebut ditranfer ke dalam serangkain transpor electron sampai akhirnya di tangkap oleh oksigen atau oksidan anorganik lainnya sehingga oksigen akan tereduksi menjadi H2O. Adanya tranfer elektron ini mengakibatkan aliran proton (H+) dari sitoplasma ke luar sel. Jadi arah aliran adalah dari dalam ke luar. Hal ini akan menimbulkan peredaan konsentrasi proton atau dikenal dengan gradient pH. Selanjutnya gradien pH bersama dengan potensial membentuk proton motive force (pmf). Kekuatan (protonmotive force) inilah yang menarik proton dari luar sel kembali ke dalam sel. Bersamaan dengan masuknya kembali proton tadi terbentuk energi yang digunakan untuk berbagai aktifitas sel. Pada membran terdapat enzim spesifik disebut dengan ATPase. Energi yang di sebabkan pada saat masuknya kembali proton tadi akan digunakan oleh ATPase untuk forforilasi ADP menjadi ATP. Energi ini di simpan dalam bentuk ikatan fosfat yang selanjutnya dapat di gunakan untuk aktifitas sel.

Ada dua macam energi yang digunakan oleh makhluk hidup.

1. Sinar matahari. Organismanya disebut dengan organism fotosintesis atau di kenal juga dengan organisma fototrofik.

2. Oksidasi senyawa kimia. Organismanya disebut dengan organisme kemosintesis kemotrofik atau autotrofik

Chemotrofik atau Autotrofik Organisme

Seperti halnya organisme fotosintetik, kelompok bacteri ini menggunakan CO2 sebagai sumber korban. Akan tetapi untuk mengubah CO2 menjadi material sel diperlukan energi dan NADPH. Pada bakteri fotosintetik energi dan NADPH ini diperoleh dari sinar matahari, akan tetapi pada organisma kemoutotrofdiperoleh dari oksidasi senyawa kimia. Jadi proses penangkapan energi sama dengan yang terjadi pada fosforilasi oksidatif dimana elektron yang dihasilkan dari oksodasi sulfut, amino dan lain-lain di transfer melalui serangkaian transpor elektron yang menyebabkan keluarnya proton dari sel. Setelah ATP termasuk, pola biosintesis dalam sel analog dengan organism fotosintesis.

Bacteri kemaoautotrof ini dikelompokkan menjadi beberapa generasi berdasarkan pada macam senyawa organik yang dioksidasi sebagai sumber energi.

• Oksidasi sulfur, Thiobacillus

2S + 3O2 + 2H2O ……………… 2H2 SO4

• Oksidasi amonia, Nitrosomonas

2NH4CI + 3O2 ……………… 2HNO2 + 2HCI + 2H2O

• Oksidasi nitrit, Nitrobacter

2NaNO2 + O2 …………………. 2 NaNO3

• Oksidasi Hidrogen

2H2 + O2 ……………… 2H2O

• Oksidasi senyawa mengandung Fe, Siderocapsa

4FeCO3 + O2 + 6H2O…………….. 4Fe (OH)3 + 4CO2

Sebagian besar bakteri kehilangan kemampuan untuk mensintesis protoplasma dari senyawa-senyawa anorganik sehingga bergantung sepenuhnya pada senyawa organik sehingga sebagai makanannya. Organisme yang demikian disebut dengan heterotrof yang artinya ‘ nourish by other, atau makanan disediakan oleh organisme lain, dan tipe nutrisinya di sebut heterotrofik. Akan tetapi perlu diingat bahwa batasan ini sebenarnya tidak begitu tegas. Dan ada beberapa mikroorganisma heterotrof membutuhkan senyawa organik lebih banyak di bandingkan dengan organisme lain.

Berdasarkan sumber korban dan energinya, mikroorganisme dikelompokkan sebagai berikut :

