Download Metabolisme 3

III
Kuliah
ke-IV
Kuliah
ke IV & V
m.k. DASAR REKAYASA BIOPROSES TIN 221
METABOLISME II
(KATABOLISME & ANABOLISME)
DEPARTEMEN TEKNOLOGI INDUSTRI PERTANIAN
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
2012
KONTROL PROSES METABOLISME
Penting dipahami untuk melakukan optimasi
pengembangan industri bioproses
Fluks Metabolisme
 Laju perpindahan senyawa antara (intermediate)
sepanjang lintasan metabolisme.
 Laju bervariasi tergantung aktivitas enzim, sehingga
identifikasi enzim kunci yang mengontrol laju aliran
karbon dll untuk sintesis berbagai produk sangat
penting dlm. meningkatkan produktivitas
Pemahaman tentang bagaimana pengaturan sintesis/
aktivitas enzim sangat penting dalam rekayasa bioproses
Cara Pengontrolan Metabolisme :
1. Pengaturan Pengambilan Nutrien
- Kontrol metabolisme diawali dengan pengaturan pengambilan
(up-take) nutrien dari lingkungan sekeliling oleh sel
 transportasi melewati membran sitoplasma
Kebanyakan nutrien diambil dengan mekanisme transpor
spesifik yang terkontrol, kecuali oksigen dan sedikit senyawa C
lain, sehingga setelah jumlah nutrien mencukupi, proses
pengambilan nutrien berhenti.
- Laju pengambilan (konsumsi) sumber karbon (glukosa) dapat
menjadi proses pembatas untuk pertumbuhan sel  perlu
diperhatikan saat akan meningkatkan produktivitas bioproses !
Substrate-limited growth of microorganisms
(sbli.ls.manchester.ac.uk)
Kultur Curah
(Batch)
Molekul senyawa masuk sel melalui membran
sitoplasma dengan cara :
1). Mekanisme Tak Tergantung Energi
a). Difusi Pasif
b). Difusi terfasilitas
2). Mekanisme Tergantung Energi
a). Transpor Aktif
b). Translokasi Grup
 Baca materi kuliah terkait
2. Kompartemenisasi Lintasan Metabolisme
- Bentuk sederhana kontrol metabolisme adalah penggunaan
kompartemen (organel) di dalam sel, sehingga akumulasi
metabolit tertentu terpisah  organel digunakan untuk
mengontrol reaksi di dalam sel
Contoh :
 Siklus Krebs yang terjadi pada mitokondria eukariota yang
terpisah dari glikolisis (dalam sitoplasma)
 Lokasi biosintesis asam lemak eukariota (dalam sitoplasma)
terpisah dari lokasi degradasinya (organel peroxisome)
- Bakteri (prokariot) tidak mepunyai kompartemenisasi, sehingga
menggunakan cara lain untuk pengontrolan metabolismenya
e.g RTE (rantai transpor elektron) pada membran sitoplasma
Eukariot menggunakan organel untuk mengkompartemenisasi lintasan metabolisme, sehingga lintasan
metabolisme terjadi pada lokasi spesifik, yaitu :
Mitochondria – Siklus Krebs, RTE/Fosforilasi Oksidatif,
 “The Power house of the Cell”, katabolisme asam amino.
Sitosol/
– Glikolisis, Lintasan Pentosa Fosfat,
Sitoplasma biosintesis asam lemak, glukoneogenesis.
Nukleus
– replikasi DNA, transkripsi, produksi RNA
Lisosom
– Digesti enzimatik senyawa dalam sel
(protein, lemak dll)
Apparatus Golgi – modifikasi “Post translational” (modifikasi
kimia) membran dan protein, pembentukan
membran plasma dan alat pengeluaran.
Rough Endoplasmic Reticulum (di lapisan ribosom) –
Sintesis “membrane-bound and secretory proteins”.
Smooth Endoplasmic Reticulum – biosintesis lipida dan
steroid.
