6. Metabolisme Mikroba

M eta bo I i S rn e,,.'Ml i,lqro baPERAN METABOLISME DALAM disebut metabolit fokal. Gambar 6-I, 6-2, 6-3, dan 6-4BIOSINTESIS & PERTUMBUHAN menunjukkan cara masing-masing metabolit fokal sepertiPertumbuhan mikroba memerlukan polimerisasi unit glukosa 6-fosfat, fosfoenolpiruvat, oksaloasetat, dan ct-pembangun biokimiawi menjadi protein, asam nukleat, ketoglutarat menghasilkan sebagian besar produk akhirpolisakarida, dan lipid. Unit pembangun harus sudah adadalam medium pertumbuhan atau harus disintesis oleh biosintetik. Metabolisme mikroba dapat dibagi menjadisel-sel yang sedang tumbuh. Kebutuhan biosintetiklainnya mencakup kebutuhan akan koenzim yang empat kategori umum: (1) jalur untuk interkonversiberperan dalam katalisis enzimatik. Reaksi polimerisasi berbagai metabolit fokal, (2) jalur asimilasi untukbiosintetik membutuhkan transfer ikatan ahhidrida dari pembentukan metabolit fokal, (3) rangkaian biosintetikAIP. Pertumbuhan memerlukan sumber energi metabolikuntuk sintesis ikatan anhidrida dan untuk mempertahankan untuk mengubah metabolit fokai menjadi produk akhir,gradien transmembran berbagai ion dan metabolit. dan (4) jalur yang menghasilkan energi metabolik untuk Biosintetik berbagai unit pembangun dan koenzim pertumbuhan dan pemeliharaan.dapat ditelusuri berasal dari beberapa prekursor, yang Bila tersedia unit pembangun dan sumber energi metabolik, sel dapat menyintesis makromolekul. Sekuens unit pembangun dalam suatu makromolekul ditentukan dengan salah satu dari dua cara berikut. Pada asam nukleat dan protein, sekuens ini diarahkan-cetakanMetabolit fokal Zat antara Prnduk skhir Heksosa fosfat Polisakarida Asam nukleal Pentosa fosfat Histidin6liikiisa'6:fosfat Tetrosa fosfat --->' Korismat Triptofan Fenilalanin lrrosln Triosa fosfat Lipid I Serin Glisin Sistein 3-Fosfogliserat Triptofan --*Gambar 6'-1. Produk akhir biosintetik yang dibentuk dari glukosa 5-fosfat. Bentuk ester karbohidrat fosfat denganberbagai panjang rantai berperan sebagai zat antara dalam jalur biosintetik. 72

METABOLISME MIKROBA 73Metabolit fokal Zat antara Produk akhir Glisin Triosa fosfat Sistein Triptofan t Fenilalanin Tirosin 3-Fosfogliserat *------*--> Serin Polisakarida Alanin Korismat Valin lsoleusin. r,:t lrli:r: LipidFosjgenof p.,igll!'4t Piruvat I I Asetil-koAGambar 6-2. Produk akhir biosintetik yang terbentuk dari fosfoenolpiruvat.(template-directed): DNA berperan sebagai cetakan untuk Kecepatan sintesis makromolekul dan akrivitas jalursintesisnya sendiri dan sintesis berbagai jenis RNA; RNA metabolik harus diatur sehingga biosintesis seimbang.messenger berperan sebagai cetakan untuk sintesis Semua komponen yang diperlukan untuk sinresisprotein. Di lain pihak, pada karbohidrat dan lipid, makromolekul harus ada untuk pertumbuhan secara teratut dan harus dikontrol agar sumber daya sel itu ridakpenyusunan unit pembangun seluruhnya ditentukan oleh digunakan untuk menghasilkan produk yang tidakspesifisitas enzim. Jika telah disintesis, makromolekul berperan dalam pertumbuhan atau kelangsungan hidup.merakit diri sendiri untuk membentuk struktur sel Bab ini berisi tinjluan mengenai metabolismesupramolekul, misalnya, ribosom, membran, dinding sel,flagel, dan pili. mikroba dan pengaturannya. Mikroorganisme mengalami divergensi evolusioner yang ekstrem, dan terdapat banyakMetabolit fokal Produk akhir Aspartat Asparagin Treonin ---------)' lsoleusin Metionin Koenzim Pirimidin Asam nukleatGambar 6-3. Produk akhir biosintetik yang terbentuk dari oksaloasetat. Produk akhirtreonin dan pirimidin berperansebagai zat antara dalam sintesis berbagai senyawa lain.

74 BAB 6Metabolit fokal Zatanta6 Produk akhir Lisin Glutamin Glutamatsemialdehid -<=---.-\----_--->.\ Argtnin ------_, ,ro,,nGambar 5-4. Produk akhir biosintetik yang terbentuk dari cr-ketoglutarat,sekali jalur metabolik di dalam kelompok ini. Misalnya, membantu interkonversi berbagai bentuk biokimiawisatu dari setengah lusin lebih jalur metabolik yang berbedadapat digunakan untuk asimilasi senyawa yang relatif pentosa yang paling umum; ribulosa 5-fosfat, ribosa 5-sederhana, seperti benzoat, dan satu jalur untuk asimilasibenzoat dapat diatur oleh satu dari setengah lusin lebih fosfat, dan xilulosa 5-fosfat. Tiansketolase memindahkanmekanisme kontrol. Tujuan kami adalah menggambarkanprinsip-prinsip yang mendasari jalur metabolik dan gugus dua karbon dari molekul donor ke akseptor. Realai-pengaturannya. Prinsip utama yang menentukan jalur reaksi tersebut memungkinkan pentosa membentuk atar-tmetabolik adalah bahwa jalur-jalur tersebut dicapai dengan dibentuk dari karbohidrat dengan berbagai panjang rantai'mengorganisasikan jenis reaksi biokimia. yang relatifsedikit dalam suatu aturan khusus. Banyak jalur Seperti diperlihatkan pada Gambar 6-5, dua pentosa 5-biosintetik dapat disimpulkan dengan cara memeriksa fosfat (n = 5) dapat diinterkonversikan dengan triosa 3-struktur kimia dari bahan mentah, produk akhir, dan fosfat (n =3) dan heptosa 7-fosfat (n = 7): pentosa 5-fosfatmungkin, satu atau dua zat antara metabolik. Prinsip (n = 5) dan tetrosa 4-fosfat (n = 4) dapat diinterkonversiutama yang mendasari pengaturan metabolik adalah bahwa dengan triosa 3-fosfat (n = 3) dan heksosa 6-fosfat (\" = 6)' Rantai heksosa enam karbon pada fruktosa 6- fosfatenzim cenderung digunakan hanya bila aktivitas dapat dikonversi menjadi dua sampai tiga karbon derivatkatalitiknya diperlukan. Aktivitas enzim dapat diubahdengan mengubah jumlah enzim atau jumlah substrat. triosa melalui aksi berturut-turut suatu kinase dan aldolasePada beberapa kasus, aktivitas enzim dapat diubah denganmengikat efektor-efektor spesifik, metabolit yang pada fruktosa 6-fosfat. Pilihan lainnya, aldolase, yangmemodulasi akrivitas enzim. bekerja sama dengan fosfatase, dapat digunakan untuk memp€rpanjang molekul karbohidrat: Triosa fosfatMETABOLIT FOKAL & menghasilkan fruktosa 6-fosfat; triosa fosfat dan tetrosa 4-fosfat membentuk heptosa 7-fosfat' Bentuk akhir dariINTERKONVERSINYA interkonversi panjang rantai karbohidrat adalah reaksiGlukosa 6-Fosfat & lnterkonversi transaldolase, yang menginterkonversi heptosa 7-fosfatKarbohidrat dan triosa 3-fosfat dengan tetrosa 4-fosfat dan heksosaGambar 6-l menggambarkan cara glukosa 6-fosfat diubah 6-fosfat.menjadi berbagai produk akhir biosintestik melalui esterfosfat pada karbohidrat dengan panjang rantai yang Koordinasi reaksi penyusunan ulang karbohidrat vangberbeda-beda. Karbohidrat memiliki rumus empiris beragam untuk mencapai seluruh tujuan rnetabolik (CHrO)\", dan tujuan utama metabolisme karbohidratadalih untuk mengubah n, panjang rantai karbon. digambarkan dengan pintas heksosa monofosfat (Gambar 6-6). Siklus metabolik tersebut digunakan oieh bakteri Mekanisme terjadinya interkonversi pada panjang rantai karbohidrat fosfat diringkas pada Gambar 6-5. Pada satu hijau-biru unruk mereduksi NAD- menjadi NADH' yang kasus, reaksi oksidatif digunakan untuk membuang satu berperan sebagai suatu reduktan untuk respirasi dalamkarbon dari glukosa 6-fosfat, menghasilkan derivat gelap. Banyak organisme menggunakan pinta.s heksosa monofosfat untuk mereduksi NADP. menjadi NADPH, pentosa ribulosa 5-fosfat. Reaksi isomerase dan epimerase yang digunakan untuk berbagai reaksi reduksi biosintetik' Tahap pertama pada pintas heksosa monofosfat adalah reaksi oksidatif yang memperpendek enam heksosa 6- fosfat (disingkat menjadi enam C,, pada Gambar 6-6) menjadi enam pentosa 5-fosfat (disingkat menjadi enam C.). Reaksi penyusunan kembali karbohidrat mengubah .J\"* rnol.kul i, men jadi lima molekul C,, sehingga siklus oksidatif dapat terus terjadi.