·         Chemoheterotrof Oksidasi senyawa organik+ Senyawa organik

·         Chemoautotrof Oksidasi senyawa anorganik CO2

·         Fotoheterotrof Sinar matahari Senyawa organik

·         Fotoautotrof Sinar matahari CO2

Fermentasi adalah proses yang berlangsung adalam keadaan anaaerob, dimana dalam proses ini tidak melibatkan serangkaian transfer elektron yang dikatalisis oleh enzim yang terdapat dalam membran sel. Dalam hal ini elektron dan proton distranfer langsung dari senyawa yang oksidasi menuju senyawa organic intermediet yang lain yang akhirnya membentuk produk fermentasi yang stabil. Oleh karena itu pada proses fermentasi terjadi akumulasi produk yang organism tidak mampu mengoksidasi oleh lanjut. Selama fermentasi produk intermediet yang terbentuk dari katabolisme senyawa organik seperti glukosa berperan sebagai aseptor elektron terakhir menyebabkan terbentuknya senyawa produk akhir fermentasi yang stabil. Sebagai contoh, pada umumnya mikroorganisme mengubah guka menjadi asam piruvat. Dalam hal ini juga membentuk NHDA dan harus melepaskan elektronnya kepada aseptor jika organisme melakukan metabolisme lebih lanjut. Hal ini dipenuhi dengan cara menggunakan asam pirauvat atau beberapa produk dari asam piruvat sebagai aseptor elekktron terakhir. Hal lain yang perlu diperhatikan adalah dengan tidak adanya transfor elektron selama permentasi ikatan fosfat berenergi tinggi tidak terbentuk melalui fosfolirasi oksidatif melainkan proses yang disebut dengan fosfolirasi subsrat. Dalam hal ini senyawa intermediate diokasidasi, energi yang dilepaskan dikonversi langsung kedalam ikatan yang mengandung energi tinggi. Senyawa yang mengandung senyawa tinggi tersebut selanjutnya dapat ditransfer ke ADP untuk dibentuk menjadi ATP sebagai mana ditunjukkan dalam skema berikut:

 

Jalur-Jalur Fermentasi

Sebagai mana ditujukkan dalam skema di atas, selain menghasilkan asam piruvat sebagai end produk juga dihasilkan 2 melekul NHDH yang harus dioksidasi. Tergantung pada tipe mikroorganismenya asam piruvat (CH3COCOOH) dimetabolisme lebih lanjut untuk menghasilkan produk akhir fermentasi.

Respirasi Mikroba

Respirasi didefenisikan sebagai penggunaan serangkaian transfor electron untuk mentrasnfer elektron menuju aseptor elektron terakhir. Energi diperoleh melalui fosporilasi oksidatif tetapi dalam prosesnya bisa menggunakan oksigen sebagai aseptor elektron terakhir (respirasi aerob) atau senyawa anorganik lain (respirasi anaerob).

Respirasi Aerob

Banyak organisma yangn mampu menggunakan oksigen sebagai aseptor elektron terakhir. Dalam hal ini tidak diperlukan reduksi senyawa intermediator sebagaimana dalam permentasi. Hasilnya senyawa-senyawa intermediate tersebut dapat dioksidasi sempurna menjadi karbon dioksida dan air. Ini merupakan keuntungan yang sangat besar bagi organisme akarena jumlah energi yang dihasilkan dari oksidasi sempurna satu molekul glukosa jauh lebih besar bila dibandingkan melalui fermentasi. Hal ini disebabkan rangka aliran elektron dari NADH ke O2 melalui serangkaian karir Cytocrom menghasilkan 3 ATP. Energi tersebut, bersama dengan energi yang diperoleh dari oksidasi piruvat menjadi asetil COA menghasilkan 36 ATP yang dihasilkan dari metabolisma glukosa menjadi CO2 dan H2O. Jika kita bandingkan dengan dua ATP yang dibentuk dari satu molekul glukosa melalui permentasi alkohol atau asam laktat, maka metabolisme aerob jauh lebih efesien dibanding dengan permentasi.

Bagaimana piruvat diubah menjadi CO2 dan H2O dan bagimana prosses tersebut menghasilkan sejumlah besar energi untuk sel ?. Hal ini dipenuhi melalui proses degradasi disebut tricarboxylic Acid Cycle (TCA Cycle) atau dikenal dengan siklus asam sitrat maupun siklus Krebs. Setiap kali oksalo asetat bergabung dengan asetil COA yang berasal dari Piruvat masuk kedalam siklus akan membentuk senyawa 6 karbon yang dikenal dengan asam sitrat sehingga dinamakan siklus asam sitrat. Dalam setiap putaran menghasilkan serangakaian oksidasi menyebabkan terjadinya reduksi NAD atau FAD dan membebaskan 2 molekul CO2. jadi senyawa 6 karbon asam sitrat kembali ke bentuk semula yaitu senyawa 4 karbon oksalo asetat yang siap bergabung kembali dengan asetat / astil COA. Akhirnya semua senyawa NADH dan FADH mengalami posforilasi oksidatif dengan melepaskan elektron melalui serangkain cyticrom ke oksigen menghasilkan air dan 3 molekul ATP untuk setiap pasang elektron dari NADH.

