Metabolisme Mikroba, Fermentasi, Respirasi, Fotosintesis, ATP, ADP, Siklus Asam Trikarboksilat

Artikel dan Makalah tentang Metabolisme Mikroba, Fermentasi, Respirasi, Fotosintesis, ATP, ADP, Siklus Asam Trikarboksilat - Metabolisme berasal dari kata metabole (Yunani), yang berarti berubah. Perubahan ini mengacu pada perubahan yang bersifat reversibel antara molekul berukuran besar dan molekul berukuran kecil melalui dua bentuk reaksi, yaitu katabolisme dan anabolisme. Katabolisme merupakan reaksi pemecahan molekul berukuran besar menjadi molekul yang lebih kecil atau sederhana disertai dengan pembebasan energi. Sebaliknya, anabolisme merupakan reaksi penyusunan molekul berukuran besar dari molekul berukuran kecil dengan menggunakan energi. Dalam tubuh makhluk hidup, kedua reaksi ini dikatalisis oleh enzim.

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Sebagai jasad hidup, mikrobia selalu membutuhkan energi untuk melakukan kerja selular. Energi diperlukan untuk tumbuh, aktivitas fisik maupun kimia, serta reproduksi. Dalam sistem hayati, energi yang dapat digunakan untuk melakukan kerja tersedia dalam bentuk ATP (adenosine triphosphat). Pembentukan ATP ini dilakukan melalui fosforilasi, yang dapat dibedakan atas fosforilasi tingkat substrat, fosforilasi oksidatif-khemiosmosis, dan fosforilasi fotosintetik.

Secara filogeni, mikrobia tersebar tiga domain yang berbeda, yaitu Bakteri, Archaea dan Eukariotik. Dengan demikian, mikrobia diversitas struktur yang sangat beragam. Keragaman ini tentunya berpengaruh pula pada keragaman strategi penghasilan energi dalam bentuk ATP pada mikrobia.

1.2. Tujuan

Tujuan penyusunan makalah ini adalah untuk mempelajari proses metabolisme dalam tubuh mikrobia, khususnya dalam hal penghasilan energi untuk kerja selular.

BAB II

PEMBAHASAN

Terdapat tiga mekanisme pembentukan energi atau Adenosine triphosphate (ATP) dalam bakteri, yaitu fermentasi, respirasi dan fotosintesis.

2.1. Fermentasi

Fermentasi dapat juga disebut sebagai mekanisme fosforilasi tingkat substrat, karena pembentukan ATP terjadi pada tahapan katabolisme suatu substrat. ATP dapat terbentuk dikarenakan substrat yang mengandung gugus fosfat yang banyak (kaya fosfat) mengalami fosforilasi, dan gugus fosfatnya ditangkap oleh Adenosine diphosphate (ADP) menjadi ATP. Contoh umum dari fermentasi adalah proses glikolisis.

Proses glikolisis berlangsung di dalam sitoplasma. Pada dasarnya glikolisis terdiri dari tiga tahapan. Pada tahapan pertama glukosa mengalami reaksi fosforilasi yaitu penambahan gugus fosfat dengan bantuan enzim heksokinase glukokinase dan menghasilkan senyawa glukosa 6 fosfat. Dalam reaksi fosforilasi ini ATP diperlukan sebagai donor fosfat sehingga ATP akan dipecah menjadi ADP dan disertai dengan hilangnya energi bebas sebagai panas.

Selanjutnya senyawa glukosa 6 fosfat akan diubah menjadi fruktosa 6-fosfat dengan bantuan enzim fosfoheksosa isomerase yang melibatkan suatu reaksi isomerasi aldosa-ketosa. Enzim ini hanya bekerja pada anomer α glukosa 6 fosfat. Reaksi ini kemudian diikuti oleh proses fosforilasi lain dengan ATP dan dikatalisis oleh enzim fosfofruktokinase menjadi fruktosa 1-6 bisfosfat. Fruktosa 1-6 bisfosfat akan dipecah oleh enzim aldolase menjadi 2 senyawa triosa fosfat yaitu Dihidroksiaseton fosfat dan gliseraldehid 3 fosfat. Pada tahapan ini tidak terbentuk ATP dan reaksi–reaksi yang terjadi merupakan reaksi yang dikatalis dengan enzim.

Tahap kedua gliseraldehid 3-fosfat mengalami oksidasi menjadi 1-3 bisfosfogliserat. Senyawa dihidroksiaseton fosfat mengalami interkonversi dengan enzim fosfotriosa isomerase sehingga senyawa ini juga dapat dioksidasi menjadi 1-3 bisfosfogliserat melalui jalur glseraldehid 3 fosfat.