METABOLISME MIKROBA / 75Dehidrogenase Glukosa 6Josfat \ t, \rr,NAD+ NADH+H+ NAD+ NADH+H+ Ribulosa SJosfatTransketolase (co) \ C(s) CO, Xilulosa 5-fosfat Gliseraldehid 3-fosfat Ribosa S-fosfat V/'- \ (\.5/ ,\"ooneptulosa 7-fosfat (u7) Xirulosa S-fosfa, ctiserald,ejjf 3-fosfat Eritrosa 4-fosfat Vt'/-,-'- \ (Ca) Frrktora ojosfat (Co)Kinase, Aldolase Dihidroksiaseton fosfat (ca) \tADP ATP Gliseraidehld 3-fosfat Fruktosa 6-fosfat \ '/ > Fruktosa 1.6-difosfat (ca) (co)Aldolase, Fosfatase --) HzO Fosfat Dihidroksiaseton fosfat (cg) J It--* Fruktosa 1, o-difosfat \ tt Fruktosa 6-fosfat rcor Gliseraldehid 3-fosfat (cs) *l Hzo Fosfat Dihidroksiaseton fosfat I* sedoheptulosa 1, 7-difosfat \ ' r sedoheptulosa 7-fosfat (ca) ), tc,) Eritrosa 4-fosfat (Cq)Transaldolase Eritrosa 4-fosfat (Ca) Sedoheptulosa 7-fosfat (Cz) Fruktosa 6-fosfat (Co) Gliseraldehid 3-fosfat (cs)Gambar 5-5. Mekanisme biokimiawi untuk mengubah panjang molekul karbohidrat. Rumus empiris umum untukester karbohidrat fosfat, (C\"Hr\"O\")-N-fosfat, disingkat (C\") untuk menekankan perubahan panjang rantai.

76 BAB 6 Reaksi akhir Glukosa6-fosfat+'12NAD-+ ,:,T+.*HzO '6COz+ 12NADH + Fosfat6NAD+ .6NAD+ I u*oo', fI u*oo, u..ac,U_+ 4\ , 6CO\" HzO t_ I l- ostat 2C: \t/>c. Aldolase, fosfataseGambar 6-5. Pintas heksosa monofosfat. Reaksi oksidatif (Gambar 6-5) mereduksi NAD\" dan menghasilkan CO'menyebabkan pemendekan enam heksosa fosfat (disingkat Cu) menjadi enam pentosa fosfat (disingkat Cn).Penyusunan ulang karbohidrat (Gambar 6-5) mengubah-pentosa fosfat menjadi heksosa fosfat sehingga siklus oksidatifdapat berlanjut. Jelaslah bahwa semua reaksi ur-rtr-rk interkonversi Pembentukan & Penggunaanpanjang rantai karbohidrat tidak digunakarr pada saat Fosfoenolpiruvatyang bersamaan. Pemilihan seperangkat enzim spesifik,terutama penentuan jalur metabolik yang digunakan, Tiiosa fosfat, dibentuk melalui interkonversi karbol.ridrat fosfoester, diubah men.ladi fosfoenolpiruvat melaluiditentukan oleh surnber karbon dan kebutuhan biosintetiksel itu. Misalnya, suatu sel yang diberi triosa fosfat sebagai serangkaian reaksi yarrg diperlihatkan pada Gambar 6-7.sumber karbohidrat akan menggunakan kombinasi Oksidasi gliseraldehid 3-fosfat oleh NAD- disertaialdolase fosfatase untuk membentuk fruktosa 6-fosfar; pembentukan ikatan anhidrida asam pada satu karbor-rkinase yang bekerja pada fruktosa 6-fosfat dalamkonversinya menjadi tiiosa fosfat tidak akan aktif dalam dari 1,3-difosfoglise rat. Anhidrida fosfat ter.sebutkeadaan ini. Jika kebutuhar-r akan pentosa 5-fb.sfat tinggi,seperti pada kasus asimilasi karbon dioksida fotosintetik, ditransfer pada fosforilasi substrat ke ADP, menghasilkan ikatan kaya energi pada ATP. Ikatan fosfat yang kayatransketolase yang dapat menghasilkan penrosa 5-fosfar energi lainnya terbentuk melalui proses dehidrasi 2-menjadi sangat aktif. fosfo gliserat menj adi fosfo er-rolpiruvat; melalui fosforilas i Singkatnya, glukosa 6-fbsfat clapat dianggap sebagai substrat yang iain, fosioenolpiruvat dapat memberikanmetabolit fokal karena berperan sebagai prekursor ikatan yang kaya energi ke ADB menghasilkan AIP danlangsung untuk unit pembangun metabolik dan sebagai piruvat. Oleh karena itu, dua ikatan kaya energi padasumber karbohidrat dengan panjang beragam yang ATP dapat diperoleh n-relalui konversi metabolik triosadigunakan untuk tujuan biosintetik. Glukosa 6-fosfat fosfat menjadi piruvat. Peristiwa tersebut merupakar.rsendiri dapat dibentuk dari karbohidrat terfosforilase proses oksidatif, dan tanpa adanya akseptor elektronlainnya melalui pemilihan jalur dari seperangkat reaksi eksogen, NADFi yang dihasilkan rnelalui oksidirsiuntuk interkonversi panjang rantai. Reaksi yang dipilih gliseraldehid 3-fosfat harus dioksidasi menjadi NAD' olehditentukan oleh porensial genetik sel tersebut, sumber piruvat atau oleh metabolit-metabolit yang berasal darikarbon utama, dan kebutuhan biosintetik organismc. piruvat. Produk-produk yang terbentuk dari proses iniRegulasi metabolik diperiukan untuk mernasrikan bahwa sangat []ervaria.si dan, seperti yang dijelaskan ken-rudianreaksi yang terpilih adalah reaksi vang dapat memenuhi dalam bab ini, dapat digunakan untuk mengidentifikasi bakteri yrlng secara klinis signifikan.kebutr-rhan organisme. Pembentukan fbsfoeno$iruvat dari piruvat memerlukan sejurnlah besar energi metabolik, dan dua ikatan ATP

