METABOLISME MIKROBA

TUGAS MIKROBIOLOGI DASAR

METABOLISME MIKROBIA

Di susun untuk melengkapi tugas

mata kuliah Mikrobiologi Dasar oleh Ir. Darius, M. Biotech

ACHMAD FATHONY

105080301111043

KELAS G

 

FAKULTAS PERIKANAN DAN ILMU KELAUTAN

UNIVERSITAS BRAWIJAYA

MALANG

2011

Kelompok Mikrobia

Bakteri adalah organisme mikro dan tidak dapat dilihat dengan mata telanjang. Keberadaan bakteri umumnya bersifat merugikan organisme lainnya yang dikenal dengan istilah patogen, seperti: Escherichia coli, Vibrio sp, Shalmonella sp dan sebagainya. Bakteri ini banyak ditemukan hampir diseluruh media/tempat seperti: tanah, udara, air, di tubuh makhluk hidup dan sebagainya.

Menurut cara memperoleh makanan, bakteri dapat dikelompokkan menjadi bakteri heterotrof dan bakteri autotrof

1 ) Bakteri Heterotrof

Bakteri heterotrof adalah bakteri yang hidup dan memperoleh makanan dari lingkungannya karena tidak dapat membuat makanan sendiri. Bakteri ini dapat hidup secara saprofit dan parasit.

Bakteri saprofit adalah bakteri yang hidup pada jasad yang sudah mati, misalnya, sampah, bangkai, atau kotoran. Bakteri ini sering disebut sebagai bakteri pembersih karena dapat menguraikan sampah-sampah organik sehingga menguntungkan bagi manusia, contohnya,bakteri Eschericia coli yang berperan sebagai pembusuk sisa makanan dalam usus besar dan bakteri Lactobacillus garicus yang berperan dalam pembuatan yogurt.

Bakteri parasit adalah bakteri yang hidup menumpang pada makhluk hidup lain. Bakteri ini biasanya bersifat merugikan makhluk hidup yang ditumpanginya karena dapat menimbulkan penyakit. Contoh penyakit yang disebabkan oleh bakteri ini, antara lain, kolera disebabkan oleh bakteri Vibrio cholerae, TBC disebabkan oleh bakteri Mycobacterium tuberculosis, disentri disebabkan oleh bakteri Shigella dysenterriae, sifilis disebabkan oleh bakteri Treponema pallidum, dan radang paruparu (pneumoniae) disebabkan oleh bakteri Diplococcus pneumoniae. Penularan penyakit yang disebabkan oleh bakteri dapat melalui makanan, minuman, pernapasan, ataupun kontak langsung dengan penderita, baik secara langsung maupun tidak langsung.

Berdasarkan asal energi yang digunakan, bakteri heterotrof dapat dibedakan menjadi dua, yaitu bakteri yang bersifat fotoheterotrof dan bakteri yang bersifat kemoheterotrof. Bakteri fotoheterotrof adalah bakteri yang sumber energinya berasal dari cahaya matahari, dan sumber karbonny berasal dari bahan-bahan kimia organik seperti lignin, monomer, dan komponen-komponen organik lainnya. Sedangkan bakteri kemoheterotrof, baik sumber energy maupun sumber karbonnya berasal dari komponen-komponen organic.

2 ) Bakteri Autotrof

Bakteri autotrof adalah bakteri yang dapat membuat makanannya sendiri. Berdasarkan asal energi yang digunakan, bakteri autotrof dapat dibedakan menjadi dua, yaitu bakteri yang bersifat kemoautotrof dan bakteri yang bersifat fotoatotrof. Bakteri kemoautotrof adalah bakteri yang membuat makanannya dengan bantuan energi yang berasal dari reaksi-reaksi kimia, misalnya, proses oksidasi senyawa tertentu, serta sumber karbon dari CO2. Contohnya, bakteri nitrit dengan mengoksidkan NH3, bakteri nitrat dengan mengoksidkan HNO2, bakteri belerang dengan mengoksidkan senyawa belerang, Nitosococcus, dan Nitrobacter. Bakteri fotoautotrof adalah bakteri yang membuat makanannya dengan bantuan energi yang berasal dari cahaya matahari, dan sumber karbon yang berasal dari CO2. Bakteri ini adalah bakteri yang mengandung zat warna hijau sehingga dapat melakukan fotosintesis, seperti tumbuhan hijau. Contohnya bakteri-bakteri yang mempunyai zat warna, antara lain, dari golongan Thiorhodaceae (bakteri belerang berzat warna).