Peroxisome – reaksi oksidatif melibatkan enzim oksidase
dan katalase (yang mengubah peroksida
menjadi O2 dan H2O) dan penting pada
metabolism/degradasie lemak
(cari gambar Apparatus Golgi)
,
(Source : Lecture 5: Cells: Structure & Function)
3. Kontrol Sintesis Enzim
- Enzim di dalam sel terdapat secara : konstitutif (ada pada
setiap saat) dan yang lain ada bila diperlukan (induksi) atau
bila tidak dibutuhkan lagi akan hilang (represi)
- Induksi dan represi diatur oleh gen yang mengkode sintesis
protein :
transkripsi DNA  mRNA  translasi  sintesis protein
Represi Katabolit
Penurunan relatif laju sintesis suatu enzim spesifik,
karena ada sumber karbon yang lebih dapat diasimilasi
(glukosa)
= Efek Glukosa
Contoh :
Bila mikroba menjumpai dua sumber karbon (glukosa dan
laktosa), maka yang akan dikonsumsi lebih dulu adalah
sumber karbon yang paling disukai (glukosa), baru setelah itu
mengkonsumsi sumber karbon lainnya (laktosa). Glukosa
menekan sintesisi enzim laktase  terjadi pertumbuhan
sekuensial = “Pertumbuhan Diauksik”
Selain sumber karbon, sumber nitrogen, fosfat dan
sulfur dapat menyebabkan represi katabolit
Keuntungan : sel dapat menggunakan substrat yang paling
berguna untuk memproduksi energi dan menghasilkan
metabolit
4. Modifikasi Aktifitas Enzim
Aktifitas enzim yang telah disintesis dapat diatur dengan
berbagai cara :
a. Modifikasi “Post-Transcriptional” (modifikasi kimia)
Enzim yang telah disintesis dimodifikasi menjadi aktif
atau inaktif dengan mengkonversi melalui fosforilasi
molekul enzim
b. Pengaruh Efektor (Penghambatan Umpan Balik)
A  B  C  C  D  E
--
Konsentrasi produk akhir yang tinggi dapat menyebabkan
represi sintesis enzim pada lintasan metabolisme
 respon cepat thd akumulasi produk akhir yang tinggi
yang dapat menyebabkan metabolisme terganggu
KATABOLISME
Pada mikroba dikenal 4 jalur pemecahan glukosa
menjadi asam piruvat
1. Jalur Embden-Meyerhof Parnas (EMP) atau Glikolisis
 eukariota (fungi) & prokariota (kebanyakan bakteri)
2. Jalur Heksosamonofosfat (HMF) = Pentosa Fosfat =
Fosfoglukonat  bakteri, berbagai organisme
3. Jalur Entner-Doudoroff (ED)
 beberapa bakteri, contoh : Zymomonas mobilis
penghasil etanol; bakteri asam laktat (homolaktat)
4. Jalur Fosfoketolase (FK)
 bakteri asam laktat heterolaktat
1. Jalur Embden-Meyerhof Parnas (EMP) atau Glikolisis
• Merupakan tahap awal respirasi selular
• 2 tahap : 1). tahap persiapan (memerlukan energi)/ATP &
2). tahap menghasilkan energi/ATP
• Proses ini tidak tergantung oleh adanya oksigen (lihat lintasan)
• Setelah glikolisis selesai, dihasilkan :
 respirasi aerob (Siklus Krebs &
Rantai Transpor Elektron)
Tak ada oksigen  respirasi anaerob /fermentasi
Ada oksigen
As. Piruvat
Substrat :
- Glukosa : masuk ke sel  difosforilasi (glukosa-6-fosfat)
- Fruktosa : fruktosa + ATP
fruktosa-6-fosfat + ADP
- Galaktosa : galaktosa + ATP
galaktosa-1-fosfat + ADP
galaktosa-1-fosfat + UDP-glukosa 
glukosa-1-fosfat + UDP-galaktosa
glukosa-6-fosfat
Jalur Embden-Meyerhof Parnas (EMP) atau Glikolisis
Heksokinase
Glu-6 fosfat isomerase
Terjadi dlm
sitoplasma
&
tidak butuh O2
Net : 2 ATP
Fosfofrukto kinase
(PEP)
Jalur Embden-Meyerhof Parnas (EMP) atau Glikolisis
Merupakan reaksi konsekutif :
1. Fosforilasi I glukosa oleh ATP; isomerisasi dan Fosforilasi II
membentuk fruktosa-1,6 difosfat dan 2 ADP
2. Pemecahan fruktosa-1,6 difosfat membentuk 2 mol triosafosfat
3. Oksidasi 3-fosfo-gliseraldehida dg reduksi NAD NADH2 dan
pengambilan fosfat anorganik (Pi )  pembentukan ikatan berenergi
tinggi pd 1,3-difosfo-gliserat
4. Pemindahan P dari 1,3-difosfo-gliserat ke ADP  ATP
5. Isomerisasi 3-fosfo-gliserat, diikuti dg dehidrasi membentuk P pd
fosfo-enol-piruvat
6. Pemindahan P pd fosfo-enol-piruvat (PEP) ke ADP dan membentuk
piruvat dan ATP
Diperlukan 2 ATP  hasil 4 ATP (net 2 ATP) & 2 NADH2
Piruvat  menjadi senyawa awal dalam proses sintesis selanjutnya
Contoh :  asam laktat, etanol dll.