METABOLISME MIKROBA 77 OKSIDASI FOSFORILASI SUBSTRATcH20H \ /'cHo NAD+ NADH+H+ [opo.r- ADP ATP coz- HJou f ,iJr-' I c1H-2\"oPo31- ; I If-:f) HCOH ., ,-\",\"t*],t,.?'-, I IcH20Po32- cH2oPo32- 3-Fosfogl iserat Triosa fosfat FOSFORILASI I SUBSTRAT I coz* ATP ADP cto'\"- HrO I i COPO32- *\ + C=O il coz- I cHs I cHs Fosfoenolpi ruvat HCOPO32- Piluvat I cH2oH 2-FosfogliseratGamhar 6'-7. Pembentukan fosfoenolpiruvat dan piruvat dari triosa fosfat. Perhatikan pada dua tempatfosforilasisubstrat dan pada tahap oksidatif yang menyebabkan reduksi NAD- menjadi NADH. Pengulangan jalur yangmenghasilkan energi ini membutuhkan suatu mekanisme untuk mengoksidasi NADH menjadi NAD-. Organismeperagi mencapai tujuan ini dengan menggunakan piruvat atau metabolit yang berasal dari piruvat sebagai oksidan.anhidrida selalu ditanam pada proses ini. Beberapa dibenruk melalui karbolsilasi piruvat atau fosfoenolpiruvat.o rganisme- aEs c h e ri c h i i,c o I misalnya-secara lan gsun g Pada cabang lain, piruvat diolaidasi menjadi asetil-KoA. Yang penting adalah, apapun rnekanisme enzimatik yangmemfosforilasi piruvat dengan ATP, menghasilkan AMP digunakan untuk pembentukan oksaloasetat, asetil-KoAdan fosfat anorganik (P,). Organisme lain menggunakan diperlukan sebagai efektor metabolik positif untuk prosesdua tahap metaboiik: Satu ikatan pirofosfat ATP ditanamdalam proses karboksilasi piruvat menjadi oksaloasetat, tersebut. Oleh karena itu, sintesis oksaloasetatdan ikatan pirofosfat kedua (sering dibawa oleh GTPbukan AIP) digunal.-an untuk men ghasi lkan fosfbenolpiruvat diseimbangkan dengan produksi asetil-KoA. Gabungandari oksaloasetat. oksaloasetat dengan asetil-KoA menghasilkan sitrar. Isomerisasi molekul sitrat menghasilkan isositrat, yangPembentukan & Penggunaan Oksaloasetat secara oksidatif mengalami dekarboksilasi menjadi a- ketoglutarat.Seperti diuraikan sebe lumnya, banyak organ ismemembentuk oksaloasetat rnelalui proses karboksilasi JALUR ASIMILASIpituvat yang bergantung pada AIP. Organisme lain, seperti Pertumbuhan dengan AsetatE coli, yang membentuk fosfoenolpiruvat secara langsungdari piruvat, menyintesis oksaloasetat melalui karbotrailasi Asetat dimetabolisme melalui asetil-KoA, dan banyakfosfoenolpi ruvat. organisme memiliki kemampuan untuk membentuk asetil- KoA (Gambar 6-9). Asetil-KoA digunakan pada biosintesis Suksinil-KoA merupakan prekursor biosintetik yang o-ketoglutarat, dan pada sebagian besar organismediperlukan untuk sintesis porfirin dan senyawa-senyawa respiratorik, gugus asetil pada asetil-KoA dioksidasi secaraesensial lain. Beberapa organisme membentuk suksinil- lengkap menjadi karbon dioksida melalui siklus asamKoA dengan mereduksi oksaloasetat melalui malat dan trikarboksilat (Gambar 6-10). Namun, kemampuan menggunakan asetat sebagai sumber karbon, terbatas padafumarat. Reaksi-reaksi tersebut menggambarkan mikroorganisme dan tanaman tertentu dalam jumiah yang relatif sedikit. Sintesis prekursor biosintetik dari asetatpembalikan aliran metabolik yang diobservasi pada siklus dicapai dengan merangkaikan reaksi siklus asamasam trikarboksilat yang konvensional (Gambar 6-10). trikarboksilat dengan dua reatr<si lain yang dikatalisis oleh isositrat liase dan malat sintase. Seperti yang diperlihatkanPembentukan o-Ketoglutarat dari Piruvat pada Gambar 6-ll, reaksi-reaksi tersebut memungkinkanKonversi piruvat menjadi o-ketoglutarat memerlukan konversi akhir dua unit asetil dari asetil-KoA secarasuatu jalur metabolik yang memencar dan kemudianmengumpul (Gambar 6-8). Pada satu cabang, oksaloasetat

BAB 6cozNAD+ HSCoA NADH+H+ co\"- t' C=O I cHePiruvat cto- ,- O =CCOz- HOcttClH'C2OcTo-2---L/^-+1o |cHCo2- cH2co2- C=O I Sitrat CCO2- I cH2co2- cH2co2' Asonitat cHe OksaloasetatPiruval Hzo coPo32- o=ccoz- at o= ccoz- NADH+H+ )-D*HoccHHccoo2r-- ?t, cHco2- r \- it CHz c12co2- cr-Ketoglutarat Fosfoenol- piruvat cH2co2- cHCO2- Oksalosuksinat lsositratGambar 6-8. Konversi piruvat menjadi a-ketoglutarat. Piruvat diubah menjadi a-ketoglutarat melaluijalur biosintetikyang bercabang. Pada satu cabang, piruvat dioksidasi menjadi asetil-KoA; pada cabang lain, piruvat dikarboksilasimenjadi oksaloasetat.oksidatif menjadi satu molekul suksinat. Sukrin\"t d^p\"t memungkinkan triosa fosfat diubah menjadi derivatdigunakan untuk tujuan biosintetik setelah diubah pentosa ribulosa 5-fosfat, yang difosforilasi untukmenjadi oksaloasetat, cr-ketoglutarat, fosfoenolpiruvat, menghasilkan molekul akseptor, ribulosa 1,5-difosfat (Gambar 6-l2F.^). Karbon tereduksi lainnya, yangatau glukosa 6-fosfat. dibentuk melalui asimilasi reduktif karbon dioksida, diubah menjadi metabolit fokal untuk jalur biosintetik.Pertumbuhan dengan Karbon Dioksida:Siklus Calvin Sel-sel yang dapat menggunakan karbondioksida sebagai satu-satunya sumber karbon disebut autotrofik,Seperti tumbuhan dan alga, sejumlah spesies mikroba dan kebutuhan untuk asimilasi karbon jenis ini dapatdapat menggunakan karbon diolaida sebagai satu-satunyasumber karbon. Pada hampir semua organisme tersebut, diringkas secara singkat sebagai berikut: Selain reaksijalur utama asimilasi karbon adalah meialui siklus Calvin,yang menggabungkan karbon dioksida dan ribulosa asimilasi utama yang menghasilkan 3-fosfogliserat, harusdifosfat untuk membentuk dua molekul 3-fosfogliserat(Gambar 5-l2A). 3-Fosfogliserat mengalami fosforilasi ada mekanisme untuk meregenerasi molekul akseptor,menjadi 1,3-difosfogliserat, dan senyawa tersebutdireduksi menjadi derivat triosa, gliseraldehid 3-fosfat. ribulosa 1,5-difosfat. Proses tersebut membutuhkanReaksi penyusunan ulang karbohidrat (Gambar 6-5) reduksi 3-fosfogliserat sampai tingkat karbohidrat; proses ini membutuhkan energi. Oleh karena itu, autotrof memerlukan karbon diotr<sida, ATB NADPH, dan suatu rangkaian enzim spesifik.