Berdasarkan kebutuhan akan oksigen, respirasi internal bakteri dibagi menjadi respirasi aerobik (memerlukan oksigen) dengan tiga tahap yaitu glikolisis, siklus  Krebs, dan transpor elektron serta respirasi anaerobik (tidak membutuhkan oksigen) yang  menghasilkan fermentasi alkohol, asam laktat, atau asam sitrat.

1 ) Bakteri Aerob
Bakteri aerob adalah bakteri yang hidupnya memerlukan oksigen bebas. Bakteri yang hidup secara aerob dapat memecah gula menjadi air, CO2, dan energy berupa ATP, NADH, FADH, dan sebagainya. Bakteri aerob secara obligat adalah bakteri yang mutlak memerlukan oksigen bebas dalam hidupnya, misalnya, bakteri Nitrosomonas.

2 ) Bakteri Anaerob
Bakteri anaerob adalah bakteri yang dapat hidup tanpa oksigen bebas, misalnya, bakteri asam susu, bakteri Lactobacillus bulgaricus, dan Clostridium tetani. Metabolisme bakteri anaerob akan menghasilkan produk-produk fermentasi seperti asam, alcohol, CO2 dan sebagainya. Jika bakteri tersebut dapat hidup tanpa kebutuhan oksigen secara mutlak atau dapat hidup tanpa adanya oksigen, bakteri itu disebut bakteri anaerob fakultatif.

Metabolisme - Katabolisme

Metabolisme adalah segala  reaksi kimia yang berlangsung dalam tubuh makhluk hidup untuk mempertahankan hidupnya. Metabolisme terbagi menjadi 2 bagian, yaitu anabolisme dan katabolisme.

Anabolisme adalah reaksi kimia yang memerlukan energi untuk membentuk senyawa kompleks dari senyawa sederhana. Pada tumbuhan, anabolisme berupa peristiwa fotosintesis dan  kemosintesis. Fotosintesis adalah peristiwa  penyusunan zat organik (gula) dari zat anorganik (air, karbon dioksida) dengan pertolongan energi cahaya. Kemosintesis merupakan proses penyusunan bahan organik menggunakan energi pemecahan senyawa kimia. Kemosintesis dilakukan oleh mikroorganisme seperti bakteri belerang (Begiota, Thiotrix), bakteri nitrit (Nitrosomonas), bakteri nitrat (Nitrosobacter), dan bakteri besi (Cladotrix). Pada peristiwa anabolisme terjadi suatu siklus yang memperlihatkan hubungan antara lingkungan abiotik dengan dunia kehidupan, seperti: daur nitrogen, daur karbon dan oksigen, daur air, daur belerang dan daur fosfor.

Katabolisme adalah reaksi kimia yang menghasilkan energi dengan memecah senyawa kompleks menjadi senyawa sederhana denagn bantuan enzim. Dalam tubuh organisme, terdapat ribuan proses kimia yang berlangsung melibatkjan ribuan enzim. Karena itu, produk suatu enzim bisa menjadi substrat bagi enzim lainnya. Semua reaksi kimia dalam organisme hidup diatur dengan mengatur kerja katalisator.

Berdasarkan kebutuhan akan oksigen, respirasi internal dibagi menjadi respirasi aerobik (memerlukan oksigen) dengan tiga tahap yaitu glikolisis, siklus  Krebs, dan transpor elektron serta respirasi anaerobik (tidak membutuhkan oksigen) yang  menghasilkan fermentasi alkohol, asam laktat, atau asam sitrat.

Glikolisis

a.        Proses Glikolisis

Tahap awal metabolisme konversi glukosa menjadi energi di dalam tubuh akan berlangsung secara anaerobik melalui proses yang dinamakan Glikolisis. Proses glikilisis berlangsung di dalam sitoplasma. Glikolisis berlangsung dengan mengunakan  bantuan 10 jenis enzim yang berfungsi sebagai katalis di dalam sitoplasma yang terdapat pada sel  eukaryotic. Inti dari keseluruhan proses Glikolisis adalah untuk mengkonversi glukosa menjadi produk akhir berupa piruvat.

