BIOKIMIA Marisa Handajani
• Biokimia : perubahan-perubahan kimia yang dilakukan oleh organisme hidup • Reaksi yang berlangsung : – Ekstraseluler reaksi hidrolisis (reaksi pemutusan ikatan kimia dengan penambahan air) – Intraseluler
• Reaksi-reaksi kimia yang dilakukan oleh organisme ini terjadi pada temperatur jauh dibawah temperatur yang sesungguhnya diperlukan untuk rekasi tersebut KATALIS • Katalis menurunkan energi aktivasi untuk reaksi • Katalis yang dihasilkan oleh organisme hidup ENZIM
Proses Biologi S S
S S
S
S
S
S
S
B
CO2
C H2O O2
ENZIM • Enzim adalah katalis organik yang dihasilkan oleh sel hidup dan dapat bekerja di luar maupun di dalam sel – Enzim ekstraseluler : enzim yang disekresikan oleh sel – Enzim intraseluler : enzim yang bersatu dengan protoplasma sel dan melakukan fungsinya didalam sel
• Enzim berfungsi menginisiasi reaksi dan mengendalikan kecepatan reaksi spesifik untuk jenis organisme • Enzim merupakan senyawa protein yang sensitif terhadap suhu • Nomenklatur : reaksi yang terjadi diberi akhiran -ase
Jenis Enzim • Konstitutif (constitutive) : enzim yang dihasilkan terus menerus • Inducibel (inducible) : enzim yang dihasilkan apabila dibutuhkan sebagai repons terhadap stimulus eksternal
6 Kelompok Enzim • Hidrolase (Karbosidase, Esterase, Proteoase, Amidase, Deaminase) • Oksido-reduktase (Dehidogenase, Hidorksilase, Reductive dehalogenase, oksidase, oksiganase, metan monooksidase, toluen dioksidase, amonia monooksidase) • Transferase • Liase • Isomerase • Ligase
Aktivitas Enzim • Aktivitas enzim ditentukan oleh struktur proteinnya • Aktivitas enzim dipengaruhi oleh: – Kehadiran Ko-faktor: – Temperatur – pH – Ketersediaan makronutrien dan mikronutrien
Ko-Faktor • Co-factor : struktur non proteinmetal : Zn, Mg, Mn, Fe, Cu, Co, Ni, K dan Na • Co-enzim : struktur molekul organik yang tahan terhadap panas (heat stable)
Temperatur • Reaksi biokimia mengikuti aturan van’t Hoff : laju reaksi meningkat 2x untuk setiap kenaikan temperatur 10oC dalam suatu rentang suhu tertentu. • Q10 : rasio laju reaksi pada temperatur tertentu terhadap laju pada suhu 10oC dibawahnya • Nilai Q10 dipengaruhi oleh 3 faktor utama: 1. 2. 3.
Laju degradasi senyawa Laju transfer oksigen Kelarutan oksigen
Denaturasi enzim
pH • Konsentrasi H+ mempengaruhi kecepatan reaksi biokimia • Rentang pH optimum untuk aktivitas enzim sangat sempit kebanyakan bekerja pada kondisi netral 6-9 • Kondisi lingkungan diatur dengan sistem buffer
Makro-Mikro Nutrien • Makro Nutrien : Unsur yang diperlukan bakteri dalam jumlah besar untuk reproduksi : C,N, P,S • Mikro nutrien : unsur yang dibutuhkan dalam jumlah kecil (trace amount) untuk metabolisme sel (aktivitas enzim dan kapasitas fisiologi lainnya) – Ca, Co, Cu, Fe, Mg, Mn, K, Se dan Zn. (umum) – Mo : bakteri fiksasi Nitrogen – Ni : bakteri methanogen
Biodegradasi • Mineralisasi : konversi senyawa organik oleh organisme hidup menjadi produk akhir berupa mineral (non organik) dalam kondisi aerob.
Dalam mineralisasi akan dihasilkan energi
• Biotransformasi : konversi senyawa organik asal tidak menjadi mineral secara sempurna, namun sebagian dikonversi menjadi senyawa organik lain.