METABOLISME MIKROBA 79 co\"- NAD- l' C=O I cHsPiiuvatAsam lemak ATP AMPGambar 6-9. Sumber biokimiawi asetil-KoA.Depolimerase tak akan terjadi pada organisme-organisme yangBanyak substrat yang potensiai untuk pertumbuhan menggunakan oksigen sebagai akseptor elektron. Padamerupakan unit pembangun dalam struktur polimer organisme tersebut, reduktan kuat dapat digunakan untukbiologis. Molekul besar tersebut tidak dapat dibawa mendorong reaksi yang memungkinkan asimilasi senyawa yang relatif sulit dipecah. Suatu contoh adalah asimilasidengan mudah melewati membran sel dan sering terikat reduktif benzoat, suatu proses yang cincin aromatiknyapada struktur sel yang lebih besar. Banyak mikroorganisme direduksi dan dibuka untuk membentuk pimelat asammembentuk depolimerase etr<straselular yang menghidrolisis dikarboksilat. Reaksi metabolik lanjutan mengubah pimelat menjadi metabolit fokal.protein, asam nukieat, polisakarida, dan lipid. Polaaktivitas de polimerase dapat bermanfaat dalam Asimilasi Nitrogenidentifi kasi mikroorganisme. Asimilasi reduktif molekul nitrogen, juga disebut fiksasi nitrogen, diperlukan untuk kelangsungan hidip di planetOksigenase kita. Fiksasi nitrogen dilakukan oleh berbagai bakteri dan sianobakteria yang menggunakan sistem nitrogenaseBanyak senyawa dalam lingkungan yang relatif resistan multikomponen. Meskipun terdapat bermacam-macamterhadap modifikasi enzimatik, dan pemakaian senyawa- organisme yang mampu mengikat nitrogen, tetapisenyawa tersebut sebagai substrat pertumbuhan kompleks nitrogenasenya sama pada hampir semuamembutuhkan golongan enzim khusus, yaitu oksigenase. organisme tersebut (Gambar 6-14). Nitrogenase adalahEnzim-enzim tersebut secara langsung menggunakan suatu kompleks dua enzim-satu enzim yang mengandungoksidan kuat yaitu molekul oksigen sebagai substrat dalam besi dan yang lain mengandung besi dan molibdenum.berbagai reaksi yang mengubah senyawa yang relatif sulitdipecah menjadi suatu bentuk yang dapat diasimilasi Bersama-sama, kedua enzim ini mengkatalisis reaksimelalui reaksi-reaksi yang dipermudah secara termo-dinamik. Kerja oksigenase digambarkan pada Gambar berikut:6-13, yang memperlihatkan peranan dua oksigenase N, + 6H' + 6e + I2ATP 2NH: + 12ADP + 12Pberbeda pada penggunaari benzoat. Asimilasi nitrogen yang bers-i+fat reduktif ini membutuhkanJalur Reduktif sejumlah energi metabolik yang banyak: Dua belas sampaiBeberapa mikroorganisme hidup dalam lingkungan yangsangat reduktif, yang memungkinkan reaksi kimia yang enam belas molekul ATP dihidrolisis, sementara satu

BAB 5 o il c12co2- CH.CSCoA '?o Asetir-KoA X '\"ff:\",- -<.'?HCot o=CCoz-' H( roHSCoA Sitrat ?iu\"rocro-r-a H.o [,nr\"or- ]\" Oksaloasetat AkonitatNADH+H. \ \ \/NAD, _/ HOCHCOT I cHco2-HOCHCOT I cH2co2-cH2co2- lsositratL-Malat NAD* f NADH+HnAH.\"O\cHCO2- O=CtC' o-- CtH-CO?-cHcot cH2co2*Fumarat Oksalosuksinat-\ \EnzlFADH,) z\ O:CCl' O^/\EnzEAD\ / cIH' - ct-trcor- HSCoA CH2CO2- Coz o Co, .) u-Ketoglutarat | CH2C02- HSCoA Suksinat t il G\TP I CH,CSCoA I runo* GDP I cN2co; NADH Suksinil-KoA + HIGambar 6-1O- Siklus asam trikarboksilat. Terdapat empat tahap oksidatif, tiga menghasilkan NADH dan satumenghasilkan flavoprotein-tereduksi, Enz(FADHT). Siklus dapat berlanjut hanya jika akseptor elektron tersedia untukmengoksidasi tIADH dan flavoprotein-tereduksi.molekul N, direduksi menjadi dua molekul NH, oleh bidang pertanian adalah Rhizobiaceae, organisme yangtiga molekul NADH + Ht. mengikat nitrogen secara simbiotik dalam bintil akar Kebutuhan fisiologis tambahan didasarkan padakenyataan bahwa nitrogenase dapat diinaktivasi oleh tanaman leguminosa. Banyak organisme yang memiiiki kemampuan untukoksigen. Organisme aerob yang menggunakan nitrogenase menggunakan amonia sebagai sumber nitrogen. Bagitelah membentuk mekanisme yang rumit untuk nitrogen, jalan masuk utama ke dalam metabolismemelindungi enzim-enzim dari inaktivasi. Beberapa karbon adalah glutamat, yang terbentuk melalui aminasi reduktif ct-ketoglutarat. Seperti yang diperlihatkan padamembentuk sel khusus untuk tempat pengikatan nitrogen, Gambar 6-15, terdapat dua mekanisme biokimia yangdan yang lain mempunyai rantai transpor elektron yang dapat digunakan. Satu, reduksi satu tahap yang dikatalisisrumit untuk melindungi nitrogenase dari inaktivasi oleh oleh glutamat dehidrogenase (Gambar 6-15A), efektif padaoksigen. Bakteri yang paling signifikan dari jenis ini pada