Pemanfaatan Produk Lintasan EMP :
Produk Akhir
- Piruvat : diproses lebih lanjut (tergantung ada/tidak O2)
- NADH2 : “electron carrier”, dioksidasi lebih lanjut pada
respirasi atau fermentasi
Produk Antara  prekursor untuk biosintesis
- glukosa-6-fosfat : prekursor polisakarida, pentosa fosfat dan
asam amino aromatik (fenilalanin, tirosin, triptofan)
- Fruktosa-6-fosfat : prekursor glikoprotein
- Dihidroksi aseton fosfat : prekursor fosfolipida
- 3-fosfo gliserat : prekursor asam amino (glisin, serin, sistein)
- PEP : prekursor asam amino aromatik dan lisin
Aplikasi Metabolit Lintasan EMP
- Eukariota (khamir, kapang)
 Pembuatan minuman beralkohol, roti dan keju
 Khamir Saccharomyces cerevisiae etanol + CO2.
 Pangan & minuman, bahan bakar & pelarut industri
(etanol, isopropanol , aseton dll)
 Diagnostic microbiologists  contoh : test
kemampuan mikroba (contoh khamir) untuk
memfermentasi gula dalam identifikasi s.d tingkat
genus
- Bakteri :
* Produksi asam laktat (bakteri homolaktat)
* Produksi asam lemak, alkohol & gas
Contoh FERMENTASI
Sumber :
210.36.18.48/gxujing
pin/dwwswx/ppt/6.ppt
(Sumber © Kenneth Todar, PhD : Online Textbook of Bacteriology)
Bakteri Asam laktat  Homolactic (Lintasan EMP)
Bila banyak glukosa & oksigen terbatas :
1 mol glukosa pada lintasan EMP  2 mol piruvat  2 mol
lactic acid + 2 mol ATP
Genus Homolactic LAB : Lactococcus, Enterococcus,
Streptococcus, Pediococcus, Lactobacillus etc.
yogurt, buttermilk, sour cream, cottage cheese, cheddar
cheese, dan kebanyakan “fermented dairy products”.
2. Jalur Heksosamonofosfat (HMF) = Pentosa Fosfat =
Fosfoglukonat
Glikolisis
Peranan Lintasan HMF / Pentosa Fosfat
• Memproduksi NADPH2  “electron carrier”, digunakan
pada biosintesis asam lemak, steroid dan deoksiribonukleotida
• Sumber gula pentosa (ribosa) unt sintesis nukleotida dan
asam nukleat
• Sumber eritrosa-4-fosfat, suatu prekursor asam amino
dan senyawa fenolik (lignin, tanin, antosianin)
• Tidak menghasilkan energi secara langsung, tetapi NADPH2
yang terbentuk jika masuk ke dalam Rantai Transpor Elektron
 terbentuk ATP
 Lintasan dpt digunakan untuk substrat gula pentosa yg
banyak terkandung pd pakan ternak (hemiselulosa, xylan,
pektin, asam nukleat)
Kaitan Glikolisis dgn Jalur Heksosamonofosfat (HMF /
Pentosa Fosfat )
Heterofermentative LAB : Lintasan Pentosa Fosfat
- Mempunyai enzim fosfoketolase : mengubah pentosa
fosfat (xylulose- 5-fosfat) gliseraldehid-3-fosfat + asetil
fosfat
- Glukosa  glukosa-6-fosfat  6-fosfoglukonat 
Xylulose-5-fosfat  gliseraldehid fosfat + asetil fosfat
*Gliseraldehid fosfat  asam laktat
*Asetil fosfat  etanol dan asam asetat
Contoh bakteri : Leuconostoc, Oenococcus, Weissella
 Pembuatan : kefir, sauerkraut
Metabolisme Glukosa oleh Heterolactic  Lintasan Pentosa Fosfat
Lactobacilli
Glucose -------> Lactic acid + ethanol + CO2 + 1 ATP (net).