Biotransformasi
Biokimia Karbohidrat • Bakteri menggunakan karbohidrat untuk sintesa lemak, protein dan memperoleh energi serta jaringan sel (polisakarida di dalam dan diluar sel). • Tahap pertama metabolisme karbohidrat : Hidrolisis sampai sedikitnya tingkat disakarida sebelum transfer ke dalam sel. • Setelah didalam sel gula sederhana (monosakarida) dapat digunakan untuk energi dan sintesa. • Pathway (jalur) metabolisme gula sederhana tergantung pada kondisi lingkungan (aerob atau anaerob)
Biokimia Karbohidrat • Dalam kedua kondisi tersebut konversi awal yang terjadi adalah: • Aerob: (untuk menghasilkan energi)
• Anaerob: Asam organik > kapasitas sistem buffer : pH ↓ INHIBISI atau Menghentikan
Asam organik
Biokimia Protein • Bakteri sedikit memerlukan protein. • Bakteri mampu mensintesa protein dari nitrogen inorganik dan organik non protein (karbohidrat, lemak, alkohol) • protein (hidrolisis) α-asam amino (deaminasi dalam sel) amonia (dalam kondisi aerob dan anaerob)
Biokimia Minyak dan Lemak • Degradasi lemak memiliki jalur yang sama untuk kondisi aerob dan anaerob. • Lemak (hidrolisis) gliserol dan asam lemak • Asam lemak bebas (hidrolisi material lemak; deaminasi asam amino; fermentasi karbohidrat dan oksidasi omega) akan dipecah melalui proses oksidasi pada atom karbon beta (beta oxydation) Knopp’s theory • Oksidasi ini berlangsung beberapa tahap • Senyawa yang berperan dalam proses transformasi ini adalah “Coenzim A” • Oksidasi tercapai melalaui penyisihan hidrogen (elektron) secara enzimatik yang difasilitasi oleh electron carrier (FAD dan NAD)
• Pada tahap akhir pemecahan molekul, dihasilkan 1 molekul asam asetat dan 1 molekul (original) asam menjadi sebuah asam turunan dengan jumlah atom karbon dua atau kurang.
• Aerob : elektron dibawa FADH dan NADH digunakan untuk mereduksi molekul O2 H2O dan menghasilkan energi • Anaerob: transfer elektron tidak mengikuti skema ini.
Klasifikasi Organisme • Sumber Karbon untuk sintesa sel – Senyawa organik : heterotrophs – Karbon anorganik : autotrophs
• Cara menghasilkan energi – Sinar matahari : photosynthetic/phototophic – Oksidasi senyawa organik : chemoorganotrophs – Oksidasi senyawa anorganik : chemolithotrophs
Jalur Biokimia Umum • Mikroorganisme mendapatkan energi melalui oksidasi karbohidrat, protein dan lemak • Reaksi oksidasi melibatkan perpindahan elektron : – dari senyawa tereduksi (elektron donor) makanan mikroorganisme • Senyawa organik • Senyawa anorganik : NH3, S2-, H2, Fe2+
– ke material pengoksidasi (elektron aksetor)
• Energi yang dipindahkan dari donor elektron ke organisme untk sintesis dan pemeliharaan sel melalui serangkaian rekasi enzim dimulai dengan pembentukan pembawa elektron FADH dan NADH • Senyawa kunci dalam rangkaian transfer enerrgi adalah Nukleotida, Adenosine diphosphate (ADP)
• ADP menggunakan energi yang dihasilkan dari oksidasi untuk membentuk ikatan dengan fosfat untuk membentuk nukeotida yang lain : Adenosine Triphosphate (ATP)
• ATP yang terbentuk akan bergerak ke dalam sel untuk memberikan energi bagi sintesis, dan pemeliharaan sel atau pergerakan. Dengan reaksi kebalikan persamaan di atas.
• Fosforilasi oksidatif (oxidative phosphorylation) : proses dimana energi yang terkandung dalam NADH (atau electron carriers lain – FADH dan NADPH) dapat dikonversi ke ATP dan melibatkan terbentuknya gradien proton (H+) – proton motive force.
• Energi yang tersimpan dalam gradien ini digunakan untuk membentuk ATP. • Jumlah energi yang terbentuk ditentukan oleh akseptor elektron akhir yang tersedia. • Dalam kondisi aerob: • Energi yang dihasilkan dari setiap mol NADH: Aerob > reduksi Fe dan denitrifikasi > anaerob
• Ketersediaan energi dapat diketahui berdasarkan “energi bebas” • Reaksi setimbang untuk oksidasi donor elektron dan reduksi terminal elektron akseptor didapat dengan menggabungkan “half reaction” • Nilai ΔG0 dapat dihitung, pengecualian untuk H+ = -39.87/eq, nilai ΔG0 pada pH 7; [H+]=10-7.
Energi dan Pertumbuhan Bakteri • Mikroorganisme mengoksidasi senyawa organik maupun anorganik untuk memperoleh energi untuk pertumbuhan dan pemeliharaan sel. • Informasi tentang transformasi yang terjadi akan membantu dalam perhitungan kebutuhan terminal elektron akseptor dan jumlah produk akhir dan produk antara yang terjadi NERACA MASSA
• Pembuatan neraca massa memerlukan informasi reaksi kimia yang setimbang untuk keseluruhan konversi secara biologi, termasuk untuk keperluan sintesa dan energi • Porsi Sintesa : C5H7O2N • Reaksi yang terjadi dapat menggunakan reaksi pada Tabel 6.4
• Rc = setengah reaksi untuk sintesis sel bakteri (1) atau (2) • Ra = setengah reaksi untuk elektron aksetor • Rd = setengah reaksi untuk donor elektron • fs = porsi elektron donor untuk sintesa • fe = porsi elektron donor untuk energi • fs+fe =1
• V
Sel muda yang tumbuh dengan cepat
Sel tua fs ≈ 20% fs max energi untuk maintence > sintesa