METABOLISME MIKROBA / A1 O: Cl'CO^- |'cHCO^- cq2co2- ?'o, Oksaloasetat cHzco2-NADH+H+ Asosinat NAD* r\ HOCHCO2- I Hzo I I cH2ca2- I r-Malat HOCHC02- MALAT SINTASE ctH\" co\"- cH2co2* lsositrat ISOSITRAT LIASE cH2co2- I cH2c02* SuksinatGambar 6-1?.5iklus glioksllat. Perhatikan bahwa reaksi-reaksi yang mengubah malat menjadi isositrat juga dipakaioleh siklus asam trikarboksilat (Gambar 6-10). Divergensi metabolik pada tingkat isositrat dan kerja dua enzim, yaituisositrat liase dan malat sintase, memodifikasi siklus asam trikarboksilat sehingga mereduksi dua molekul asetil-KoAmenjadi suksinat.lingkungan yang suplai amonianya cukup. Lainnya, suatu sintase diatur oleh suplai amonia dan te rse dianyaproses dua tahap dengan glutamin sebagai zat antar^ metabolit yang mengandung nitrogen yang secara langsung(Gambar 6-15B), digunakan dalam lingkungan yangsedikit mengandung amonia. Mekanisme terakhir ini berasal dari nitrogen amida pada glutam.in.memungkinkan sel-sel menyimpan energi bebas yangdibentuk melalui hidrolisis ikatan pirofosfat pada ATP Sebagian besar nitrogen organik dalam sel berasal darike dalam asimilasi amonia dari lingkungan. gugus ct-amino pada glutamat, dan mekanisme utama Nitrogen amida dari glutamin, suatu zat antara pada untuk transfer nitrogen adalah melalui transaminasi.asimilasi nitrogen dua langkah menjadi glutamat (Gambar6-15B), juga ditransfer secara iangsung ke nitrogen Biasanya akseptor pada reaksi ini adalah asam o(-keto,organik yang ada pada struktur purin, pirimidin, arginin, yang diubah menjadi asam cx-amino yang sesuai. ct-triptofan, dan glukosamin. Aktivitas dan sintesis glutamin Ketoglutarat, produk lain dari reaksi transaminasi, dapat diubah menjadi glutamat melalui aminasi reduktif (Gambar 6- l5).

82 BAB 6cH2oH cH2oPo32- 2AIP [Ioro\"2'N-AD|PH,*oor' cHo ,\"\"t* 9or co.- | ,oo, ,\"Jo\"*L* \ ,Jo, \ \ ,*.t*c=o ATP AnPtP c= o'I\"HCOH I I I I - cH20Po32* HCOH cH20Po32- cH2oPo32IIcH2oPo32- cH2oPo32-Ribulosa Ribosa 2 3-Fosfo- 2'1,3-Difosfo- 2 Gliseraldehid5-fosfat 1,5-difosfat gliserat gliserat 3-fosfat (2 c3) (cs) Metabolit fokal dan biosintesis Aldolase, 4C,, ...f.o.s-f.a.ta.s-e---- 2Ca 2Cs t Trans- 4 \-1\ t .tot\"..,/ (\ 2Cs 2Cq \ Atdotase, \ fosfatase ( 2ct -ry*TTaocuAsimilasi reduktif CO,l2NADPH 12ADP 12ATP 6CO2 6ADP 6ATP ,iGambar 5-12. Siklus Calvin. A: Asimilasi reduktif COr. ATP dan NADPH digunakan untuk mereduksi pentosa 5-fosfat(Cr) menjadi dua molekul triosa fosfat (Cr). B: Siklus Calvin diakhiri dengan reaksi penyusunan ulang karbohidrat(G-ambar 6-5) yang memungkinkan sintesis karbohidrat dan regenerasi pentosa fosfat sehingga siklus dapat terusberlangsung.

METABOLISME MIKROBA 83 o @ co^- o----f\*lrl,'-\.\" r'v NADH NAD' NAD* NADH + +Benzoat H* L{+ Suksinil-KoA + Asetil-KoA 5rangkah)Gambar 6-13. Peran oksigenase pada penggunaan benzoat sebagai sumber karbon secara aerob. Oksigen molekularikut serta secara langsung dalam reaksi yang memecah cincin aromatik pada benzoat dan katekol.JALUR BIOSINTETIK arginin dan prolin (Gambar 6-16) kurang jelas, tetapi dapat dilihat. Demikian pula, rangka karbon pada aspartat,Menelusuri Struktur Prekursor Biosintetik: secara langsung berasal dari oksaloasetat (suatu metabolitGlutamat & Aspartat fokal), terbukti ada dalam struktur asparagin, treonin,Pada banyak kasus, rangka karbon dari produk akhir metionin, dan pirimidin (Gambar 6-17). Pada beberapa kasus, berbagai rangka karbon bergabung dalam jalurmetabolik dapat ditelusuri sampai ke asal biosintetiknya. biosintetik. Misainya, aspartat semialdehid dan piruvatGlutamin, suatu contoh yang fiyata, jelas berasal dari bergabung untuk membentuk prekursor metabolik lisin,glutamat (Gambar 6-16). Rangka glutamat pada struktur o2 I Leghemoglobin I 4;\";\a(Kdtaaarribugoflohiktidoorslaiistni-ts-e-s+is)[\ \: oksidasi ) terminat ./ -,/ l6MgATP lGMgADP 2H' + 2e- / ,,/H2 n..leormogaelnaanse N2 2NH3Gambar 5-14, Reduksi N, menjadi dua molekul NH, Selain reduktan, reaksi nitrogenase memerlukan sejumlah besarenergi metabolik.iumlahmolekul ATPyangdiperlukanuntukreduksi satu molekul nitrogenmenjadi amoniatidaktetap; nilai ini tampaknya terletak antara 12 dan 16. Keseluruhan reaksi memerlukan SNADH + H*. Enam di antaranyadigunakan untuk mereduksi N, menjadi 2NH, dan dua lainnya digunakan untuk membentuk Hr. Ambilan hidrogenaseakan mengembalikan H, ke dilam sistem sehingga dapat menghemat energi. (Digambar ulang dan direproduksi dengan izindari Moat AG, Foster JW: Microbiol Physiology,3rd ed. Wiley-Liss, 1995. Dicetak ulang seizin John Wiley & Sons, lnc.)

84 BAB 6asam diaminopimelat, dan asam dipikolinat (Gambar 6- dari pentapeptida ditambahkan secara berturut-turut,18). Dua senyawa yang disebut terakhir hanya ditemukan masing-masing tambahan dikatalisis oleh enzim yangpada prokariot. Asam diaminopimelat adalah suatukomponen peptidoglikan pada dinding sel, dan asam berbeda dan masir-rg-masing melibatkan reaksi pemecahandipikolinat merupakan komponen utama endospora. ATP menjadi ADP + P.Sintesis Peptidoglikan Dinding Sel UDP asam-/V-asetilmuramat-pentapeptida menempelStruktur peptidoglikan. tampak pada Gambar 2-19; lalur pada baktoprenol (suatu lipid pada membran sel) dansintesisnya terlihat pada Gambar 6-19 dalam bentuk yang menerima molekul l/-asetilglukosan'rin dari UDP Derivatdisederhanakan. Sintesis peptidoglikan dimulai dengan pentaglisin yang berikutnya dibentuk melalui rangkaiansintesis bertahap UDP asam-l/-asetilmuramat-pentapeptida reaksi yang menggunakan glisil-tRNA sebagai donor;dalam sitoplasma. Mula-mula,A/-asetilglukosamin melekatpada UDP dan kemudian diubah menjadi UDP asam-i/- disakarida yang lengkap dipolimerisasi menjadi zat antaraasetilmuramat melalui proses konclensasi dengan oligomerik sebelurn ditransfer ke ujung pertumbuhanfosfoenolpiruvat dan proses reduksi. Asam-asam amino polimer glikopeptida pada dinding sel. A. Amonia konsentrasi tinggi' Pertautan silang akhir dicapai nrelalui reaksi cto' \"- transpeptidasi. Pada reaksi ini, gtlgus asam amino bebas c=o dari residu pentaglisin menggantikan termir-ral residu D- I +iCO; NADP+ CHz+NH3.+NADPH \"!i*f H I . CHz + CtH\" \" I cot Ct-H, cr-Ketoglutarat co; GlutamatB. Amonia konsentrasi rendah. +{ qot H\".Nl CH cHz+ADP*Pi +{ I H3NCH CctH-:,o I I CHz+ATP+NH3 l''' ,:rNFlt' Unz Glutamin cI otGlutamat co\"- cto' -- co\"- co; +l +l +l 'l C=O H3Ntt CH H3NqH H3NCH CHz + NADPH cllHz+cHr+NADP* cCt'oHt. Cl-H\" I I coz ctH' \" clH' ^ 2 Glutamat ctH'^ CO; C=O cr-Ketoglutarat I ':Nll,tGlutaminGambar 6-15. Mekanisme untuk asimilasi NHr. A: Bila konsentrasi NH3 tinggi, sel mampu mengasimilasi senyawamelalui reaksi glutamat dehidrogenase. B: Bila, karena seringnya kasus tersebut, konsentrasi NH3 rendah, sel-selmerangkaikan reaksi glutamin sintase dan glutamat sintase untuk menyimpan energi yang dihasilkan melalui hidrolisisikatan pirofosfat ke dalam asimilasi amonia.