 

Jumlah energi yang diperoleh dari permentasi dan respirasi dari satu molekul glokosa adalah sebagai berikut :

·         Glikolisis Anaerob / Fosforilasi sub srat 2 ATP

·         Metabolisme Aerob / Fosforilasi oksidatif :

·         Dari glikosis 6 ATP

·         Metabolisma asrtil COA (2NADH) 6 ATP

·         TCA cycle;

·         Metabolisma suksinil COA 2 ATP

·         Oksidasi 6 NADH 18 ATP

·         Oksidasi 2 FADH 4 ATP

·         Total Energi 38 ATP

Respirasi Anaerob

Disamping metabolisma aerob, dan permentasi terdapat metabolisma lain yang pada umumnya bersifat anarob. Akan tetapi mikro organisma tersebut tidak melakukan permentasi. Bakteri tersebut menggunakan senyawa anorganik sebagai aseptor elektron terakhirnya. Organisma tersebut dapat dibagai dalam 3 kelompok yaitu : reduser sulfat, reduser nitrat dan bakteri metan. Yang perlu diingat bahwa, meskipun tipe metabolismenya adalah anaerob, elektron yang dibebaskan melalui reaksi oksidasi ditrasnsfer melalui serangkaian ternasfer elektron dan energy dihasilkan melalui fosforilasi oksidatif. Letak perbedaan antara resfirasi aerob dan anerob adalah bahwa pada respiriasi anaerob yang berperan sebagai aseptor elektron terkahir adalah senyawa anorganik, bukan oksigen.

Glikolisis adalah serangkaian reaksi biokimia di mana glukosa dioksidasi menjadi molekul asam piruvat. Glikolisis adalah salah satu proses metabolisme yang paling universal yang kita kenal, dan terjadi (dengan berbagai variasi) di banyak jenis sel dalam hampir seluruh bentuk organisme. Proses glikolisis sendiri menghasilkan lebih sedikit energi per molekul glukosa dibandingkan dengan oksidasi aerobik yang sempurna. Energi yang dihasilkan disimpan dalam senyawa organik berupa adenosine triphosphate atau yang lebih umum dikenal dengan istilah ATP dan NADH.

CHEMIOSMOSIS

Secara definisi kemiosmosis adalah difusi ion yang melewati suatu membran. Proses ini berhubungan dengan pembentukan ATP karena pergerakan ion hidrogen yang melewati membran. Ion hidrogen atau proton akan mengalami difusi dari tempat yang konsentrasi ion nya tinggi ke tempat yang konsentrasi ion nya rendah. Proses ini disebut kemiosmosis karena mirip dengan terjadinya osmosis, yaitu difusi air melewati membran.

Teori ini pertama kali dikemukakan oleh Peter D. Mitchel pada tahun 1961. Teori kemiosmosis menyatakan bahwa sebagian besar pembentukan ATP dalam proses respirasi sel berasal dari gradien elektrokimia yang melewati membran mitokondria sebelah dalam dengan menggunakan energi dari NADH dan FADH2 yang merupakan hasil dari pemecahan molekul kaya energi, misalnya glukosa.

Teori tersebut menerangkan bahwa molekul glukosa dimetabolisme untuk memproduksi asetil koA sebagai zat antara yang kaya energi. Oksidasi asetil koA dalam matriks mitokondria terjadi karena adanya reduksi dari molekul pembawa, seperti NADH dan FADH. Molekul pembawa melepas elektron ke rantai transpor elektron di dalam membran mitokondria sebelah dalam. Energi yang dilepaskan karena adanya perpindahan elektron di dalam rantai elektron digunakan untuk memompa proton dari matriks melewati membran mitokondria sebelah dalam, sehingga terbentuk energi yang tersimpan dalam gradien elektrokimia antar membran. Proton‐proton tersebut kembali melewati membran mitokondria sebelah dalam melalui enzim ATP synthase. Aliran proton yang terjadi melalui membran mitokondria sebelah dalam ke dalam matriks melalui ATP synthase, menyediakan energi yang cukup untuk menggabungkan ADP dengan fosfat anorganik sehingga terbentuklah ATP.