Proses oksidasi gliseraldehid 3 fosfat dikatalisis oleh enzim gliseraldehid 3 fosfat dehidrogenase, yang merupakan enzim yang bergantung pada NAD. Enzim ini mempunyai rumus bangun yang terdiri atas empat polipeptida (monomer) identik sehingga membentuk tetramer. Pada setiap polipeptidanya, terdapat empat gugus SH yang berasal dari residu sistein di dalam rantai polipeptida, satu gugus SH terletak pada sisi aktif enzim. substrat mula-mula akan bergabung dengan gugus SH ini sehingga terbentuk senyawa tiohemiasetal yang kemudian diubah menjadi senyawa ester tiol berenergi tinggi melalui oksidasi. Atom hydrogen yang dikeluarkan dalam oksidasi ini dipindahkan ke senyawa NAD⁺ yang terikat pada enzim. NADH yang terbentuk pada enzim ini tidak berikatan seerat ikatan NAD⁺ dengan enzim sehingga NADH ini mudah digantikan oleh NAD⁺ lain. Selanjutnya melalui proses fosforilasi, fosfat anorganik ditambahkan pada senyawa gliseraldehid 3 fosfat sehingga terbentuk 1-3 bisfosfogliserat, dan enzim bebas dengan gugus SH kembali dibebaskan. Hasil akhir dari fosforilasi ini adalah terbentuknya gugus fosfat yang terikat pada posisi 1 senyawa  1-3 bisfosfogliserat.

Proses selanjutnya adalah pembentukan ATP dari ADP dan gugus fosfat pada posisi1 senyawa 1-3 bisfosfogliserat dengan dikatalisis oleh fosfogliserat kinase. Senyawa 1-3 bisfosfogliserat berubah menjadi senyawa 3-fosfogliserat. DAlam proses ini dihasilkan dua molekul ATP per molekul glukosa karena sertiap molekul glukosa yang menjalani glikolisis menghasilkan dua molekul triosa fosfat. Senyawa 3-fosfogliserat yang terbentuk diubah menjadi 2-fosfogliserat oleh enzim fosfogliserat mutase.

Tahap berikutnya dikatalisis oleh enzim enolase dan melibatkan dehidrasi serta pendistribusian kembali energi di dalam molekul, menaikkan valensi fosfat pada posisi 2 ke status berenergi tinggi sehingga terbentuk fosfoenolpiruvat.

Fosfat berenergi tinggi pada fosfoenolpiruvat dipindahkan kepada ADP oleh enzim piruvat kinase sehingga menghasilkan 2 ATP per molekul glukosa. Hasil akhir dari Glikolisis adalah terbentuknya 2 senyawa Piruvat per molekul glukosa. Dalam proses glikolisis ini total senyawa ATP yang dihasilkan adalah 4 molekul, sedangkan NADH yang dihasilkan adalah 2 molekul.

Senyawa piruvat ini merupakan senyawa intermediate yang penting. Bila terdapat oksigen senyawa piruvat dapat digunakan dalam proses respirasi dan masuk ke dalam siklus Tricarboxylic Acid Cycle (TCA) sedangkan bila tidak terdapat oksigen, bakteri dapat menggunakan senyawa piruvat untuk melakukan fermentasi menghasilkan lebih banyak ATP (tahapan ketiga).

Gambar 1. Lintasan proses Glikolisis.

2.2. Respirasi

Respirasi dapat juga disebut oxidative phophorilation, yang berarti fosforilasi yang menyertakan reaksi oksidatif atau memerlukan adanya oksigen atau senyawa lain sebagai aseptor elektron. Pada proses respirasi, energi dihasilkan karena adanya transfer elektron dan proton di membran, sitoplasma, dan luar sel. Proses respirasi ini diawali dengan TCA menghasilkan NADH dan FADH yang nantinya digunakan sebagai donor ptoton pada tahap selanjutnya yaitu transfer elektron. Elektron yang dilepaskan dapat berpindah-pindah dalam suatu komplesks di dalam membran yang nantinya akan ditangkap oleh aseptor elektron sedangkan proton akan dipompa keluar membran menyebabkan perbedaan muatan di dalam dan di luar sel. Untuk menyeimbangkan lagi, proton akhirnya dimasukkan lagi ke dalam sel melalui suatu enzim, ATPase yang dapat mengubah ADP menjadi ATP.