METABOLISME MIKROBA 85alanin pada pentapeptida di sebelahnya. Transpeptidasi teraktivasi. Proses ini tidak melibatkan carrier lipid yangdikatalisis oleh salah satu dari seperangkat enzim yang terikat membran. Adanya kapsul sering ditentukan secaradisebut protein pengikat penisilin (PBP). PBP mengikat lingkungan: Dekstran dan levan, misalnya, hanya dapatpenisilin dan antibiotika p-laktam lain secara kovalen, disintesis menggunakan sukrosa disakarida (fruktosa-sebagian karena kemiripan struktural antara antibiotika glukosa) sebagai sumber subunit yang sesuai sehinggatersebut dengan prekursor pentapeptida. Beberapa PBP sintesisnya bergantung pada adanya sukrosa dalammempunyai aktivitas transpepddase atau karboksipeptidase, medium.kecepatan relatifnya mungkin mengontrol tingkat Sintesis Granula Cadangan Makananpertautan silang pada peptidoglikan (suatu faktor yang Bila zat makanan yang tersedia melebihi kebutuhan untukpenting dalam pembentukan sekat sel). pertumbuhan, bakteri mengubah beberapa diantaranya Jalur biosintetik memegang peran khusus dalam menjadi granula cadangan makanan di dalam sel (intrasel).bidang kedokteran, karena meniberikan dasar kerja Zat yang utama adalah repungr glikogen, poli-B-antibakteri selektif dari beberapa agen kemoterapi. Tidakseperti sel-sel pejamunya, bakteri tidak isotonik dengan hidrolaibutirat (PBHB), dan volutin, yang rerutama terdiricairan tubuh. isi selnya berada dalam tekanan osmotik dari polifosfat anorganik. Jenis granula yang terbentuktinggi, dan kelangsungan hidupnya bergantung pada bersifat kias untuk spesies itu. Granula didegradasi bilaintegritas pola geometris peptidoglikan dalam dinding zat makanan eksogen habis.sel yang dipertahankan selama siklus pertumbuhan. Setiapsenyawa yang menghambat langkah apapun dalam POLA METABOI.ISME PENGHASILbiosintesis peptidoglikan menyebabkan dinding sel ENERGI PADA MIKROBAbakteri yang sedang tumbuh meiemah dan sel melisis.Tempat kerja beberapa antibiotika diperlihatkan pada Seperti telah dijelaskan pada Bab 5, terdapat duaGambar 6-19. mekanisme metabolik utama untuk menghasilkan ikatanSintesis Lipopolisakarida Selubung Sel asam pirofosfat yang kaya energi dalam ATP: fosforilasi substrat (transfer langsung ikatan anhidrida fosfat dariStruktur umum iipopolisakarida antigenik pada selubung donor organik ke ADP) dan fosforilasi ADP oleh fosfatsel gram negatif diperlihatkan pada Gambar 2-20. anorganik. Reaksi yang terakhir secara energi tidakBiosintesis gugus akhir berulang, yang menghasilkan sifat menguntungkan dan harus dilakukan oleh gradien elektrokimia transmembran, yairu daya gerak proron.spesifisitas antigenik dari selubung sel tersebut, Pada respirasi, gradien elektrokimia dihasilkan dari reduktan dan oksidan yang diperoleh dari luar. Energidiperlihatkan pada Gambar 6-20. Perhatikan kemi- yang dilepaskan oleh transfer elektron dari reduktan ke oksidan melalui canier yang terikat membran dibarengiripannya dengan sintesis peptidoglikan: Pada kedua kasus, dengan pembentukan gradien elekrrokimia transmembran. Pada fotosintesis, energi cahaya menghasilkan reduktanrangkaian subunit dirakir pada carrier lipid dalam dan oksidan yang berhubungan dengan membran; terbentuk gaya gerak proton seiring dengan kembalinyamembran dan kemudian ditransfer ke ujung terbuka carrier elektron ini ke keadaan dasar. Berbagai proses inipolimer yang sedang rumbuh. dibahas di bawah.Sintesis Polimer Kapsular Ekstraselular Jalur FermentasiPolimer kapsular, yang beberapa contohnya disajikan A. STRATEGI UNTUK FoSFoRILAsI SUBsTRATpada Tabel 2-1 , secara enzimatis disintesis dari subunit Tanpa respirasi atau fotosintesis, sel-sel bergantung seiuruhnya pada fosforilasi substrat untuk energinya: *?o'- Pembentukan ATP harus terangkai dengan penyusunan ulang senyawa-senyawa organik secara kimiawi. Banyak?t, ?*,.,H.,,*3?9N1.tC',*\"H#,9|*'?,,t'rt,' ?or- senyawa dapat berperdn sebagai substrat pertumbuhan?t, ?t, yang dapat difermentasi, dan ada banyak jalur untuk,:1,.:,..,:lt,'C!ts.4:.,t NH t\"r\"Tt--.)?\"tt, fermentasinya. Jalur-jaiur tersebut mempunyai tiga tahapNH,''\" 1\"\"'''''\"'\"'t umum: (1) Konversi senyawa yang dapat difermentasi l ..;...;;;:.;1,,,,,,,,11;;!.J1:;..4..,..,...... menjadi donor fosfat untuk fosforilasi substrat. Tahap ':::,.''.::':':::\"1:))::\"1:t,::r::.. ..::.'::.:.ttt,' ini sering kali terdiri dari berbagai reaksi metabolik yang ?:*, NHz ProlinGlutamin ,ArgininGambar 6-16. Asam amino yang dibentuk dari glutamat.