3. Jalur Entner-Doudoroff (ED)
Mikroba tak punya enzim
fosfofruktokinase
(KDPG)
Jalur Entner-Doudoroff (ED)
Tahapan reaksi :
* Aktivasi glukosa oleh ATP
* Oksidasi gugus aldehid pada glukosa-6-fosfat membentuk
6-fosfo-glukonat dan reduksi NADP  NADPH2
* Dehidrasi 6-fosfo-glukonat membentuk 2-keto-3-deoksi-6-fosfoglukonat (KDPG)
* Pemutusan KDPG menghasilkan piruvat dan gliseraldehida3-fosfat  melewati jalur Glikolisis menghasilkan :
2 mol ATP (net 1 ATP) dan 1 mol NADPH2
Mikroba yang Menggunakan Lintasan ED :
-Tidak memiliki enzim phosphofructokinase-1.
-Kebanyakan mikroba bersifat aerobik, karena ATP yang
dihasilkan per mol glukosa rendah
- Contoh :
Pseudomonas aeruginosa, bakteri Gram (-)
Azotobacter, bakteri Gram (-)  penyubur tanah (N2 udara)
Rhizobium, bakteri Gram (-)  penyubur tanah
Zymomonas mobilis, bakteri Gram (-) facultative anaerob 
etanol, "cactus beer" ( "pulque“), & tequila (Meksiko)
Xanthomonas Campestris, bakteri Gram (-)  gum xanthan
Siklus Asam Sitrat (TCA Cycle = Siklus Krebs))
- Bila tersedia oksigen, banyak mikroba dapat mengoksidasi
piruvat melalui Siklus Krebs
 oksidasi sempurna substrat menghasilkan CO2.
(Melepaskan lebih banyak energi dibandingkan glikolisis)
- Siklus berperan penting dalam memberikan senyawa awal
(intermediat/prekursor) untuk biosintesis :
- asam amino,
- asam lemak
- glukosa (dgn glukoneogenesis)
- energi
Siklus Asam Sitrat (TCA Cycle = Siklus Krebs)
ANABOLISME (BIOSINTESIS)
1. Biosintesis Asam Amino & Protein
2. Biosintesis Asam Lemak
3. Biosintesis Karbohidrat
4. Biosintesis Nukleotida
5. Biosintesis Antibiotika
6. dll
The main pathways of biosynthesis in procaryotic cells
Biosintesis Asam Amino
- Prinsipnya  reaksi transaminasi, yaitu pengikatan gugus
amonia (NH3) pada gugus karboksilat senyawa
α-ketoglutarat (dari Siklus Krebs)
- Lintasan biosintesis asam amino
 dimulai dari masuknya nitrogen dari gugus NH3 melalui
sintesis glutamat, selanjutnya nitrogen dipindahkan ke
asam amino lain dengan reaksi transaminasi.
- Pengikatan gugus amin :
a. Secara langsung, contohnya sintesis glutamat dengan
menggunakan α-ketoglutarat
b. Secara tidak langsung, mula-mula gugus NH3 diikat
oleh glutamat, pengikatan gugus NH3 selanjutnya oleh
glutamat akan menghasilkan glutamin  dari glutamin
gugus amino dipindahkan ke α-ketoglutarat
menghasilkan glutamat
Glutamat dan glutamin merupakan senyawa utama
yang mengasimilasi nitrogen untuk diberikan pada
lintasan sentral biosintesis asam amino.
Selanjutnya gugus amino dari glutamat dan glutamin
dapat dipindahkan ke senyawa lain dengan beragam
reaksi transaminasi.
Biosintesis Asam Amino
Synthesis of the various amino acids in a family
frequently requires many separate enzymatically
catalyzed steps starting from the parent amino
acid
Sumber : 210.36.18.48/gxujingpin/dwwswx/ppt/6.ppt
Biosintesis Protein
- Asam amino harus diberi energi sebelum bergabung
menjadi protein
- Pemberian energi oleh ATP
Asam amino + ATP  asam amino-AMP + pirofosfat
(2P)
- Protein memiliki sekuens asam amino tertentu 
“blue print” untuk membuat protein terkandung pada
sekuens nukleotida DNA sel mikroba.