Respirasi dapat dibedakan menjadi dua tergantung aseptor akhir untuk elektron, yaitu respirasi aerobik dan respirasi anaerobik. Respirasi aerobik menggunakan oksigen sebagai aseptor elektron akhir sedangkan respirasi  menggunakan senyawa lain seperti nitrat, sulfat, asetat, atau karbondioksida.

a. Siklus Tricarboxylic Acid Cycle / Asam Trikarboksilat (TCA)

Sebelum piruvat memasuki siklus asam trikarbosil, senyawa ini harus diangkut terlebih dahulu ke dalam mitokondria menggunakan transporter piruvat khusus yang membantu piruvat melintasi membran mitokondria. Di dalam mitokondria piruvat mengalami dekarboksilasi oksidatif menjadi Asetil Ko-A.

Piruvat mengalami dekarboksilasi oleh komponen kompleks enzim yaitu piruvat dehidrogenase membentuk tiamin difosfat yang terikat enzim dan selanjutnya akan bereaksi dengan lipoamida teroksidasi membentuk asetil lipoamida dengan enzim dihidrolipoil transasetilase. Asetil lipoamida kemudian bereaksi dengan koenzim A membentuk Asetil Ko-A dan lipoamida tereduksi (dihidrolipoamida). Dihidrolipoamida akan mengalami reoksidasi oleh flavoprotein yang mengandung FAD dengan bantuan enzim Dihidrolipoil dehidrogenase. Flavoprotein tereduksi kemudian dioksidasi oleh NAD⁺ sehingga terbentuk NADH.

Asetil Ko-A dari proses dekarboksilasi kemudian memasuki siklus Krebs. Kondensasi awal asetil Ko-A dengan oksaloasetat membentuk sitrat dikatalisis oleh enzim sitrat sintase, yang menyebabkan sintesis ikatan karbon ke karbon di antara atom karbon metil pada asetil Ko-A dengan atom karbon karbonil pada oksaloasetat. Proses ini membentuk senyawa Sitrat.

Sitrat kemudian dikonversi menjadi isositrat oleh enzim akonitase, konversi ini berlangsung dua tahap yaitu dehidrasi menjadi cis-akonitat yang sebagian diantaranya tetap terikat pada enzim, dan rehidrasi menjadi isositrat.

Isositrat mengalami dehidrogenasi dengan adanya isositrat dehidrogenase dan membentuk oksalosuksinat. Salah satu bentuk enzim isositrat dehidrogenase bersifat spesifik NAD⁺ dan hanya ditemukan di mitokondria. Dua enzim lain dari isositrat dehidrogenase bersifat spesifik NADP⁺ dan masing-masing ditemukan dalam mitokondria dan sitosol. Oksidasi isositrat dalam proses respirasi di dalam mitokondria ini berlangsung hampir sempurna melalui enzim yang bergantung NAD⁺  Dengan demikian dehidrogenasi isositrat ini menghasilkan senyawa NADH.

Oksalosuksinat kemudian mengalami dekarboksilasi menjadi α-ketoglutarat yang juga dikatalisis oleh enzim isositrat dehidrogenasi dan Mn²⁺ atau Mg²⁺. Proses ini menghasilkan CO₂  Selanjutnya α-ketoglutarat mengalami dekarboksilasi oksidatif. Reaksi tersebut dikatalisis oleh kompleks α-ketoglutarat dehidrogenase dengan kofaktor yang identik dengan kompleks piruvat dehidrogenase seperti tiamin difosfat, lipoat, NAD⁺  FAD serta KoA dan menghasilkan pembentukan suksinil Ko-A yang merupakan suatu tioester berenergi tinggi. Dalam proses dekarboksilasi oksidatif ini juga terbentuk senyawa NADH dan CO2 .

Siklus dilanjutkan dengan perubahan suksinil KoA menjadi Suksinat oleh enzim suksinat tiokinase. Dalam proses ini terbentuk senyawa ATP dari ADP dan fosfat anorganik.