Pada proses Glikolisis, 1 molekul glukosa yang memiliki 6 atom karbon pada rantainya (C612O6 ) akan terpecah menjadi produk akhir berupa 2 molekul piruvat (pyruvate) yang memiliki 3 atom karbom (C3H3O3). Proses ini berjalan melalui beberapa tahapan reaksi yang disertai dengan terbentuknya beberapa senyawa antara seperti Glukosa 6-fosfat dan Fruktosa 6-fosfat.

Selain akan menghasilkan produk akhir berupa molekul piruvat, proses glikolisis ini juga akan menghasilkan molekul ATP serta molekul NADH (1 NADH3 ATP). Molekul ATP yang terbentuk ini kemudian akan diekstrak oleh sel-sel tubuh sebagai komponen dasar sumber energi. Melalui proses glikolisis ini 4 buah molekul ATP & 2 buah molekul NADH (6 ATP) akan dihasilkan serta pada awal tahapan prosesnya akan mengkonsumsi 2 buah molekul ATP sehingga total 8 buah ATP akan dapat terbentuk.

b.       Respirasi Selular

Tahap metabolisme energi berikutnya akan berlangsung pada kondisi aerobik dengan mengunakan bantuan oksigen (O2). Bila oksigen tidak tersedia maka molekul piruvat hasil proses glikolisis akan terkonversi menjadi asam laktat, dengan kata lain sama dengan kondisi an aerobik. Dalam kondisi aerobik, piruvat hasil proses glikolisis akan teroksidasi menjadi produk akhir berupa H2O dan C2O di dalam tahapan proses yang dinamakan respirasi selular. Proses respirasi selular ini terbagi menjadi 3 tahap utama yaitu produksi Acetyl-CoA, proses oksidasi Acetyl-CoA dalam siklus asam sitrat (Citric-Acid

Cycle) serta Rantai Transpor Elektron (Electron Transfer Chain/Oxidative Phosphorylation).

Tahap kedua dari proses respirasi selular yaitu Siklus Asam Sitrat merupakan pusat bagi seluruh aktivitas metabolisme tubuh. Siklus ini tidak hanya digunakan untuk memproses karbohidrat namun juga digunakan untuk memproses molekul lain seperti protein dan juga lemak. Siklus Asam Sitrat (Citric Acid Cycle) berfungsi sebagai pusat metabolisme tubuh.

a.        Produksi acetyl-CoA / Proses Konversi Pyruvate

Sebelum memasuki Siklus Asam Sitrat (Citric Acid Cycle) atau Lingkaran Asam Trikarboksilat (LAT) atau Tri Carboxylic Acid (TCA) Cycle molekul piruvat akan teroksidasi terlebih dahulu di dalam mitokondria menjadi Acetyl-Coa dan CO2. Proses ini berjalan dengan bantuan multi enzim pyruvate dehydrogenase complex (PDC) melalui 5 urutan reaksi yang melibatkan 3 jenis enzim serta 5 jenis coenzim. 3 jenis enzim yang terlibat dalam reaksi ini adalah enzim Pyruvate Dehydrogenase (E1), dihydrolipoyl transacetylase (E2) & dihydrolipoyl dehydrogenase (E3), sedangkan coenzim yang telibat dalam reaksi ini adalah TPP, NAD+, FAD, CoA & Lipoate. Proses konversi piruvat tidak hanya  akan menhasilkan CO dan Acetyl-CoA namun juga akan menghasilkan produk samping berupa NADH2 yang memiliki nilai energi ekivalen dengan 3xATP.

b.        Proses oksidasi Acetyl-CoA (Citric-Acid Cycle)

Molekul Acetyl CoA yang merupakan produk akhir dari proses konversi Pyruvate kemudian akan masuk kedalam Siklus Asam Sitrat (TCA Cycle). Secara sederhana persamaan reaksi untuk 1 Siklus Asam Sitrat (Citric Acid

Cycle/TCA Cycle) dapat dituliskan :

Acetyl-CoA + oxaloacetate + 3 NAD + GDP + Pi +FAD --> oxaloacetate + 2 CO + FADH + 3 NADH + 3 H + GTP