Biosintesis Asam Lemak & Lipida
• Biosintesis lemak dimulai dari biosintesis asam lemak
•Prekursor : Asetil Ko-A
• Pemanjangan rantai karbon (C) asam lemak
 menggunakan Malonil KoA (C2)
• Biosintesis asam lemak rantai panjang memerlukan
acyl carrier protein (ACP) sbg “jangkar”
Reaksi pada biosintesis asam lemak :
1. Pemindahan gugus asetil dan gugus malonil dari CoA
ke ACP : asetil/malonil-CoA  asetil-ACP & malonil-ACP
2. Kondensasi asetil-ACP + malonil-ACP membentuk
asetoasetil-ACP dengan melepaskan CO2.
3. Reaksi reduksi, reaksi dehidrasi dan reaksi reduksi
 menghasilkan butyryl-ACP  asam butirat
- Urutan reaksi-reaksi ini merupakan siklus lintasan
pembentukan dan penambahan panjang rantai asam
lemak  hasil sintesa dari urutan reaksi ini adalah
molekul asam lemak yang terikat dengan ACP.
Penghilangan ACP dengam enzim menghasilkan asam
lemak tertentu
Contoh : Butiril ACP 
Bila ACP dilepaskan oleh enzim asilase hidrolitik
 akan dihasilkan asam butirat (C4)
Butiril-ACP + malonil-ACP  Asam lemak C6- ACP + CO2
Asam lemak C6
Asam Lemak :
C4 : asam butirat
C6 : asam kaproat
C8 : asam kaprilat
C10 : asam kaprat
C12 : asam laurat
C14 : asam miristat
C16 : asam palmitat
C18 : asam stearat
Asam lemak C8
dst
Biosintesis Asam Lemak
(ACP)
(ACP)
CO2
(ACP)
The biosynthesis of fatty
acids
Shown is the biosynthesis of the C16 fatty acid,
palmitate. The condensation of acetyl-ACP and malonylACP forms acetoacetylCoA. Each successive addition of
an acetyl unit comes from malonyl-CoA.
Sumber : 210.36.18.48/gxujingpin/dwwswx/ppt/6.ppt
Biosintesis Asam Lemak
Biosintesis Karbohidrat
• Mikroba autotrof mensintesis KH dari CO2 (fiksasi CO2 dari udara)
dgn sekuens reaksi :
CO2 (atmosfir)
Triosa (monosakarida C3)
Pentosa (C5) & Heksosa (C6)
Nukleotida
(mengandung
ribosa & deoksiribosa)
Polisakarida
(peptidoglikan dinding sel, selulosa,
pati dll)
RNA & DNA
• Mikroba heterotrof menggunakan senyawa organik
 Senyawa C5 (pentosa) atau C6 (heksosa) sbg sumber C
Contoh : E coli : glukosa + ATP + 2 NADP  ribosa-5-fosfat + CO2 + ADP
+ 2 NADPH2
unt. sintesis nukleotida
Biosintesis Karbohidrat
• Lintasa Glikolisis & Pentosa Fosfat (HMF) digunakan untuk
interkonversi senyawa gula
• Monosakarida agar bisa bergabung menjadi polisakarida
harus diberi energi (dari ATP), contohnya :
* UDP-glukosa (uridin difosfat-glukosa)
Glukosa + ATP + UTP  UDP-glukosa + ADP + pirofosfat
polisakarida
Tidak semua monosakarida yang diberi energi untuk
mensintesis gula UDP, contoh :
* Fosforibosa pirofosfat
Ribosa fosfat + ATP  fosforibosa pirofosfat + AMP
purin & pirimidin
Biosintesis Nukleotida (RNA & DNA)
Nukleotida Purin
Ribosa fosfat (dari Jalur HMF/Pentosa Fosfat )
ATP
Fosforibosa pirofosfat
Glisin, glutamin, asam aspartat, ATP
Inosin monofosfat (IMP)
Asam aspartat, GTP
Adenosin monofosfat (AMP)
(untuk sintesis RNA)
Deoksiadenosin monofosfat (dAMP)
(untuk sintesis DNA)
ATP, glutamin
Guanosin monofosfat (GMP)
(untuk sintesis RNA)
Deoksiguanosin monofosfat (dGMP)
(untuk sintesis DNA)