Suksinat dimetabolisasi lebih lanjut melalui reaksi dehidrogenasi yang diikuti oleh penambahan air, dan kemudian proses dehidrogenasi lebih lanjut membentuk kembali oksaloasetat. Reaksi dehidrogenasi pertama dikatalisis oleh enzim suksinat dehidrogenase. Enzim ini berbeda dari ensim lain dari  siklus asam sitrat yang ditemukan dalam matriks mitokondria. Suksinat dehidrogenase terikat pada permukaan sebelah dalam membran internal mitokondria. Reaksi ini merupakan satu-satunya reaksi dehidrogenasi dalam siklus asam sitrat yang melibatkan pemindahan langsung atom hydrogen dari substrat kepada flavoprotein tanpa peran serta NAD⁺  Enzim ini mengandung FAD dan protein besi sulfur (Fe:S). Proses dehidrogenasi suksinat ini menghasilkan Fumarat dan FADH.

Proses selanjutnya adalah perubahan senyawa fumarat menjadi Malat melalui penambahan unsur-unsur air pada ikatan rangkap fumarat. Proses ini dikatalisis oleh enzim Fumarase.

Malat kemudian dikonversikan kembali menjadi oksaloasetat oleh enzim malat dehidrogenase. Dalam reaksi ini dibutuhkan NAD⁺ dan dihasilkan NADH.

Secara sederhana dapat diketahui bahwa proses dekarboksilasi piruvat dan siklus krebs dihasilkan 8 molekul senyawa NADH, 6 molekul senyawa CO₂, 2 molekul senyawa FADH, dan 2 molekul senyawa ATP.

Gambar 2. Siklus Krebs.

b. Fosforilasi Oksidatif

Jalur terakhir produksi energi dari respirasi sel secara aerob adalah Fosforilasi Oksidatif. Proses ini merupakan rangkaian transfer energi dari electron dan proton yang terikat pada NADH dan FADH hasil reaksi glikolisis dan siklus krebs. Proses ini dikenal sebagai Electron Transport System (ETS). Proses fosforilasi oksidatif dapat digambarkan dengan Gambar 3.

Gambar 3. Fosforilasi oksidatif.

Proses ETS ini berlangsung di mitokondria. Mitokondria terdiri dari 2 membran yaitu membran luar yang membungkus mitokondria dan membran dalam mitokondria yang terdiri dari lipatan-lipatan membran. Reaksi ETS berlangsung pada membran dalam mitokondria.

Struktur dari membran dalam mitokondria terdapat  kompleks enzim yaitu Complex I, Complex II, Complex III, Complex IV, dan sub unit protein yang mengikat ATP  sintase. Produksi ATP merupakan suatu bentuk reaksi yang berlangsung secara beruntun.

Elektron yang dibawa oleh NADH memasuki reaksi enzim pada Complex I. Energi berupa electron selanjutnya ditangkap oleh Co enzim Q. Elektron dari FADH₂ memasuki Complex II yang kemudian ditangkap oleh Coenzim Q. Co enzim Q  mentransfer elektrok ke Complex III. Pada Complex III electron kembali lepas dan kemudian ditangkap oleh cytochrome c. Cytochrome c memindahkan electron ke Complex IV. Pada posisi Complex IV electron ditransfer ke Oksigen.

Bersama dengan pelepasan elektron pada complex I, III, dan IV proton (H⁺) dipompakan ke ruang intermembran. Membran dalam mitokondria secara umum tidak permeable terhadap ion khususnya proton, sehingga proton yang dilepaskan akan menumpuk di ruang intermembran dan menimbulkan selisih potensial elektrokimia. Selisih potensial elektrokimia menyebabkan proton bergerak melewati kompleks F0-F1 yang memiliki enzim ATP sintetase. Proton yang mengalir melalui kompleks F0-F1 menyebabkan pembentukan ATP dari ADP + Pi dengan bantuan ATP sintetase.

Elektron yang terbentuk pada Complex IV ditransferkan ke senyawa O₂ sehingga terbentuk O₂^-  Peristiwa ini diikuti dengan penangkapan dua proton yang dipompakan melalui F0-F1 sehingga terbentuk 1 molekul senyawa H₂O.

Pada respirasi anaerobik, aseptor elektron terakhir bukan oksigen melainkan senyawa lain seperti nitart, sulfat, asetat, atau karbondioksida. Namun senyawa-senyawa ini biasanya tidak dapat langsung digunakan sebagai aseptor karena ini senyawa-senyawa ini biasanya direduksi terlebih dahulu oleh bakteri sehingga dapat menerima elektron hasil elektron transfer.

Sebagai contoh gambar di bawah ini merupakan jalur pembentukan methan dari substrat asetat bakteri methanogen.

Gambar 4. Metanogenesis asetat.