86 BAB 6 'tH- -3*: lcqN,I,o\"qF.\"l\"-' coi' ,H9.iol';r*- *.:, o, - \"' \".- C=O al ll l.*rit@nl',o-n.Tc''*Xlfn-n: s,H3NCl:Hi. SH cHoH CHs I I NHz cHs Asparagin Treonin Metionin UrasilGambar 6-17. Produk akhir biosintetik yang terbentuk dari aspartat.mereduksi NAD- menjadi NADH. (2) Fosforilasi ADP B. FERMENTASI GLUKOSAoleh donor fosfat yang kaya energi. (3) Langkah-langkah Keragaman jalur fermentatif digambarkan berdasarkanmetabolik yang membawa produk fermentasi ke dalam pertimbangan beberapa mekanisme yang digunakan olehkeseimbangan kimiawi dengan materi awal. Kebutuhanyang paling sering muncul dalam tahap akhir adalah mikroorganisme untuk mencapai fosforilasi substratmekanisme untuk oksidasi NADH, yang dihasilkan pada dengan mengorbankan glukosa. Pada umumnya, fosforilasitahap awal fermentasi, menjadi NAD- sehingga ADP menjadi ATP dapat dirangkaikan dengan satu dari dua transformasi yang seimbang secara kimiawi berikutfermentasi dapat berlangsung. Pada bagian berikut, akan ini: Glukosa +2 Asam laktatdijelaskan masing-masing contoh dari ketiga tahap (c6H1ro6) (caH5o3)fe rmentasi. Ha H.c -2izo ttrcl cH \cH -2H +lll ilt H-'lcl\"'-\9 + l- rr Hooc\tt4coot-tHOOCHC/ --NH, o-,lt \cooH Hooc tc\ N--c-cooH Asam dipikolinat (spora)Aspartat semialdehid Piruvat Asam dihidropikolinat -?n -nr?--Cf'\z-g--r, /- -/ \J +sDuuk^s>irnrrirrr--K^uohA T ,- .- l' ---\"-,.t., HoocH2 C\N. --.\"ctcoo{ +Hro C A,sam tetrahidropikolinat -/ Hoo\"cr/c?\r--\"o Hc- l-cooH .( -/ Tt (succ)' cooH \"\"2 cooH I I HC -NH2 HC -NH2 I I (CH,). (cH\")\" t-- H2C -NH2 HC -NH2 Lisin (protein) I cooH Asam diaminoPimelat (dinding sel)Gambar 6-18. Produk akhir biosintetik yang terbentuk dari aspartat semialdehid dan piruvat.

METABOLISME MIKROBA /87- - -'- FosfoenolpiruvatFosfonomisin Basitrasin GlisiltRNA BP-P-P Peptidoglikan (ujung polimer pada dinding sel yang sedang tumbuh) Vankomisin, ristosetin I I * Pio-Ala->Ala +Ala +1F r-Ala Sikloserin SikloserinGamhar 6-19. Biosintesis peptidoglikan dinding sel, yang menunjukkan tempat kerja enam antibiotik. BP = baktoprenol;MurNAc = asam N-asetilmuramat; GlkNAc = N-asetilglukosamin. A: Sintesis UDP-asam asetilmuramat-pentapeptida.B: Sintesis peptidoglikan dari UDP-asam asetilmuramat-pentapeptida, UDP-N-asetilglukosamin, dan residu glisil.(Lihat Gambar 2-19 untuk struktur peptidoglikan.)

88 BAB 6 B P-@-@-(s at-ra-ma n),-1 ae-@-@-eal-ra-man GDDPP-m.amn an/ BP-o-@ BP-@-@-oal-ra B P-@-(D-(s a t- ra- m a n )n -'lTDP Polisakarida inti/\TDP-ra Polisakarida inti- ee-@-@-oar BP-@-@ (sal-ra-man)n BP-@ UDP-galGambar 6-2O. Sintesis unit berulang rantai samping polisakarida pada Salmonella newington dan transfernya ke intilipopolisakarida. BP = baktoprenol. Glukosa +2 Etanol + 2 Karbon dioksida menjadi dua molekul triosa (Cr) fosfat. Empat reaksi (c6Hrro5) (crH5o) (cor) fosforilasi substrat menyertai konversi triosa fosfat menjadi dua molekul piruvat. Oleh karena itu, denganMekanisme biokimiawi yang digunakan untuk mencapai mengingat dua ikatan ATP pirofosfat yang diperlukantransformasi ini sangat bervariasi. untuk membe ntuk triosa fosfat dari glukosa, jalur Embden-Meyerhof menghasilkan dua ikatan ATP Pada umumnya, fermentasi glukosa dimulai dengan pirofosfat. Pembentukan piruvat dari triosa fosfat adalahfosforilasinya menjadi glukosa 6-fosfat. Terdapat dua suatu proses olaidatif, dan NADH yang terbentuk padamekanisme untuk mencapainya: (1) Giukosa ekstraselular langkah metabolik pertama (Gambar 6-21) harus diubahdapat dibawa melewati membran sitoplasma ke daiam menjadi NAD- agar fermentasi dapat berlangsung; dua mekanisme yang lebih sederhana untuk mencapai tujuansel dan kemudian difosforilasi oieh ATP untuk ini digambarkan pada Gambar 6-22. Reduksi langsung piruvat oleh NADH menghasilkan laktat sebagai produkmenghasilkan glukosa 6-fosfat dan ADP. (2) Pada banyak akhir fermentasi sehingga menyebabkan asidifikasimikroorganisme, glukosa ekstraselular difosforilasi ketika medium. Alternatifnya, piruvat dapat didekarboksilasidibawa melewati membran sitoplasma oleh suatu sistem menjadi asetaldehid, yang kemudian digunakan untukenzim dalam membran sitoplasma yang memfosforilasi mengoksidasi NADH, sehingga menghasilkan produkglukosa ei<straselular dengan mengorbankan fosfoenolpiruvat, netral yakni etanol. Jalur yang diambil ditentukan olehmenghasilkan glukosa 6-fosfat dan piruvat intraselular. riwayat evolusi organisme itu dan, pada beberapaProses yang disebut terakhir adalah suatu contohmetabolisme vektorial, suatu rangkaian reaksi mikroorganisme, oleh keadaan lingkungan pertumbuhan.biokimiawi yang struktur maupun lokasi substratnyadiubah. Perlu dicatat bahwa pemilihan ATP atau D. FERMENTASI HETEROLAKTAT DAN ENTNER-fosfoenolpiruvat sebagai suatu agen yang memfosforilasi DoUDoRoFFtidak mengubah hasil ATP dalam fermentasi, karena Jalur alternatif untuk fermentasi glukosa mencakupfosfoenoipiruvat digunakan sebagai sumber ATP dalam beberapa reaksi enzim khusus, dan diperlihatkan padatahap fermentasi selanjutnya (Gambar 6-7). Gambar 6-23. Jalur Entner-Doudoroff dibedakan dari jalur metabolisme karbohidrat lain oleh dehidrasi 6-C, JALUR EMBDEN-MEYERHOF fosfogiukonat diikuti dengan reaksi aldolase yangJalur ini (Gambar 6-2 1), suatu mekanisme fermentasi menghasilkan piruvat dan triosa fosfat (Gambar 6-23A).glukosa yang sering ditemui, menggunakan kinase danaldoiase (Gambar 6-5) untuk mengubah heksosa (Cu) fosfat