Siklus ini merupakan tahap akhir dari proses metabolisme energi glukosa. Proses

konversi yang terjadi pada siklus asam sitrat berlangsung secara aerobik di dalam mitokondria dengan bantuan 8 jenis enzim. Inti dari proses yang terjadi ada siklus ini adalah untuk mengubah 2 atom karbon yang terikat didalam molekul Acetyl-CoA menjadi 2 molekul karbon dioksida (CO2), membebaskan koenzim A serta memindahkan energi yang dihasilkan pada siklus ini ke dalam senyawa NADH, FADH2 dan GTP. Selain menghasilkan CO2 dan GTP, dari persamaan reaksi dapat terlihat bahwa satu putaran Siklus Asam Sitrat juga akan menghasilkan molekul NADH & molekul FADH2. Untuk melanjutkan proses metabolisme energi,nkedua molekul ini kemudian akan diproses kembali secara aerobik di dalam membran sel mitokondria melalui proses Rantai Transpor Elektron (Electron Transport Chain (ETP)) untuk menghasilkan produk akhir berupa ATP dan air (H2O).

c.         Proses /Rantai Transpor Elektron/ Electron Transport Chain (ETP) dan Proton Motive Force

            Proses konversi molekul FADH2 dan NADH yang dihasilkan dalam siklus asam sitrat (citric acid cycle) menjadi energi dikenal sebagai proses fosforilasi oksidatif (oxidative phosphorylation) atau juga Rantai Transpor Elektron (electron transport chain) yang terjadi di dalam membran antara sitoplasma dan periplasma. Di dalam proses ini, elektron-elektron yang terkandung didalam molekul NADH2 & FADH ini akan dipindahkan ke dalam aseptor utama yaitu oksigen (O2). Pada akhir tahapan proses ini, elektron yang terdapat di dalam molekul NADH akan mampu untuk menghasilkan 3 buah molekul ATP sedangkan elektron yang terdapat dalam molekul FADH2 akan menghasilkan 2 buah molekul ATP. Dalam proses ini juga terjadi pemompaan elektron dari NADH disertai dengan atom hidrogen ke luar membran plasma.

            Bersamaan dengan terjadinya ETC, terjadi pula proses yang disebut Proton Motive Force (PMF). Dalam proses ini terjadi perpindahan proton Hidrogen (H+) berkonsentrasi tinggi yang berada di luar membran plasma sebelumnya telah dipompakan dari dalam sitoplasma kembali masuk ke dalam sitoplasma dengan bantuan enzim ATP Synthase. Pergerakan proton yang masuk kembali ke dalam sitoplasma tersebut dimanfaatkan sebagai energi untuk membentuk ATP dari ADP + Pi.

Energi Metabolisme Glukosa

Secara keseluruhan proses metabolisme Glukosa akan menghasilkan produk samping berupa karbon dioksida (CO2) dan air (H2O). Karbon dioksida dihasilkan dari siklus Asam Sitrat sedangkan air (H2O) dihasilkan dari proses rantai transport elektron. Melalui proses metabolisme, energi kemudian akan dihasilkan dalam bentuk ATP dan kalor panas. Terbentuknya ATP dan kalor panas inilah yang merupakan inti dari proses

metabolisme energi. Melalui proses Glikolisis, Siklus Asam Sitrat dan proses Rantai Transpor Elektron, sel-sel yang tedapat di dalam tubuh akan mampu untuk mengunakan dan menyimpan energi yang dikandung dalam bahan makanan sebagai energi ATP. Secara umum proses metabolisme secara aerobik akan mampu untuk menghasilkan energi yang lebih besar dibandingkan dengan proses secara anaerobik. Dalam proses metabolisme secara aerobik, ATP akan terbentuk sebanyak 36 buah sedangkan proses anaerobik hanya akan menghasilkan 2 buah ATP. Ikatan yang terdapat dalam molekul ATP ini akan mampu untuk menghasilkan energi sebesar 7.3 kilokalor per molnya.

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.