2.3. Fotosintesis

Fotosintesis mengandung suatu urutan reduksi-oksidasi, yang menunjukkan bahwa karbondioksida tereduksi membentuk karbohidrat dengan menggunakan sejenis donor hidrogen yang teraktivasi oleh cahaya (reaksi terang). Secara umum, reaksi fotosintesis dapat digambarkan dalam persamaan reaksi:

2H₂A + CO₂ → (CH₂O)n + H₂O + 2A

Sifat alami unsur H₂A bervariasi pada berbagai organisme, dan bagian inilah yang membedakan fotosintesis pada mikrobia yang melakukan fotosintesis oksigenik dengan anoksigenik.  Pada mikrobia oksigenik, H₂A dapat berupa H₂O (air), dan oksigen dilepaskan dalam reaksi tersebut. Pada kebanyakan mikrobia, fotosintesis hanya terjadi pada kondisi anaerob berupa fotosintesis tanpa menghasilkan oksigen (fotosintesis anoksigenik). Fotosintesis anoksigenik dilakukan pada mikroorganisme tersebut., dan H₂A harus tersedia  dalam bentuk sulfur tereduksi, hidrogen , atau unsur-unsur organik.

Fotosintesis terjadi di dalam sistem membran khusus, baik dalam membran tilakoid atau dalam gelembung tertutup. Di dalam struktur-struktur ini terdapat komponen-komponen fotosintesis bakterioklorofil, karotenoid, pembawa elektron, dan protein. Komponen ini terorientasi pada sistem membran sedemikian rupa sehingga cahaya dapat diserap oleh pigmen-pigmen karotenoid dan bakteriofil, dan energinya digunakan untuk membentuk tenaga proton melewati membran tersebut.

Mikrobia oksigenik (seperti halnya sianobakteri) memiliki dua pusat reaksi fotokimia yang terpisah, sementara mikrobia anoksigenik hanya memiliki satu. Kejadian fotokimia primer terjadi saat sebuah molekul klorofil menyerap satu kuantum cahaya dan memindahkannya ke pusat reaksi yang tertanam di dalam membran. Klorofil berperan mempengaruhi pemisahan fotokimia kekuatan reduksi dan oksidasi, menghasilkan suatu aliran sepanjang dua sistem transpor. Salah satu sistem ini menerima elektron yang diantarkan pada penerima, dan yang lainnya menempatkannya kembali.

Perpindahan elektron-elektron tersebut diiringi dengan pembentukan ATP. Mekanisme ini pada prinsipnya mirip dengan mekanisme pada rantai transfer elektron pada respirasi. Perubahan CO₂ menjadi karbohidrat membutuhkan pasokan NADPH maupun ATP.

Pada mikrobia anoksigenik, H₂A dapat berupa substansi anorganik, seperti H₂S  atau unsur organik seperti suksinat. Energi dari foton (cahaya) yang diserap mengendalikan reaksi ini. Pada kondisi ini, aliran elektronnya terbuka atau bersifat non-siklik. Dengan ketidakberadaan substrat yang dapat dioksidasi, aliran elektron penghasil cahaya terjadi pada jalur siklus. Elektron-elektron yang berasal dari molekul klorofil yang dilepaskan dapat dengan mudah kembali lagi setelah melakukan perjalanan sepanjang rangkai siklus dari pembawa elektron. Aliran elektron-elektron ini adalah suatu perangkat untuk menyimpan sebagian energi dari elektron-elektron berenergi tinggi yang meninggalkan klorofil.

Proses fotosintesis pada beberapa jenis mikrobia dapat digambarkan sebagai berikut :

Gambar 5. Reaksi Fotosintesis pada Cyanobacteria.

Gambar 6. Reaksi Fotosintesis pada bakteri ungu dan green sulfur bacteria.

Gambar 7. Reaksi fotosintesis pada Mikroorganisme Eukariotik

BAB III

KESIMPULAN

Energi dalam sel yang berupa ATP terbentuk dari proses fermentasi, respirasi, dan fotosintesis. Fermentasi disebut juga fosforilasi tingkat substrat, menghasilkan energi dari reaksi reduksi-oksidasi substrat yang melepas fosfat dan dignakan untuk membentuk ATP. Respirasi dibedakan menjadi respirasi aerobik dan respirasi anaerobik, tergantung aseptor elektron akhirnya. Pada proses respirasi, energi terbentuk dari reaksi pompa elektron dan kerja enzim ATP sintase. Selain dua metabolisme pembentukan energi di atas, terdapat beberapa bakteri yang dapat melakukan fotosintesis untuk menghasilkan ATP.