Fosforilasi atau pembentukan ATP yang melibatkan peristiwa kemiosmosis terjadi pada mitokondria dan kloroplas. Di dalam sel, peristiwa kemiosmosis melibatkan proton motive force (PMF). PMF diawali oleh proses terjadinya pergerakan elektron pada rantai transpor elektron. Elektron pada rantai transpor elektron digerakkan dengan adanya pelepasan elektron. Elektron tersebut dapat berasal dari NADH atau FADH2 yang tereduksi apabila fosforilasi terjadi pada mitokondria sedangkan pada kloroplas, energi cahaya memecah molekul air menjadi ion H+ dan oksigen dan juga melepas elektron. Pergerakan elektron tersebut menimbulkan energi dan energi tersebut digunakan sebagai pemompa proton. Proton bergerak dari dalam membran ke membran antara di dalam sel mitokondria atau kloroplas. Pergerakan proton ke luar membran menyebabkan konsentrasi tinggi pada partikel ion positif, menyebabkan perbedaan konsentrasi antara di dalam dan di luar membran. Perbedaan ini menghasilkan gradien elektrokimia. Gradien tersebut menghasilkan perbedaan tingkat pH dan juga perbedaan tingkat muatan listrik. Kedua perbedaan inilah yang disebut PMF. Maka setelah terjadi PMF bergeraklah proton dari konsentrasi ion H+ yang tinggi ke ion H+ yang rendah atau bisa disebut dengan difusi ion. Maka terjadilah aliran proton. Aliran proton ini hanya dapat masuk ke dalam membran melalui enzim ATP synthase yang membawa cukup energi untuk menggabungkan ADP dan fosfat anorganik maka terbentuklah ATP.

Respirasi Aerob
Proses repirasi disebut aerob karena dibutuhkan oksigen sebagai akseptor elektron, selain itu disebut respirasi anaerob atau fermentasi. Respirasi aerob terdapat 4 tahap utama yaitu Glikolisis, Dekarboksilasi Oksidatif, Siklus Krebs dan Transpor Elektron.

Respirasi Anaerob dan Fermentasi

Jika tak ada oksigen, sel tidak memliki akseptor elektron alternatif untuk memproduksi ATP, sehingga terpaksa elektron yang didapatkan dari glikolisis diangkut oleh senyawa organik, proses ini disebut fermentasi.

Fermentasi alkohol dilakukan oleh ragi dengan cara melepaskan gugus Co2 dari piruvat melalui dekarboksilasi dan menghasilkan molekul 2 karbon, asetaldehida. Asetaldehida kemudia menerima elektron dari NADH sehingga berubah menjadi etanol. Fermentasi alkohol dilakukan oleh tumbuhan.

Fermentasi asam laktat dilakukan oleh sel hewan dengan cara mentransfer elektron dari NADH kembali ke piruvat sehingga dihasilkan asam laktat yang menyebabkan pegal-pegal.

            Kondisi aerob dan anaerob berhubungan dengan proses yang berlangsung di dalam dan luar sitoplasma. Proses yang berlangsung di dalam sitoplasma atau dalam substrat disebut Substat Level Phosphorilation, sedangkan proses yang berlangsung di luar sitoplasma Oxidative Phosphorilation.

Substat Level Phosphorilation

            Di dalam sitoplasma, yaitu pada kondisi anaerob terjadi peristiwa Glikolisis, di mana terjadi perombakan senyawa-senyawa kompleks menjadi senyawa yang lebih sederhana seperti protein menjadi asam amino, karbohidrat menjadi glukosa dan sebagainya (terjadi katabolisme) kemudian bereaksi membentuk asam piruvat kemudian memasuki Siklus Asam Tri Karboksilat (TCA Cycle) di luar membran plasma (periplasma). Dari proses metabolisme ini dihasilkan energi berupa 2 ATP.

Oxidative Phosphorilation

            Proses ini terjadi di dalam periplasma di luar membran plasma pada kondisi aerob atau terdapat oksigen sehingga disebut Oxidative Phosphorilation. Pada Oxidative Phosphorilation terjadi peristiwa TCA Cyle atau Siklus Asam Tri Karboksilat (TCA Cycle) di mana dihasilkan energi berupa NADH, FADH2, dan GTP yang nilainya merupakan kelipatn dari nilai ATP. Selanjutnya akan terjadi peristiwa ETC dan PMF dengan bantuan enzim ATPase yang akan menghasilkan energi berupa ATP.