METABOLISME MIKROBA 89 Glukosa co-- K:: l'Glukosa 6josfat U-U I cHs Piruvat I //\ \-t co2+ NADH+H* \ / \ \\gL-- ATP / YNAD' /LJ c1 :o( Kinase, atdotase /{\ OOt (lihat Gambar 6-5) cor- J*, I I osetaldehid+ CHOH tru'ot-t+H.Triosa fosfat I \, cHe \ S--Y'\"'N\"ran+ Laktat \ cH20H[r zr'rno. I$ 2p1a9s*2H- cH. Etanol-I 2ADP (Lihat Gambar 6-7) Gambar 6-22. Dua mekanisme biokimiawi yang*f> znrp piruvatnya dapat mengoksidasi NADH. Kiri: Pembentukan langsung laktat. yang menghasilkan produksi net asam Iaktat dari glukosa. Kanan: Pembentukan produk netral karbon dioksida dan etanol. I Meyerhof, jalur heterolaktat dan Entner-Doudoroff hanya menghasilkan satu substrat net fosforilasi ADP per + molekul glukosa yang difermentasi. Mengapa jalur f znoe alternatif untuk fermentasi glukosa dipilih dalam lo ,ot, lingkungan alamiah? Saat menjawab pertanyaan tersebut, 2 Piruvat harus diingat dua hal. Pertama, dalam kompetisi langsung I zvnon*zn. untuk pertumbuhan dua spesies mikroba, kecepatan |* ,*oo. penggunaan substrat dapat lebih penting daripada jumlah pertumbuhan. Kedua, glukosa hanya merupakan satu dari 2 Laktat banyak karbohidrat yang ditemukan oleh mikroorganisme pada lingkungan alaminya. Pentosa, misalnya, dapatGambar 6-21. )alur Embden-Meyerhof . difermentasi cukup efisien melalui jalur heterolaktat.Fermentasi heterolaktat dan beberapa jalur fermentatif E. VARIAsI LAIN FERMENTASI KARBoHIDRATlain bergantung pada reatr<si fosfoketolase (Gamb ar 6-238) Jalur fermentasi karbohidrat dapat mengakomodasi lebihyang secara fosforoiitik memecah ketosa-fosfat untuk banyak substrat daripada yang dijelaskan di sini, danmenghasilkan asetil fosfat dan triosa fosfat. Anhidrida produk akhirnyajauh lebih beragam daripada yangasam asetil fosfat dapat digunakan untuk menyintesis AIP diperkirakan. Misalnya, terdapat banyak mekanismeatau memungkinkan oksidasi dua molekul NADH olaidasi NADH dengan menggunakan piruvat. Satu jalurmenjadi NAD- ketika zar ini direduksi menjadi etanoi. seperti di atas adalah pembentukan suksinat secara Garis besar keseluruhan jalur Entner-Doudoroff danheterolaktat berturut-turut diperliharkan pada Gambar reduktif. Banyak bakteri yang penting dalam klinik6-24 dan Gambar 6-25. Jalw hanya menghasilkan satu membentuk piruvat dari glukosa melalui jalur Embden-molekul triosa fosfat dari glukosa, dan energi yang Meyerhof, dan dapat dibedakan berdasarkan produkdihasilkan juga rendah: Tidak seperti jalur Embden- reduksi yang terbentuk dari piruvat, yang merefleksikan konstitusi enzimatik pada spesies berbeda. Produk utama

BAB 6A cto' \"- l' ^tn\"- c=o I' : l') HCOH I I I ctH' ^ cHa Piruvat HOCH HCOH cHo I I I HCOH HCOH HCOH I I I HCOH cH2oPo32* cH20Po32- I 2-Keto-3-deoksi- 6-Fosfoglukonat Gliseraldehid cH2oPO32- 3-fosfat 6-Fosfoglukonat cH20H o I ll C=O cH3coPo32 I Asetil fosfat HOCH cHo I I HCOH HCOH I I cH20Po32- cH2oPo32- Xilulosa s-fosfat Gliseraldehid 3-fosfatGambar d-23. Reaksi-reaksi yang berhubungan dengan jalur khusus fermentasi karbohidrat. A: Reaksi-reaksidehidratase dan aldolase yang digunakan pada jalur Entner-Doudoroff. B: Reaksi fosfoketolase. Reaksi ini, ditemukanpada beberapa jalur fermenlasi karbohidrat, menghasilkan campuran anhidrida asam asetil fosfat, yang dapatdigunakan untuk fosforilasi substrat ADP.fermentasi, disajikan pada Tabel 6-1, membentuk dasar Pola Respirasiuntuk banyak uji diagnostik. Respirasi memerlukan membran tertutuP. Pada bakteri,F. FERMENTASI SUBSTRAT-SUBSTRAT LAIN membran tersebut adalah membran sel' Elektron dibawaKarbohidrat bukan satu-satunya substrat yang dapat dari reduktan kimiawi ke oksidan kimiawi melalui rangkaian khusus karier elektron di dalam membran, dandifermentasi. Metabolisme asam amino, Purin, dan akibatnya, terbentuk gaya gerak Proton (Gambar 6-26);pirimidin memungkinkan terjadinya fosforilasi substrat. kembalinya proton melewati membran dirangkaikan dengan sintesis ATP. Seperti ditunjukkan pada GambarMisainya, arginin dapat berperan sebagai sumber energi 6-26, reduktan biologis yang sering digunakan untukdengan menghasilkan karbamoil fosfat, yang dapat respirasi adalah NADH, dan oksidan yang seringdigunakan untuk memfosforilasi ADP menjadi ATP. digunakan adalah oksigen. Keragaman mikroba yang luar biasa terlihat melaluiBeberapa organisme m€mfermentasi pasangan asam sumber reduktan yang digunakan untuk menghasilkanamino, menggunakan satu asam amino sebagai donor NADH, dan banyak mikrooganisme dapat menggunakan-relektron dan yang lain sebagai akseptor elektron: akseptor elektron selain oksigen. Substrat pertumbuhancH3cHNH2COOH cH3cooH organik diubah menjadi metabolit fokal yang dapat mereduksi NAD. menjadi NADH baik melalui pintasAlanin Asetat heksosa monofosfat (Gambar 6-6) atau melalui siklus asam 4H trikarboksilat (Gambar 6-10). Reduktan lain dapat\2CH2NH2COOH 2CH3COOH + 2NHs dihasilkan selama pemecahan beberapa substrat Glisin Asetat Amonia pertumbuhan, misal, asam lemak (Gambar 6-9).

METABOLISME MIKROBA I 91Glukosa Glukosa K:: rl- ATPGlukosa 6-fosfat I }\ oot (Lihat Gambar 6-5 dan 6-6) Glukosa 6-fosfat NAD* K:::- NADH+H+6-Fosfoglukonat F ryoo. I co, <+> NADH+H* l* n,o (Lihat Gambar 6-234) Pentosa 5-fosfat{_-J-+l- (Lihat Gambar 6-238)Piruvat Triosa fosfat O Triosa fosfat rueoH+x. runo. cHrSoeo,'- f NADJ[r.- [r,- Aseritfosfat ia, NADH+H*$* *o. $* *oon*n.Laktat L*oo. rI - NADH+H* ADP I r ADp (Lihat Gambar 6-7) Y (Lihat Gambar 6-7) |s o,, Hrnon*n. *-t ATP I [z'-- *oo. I l $* * cH3cH2oH I nae Etanol f |* ot, ,f* ATP Piruvat Piruvat NADH+H' r'rnoH*H' K NAD+ [r.- Laktat |* ,oo. Gambar 5-25. Fermentasi heterolaktat terhadap Laktat glukosa.Gambar 6-24. Jalur Entner-Doudoroff . Beberapa bakteri, disebut kemolitotrof, mampu merupakan suatu ciri mikroba yang tersebar luas'menggunakan reduktan anorganik untuk respirasi. Akseptor elektron yang sesuai untuk proses ini adalahSumber energi tersebut mencakup hidrogen, besi fero, nitrat, sulfat, dan karbon dioksida. Metabolisme respirasi yang bergantung pada karbon dioksida sebagai akseptordan beberapa bentuk suifur dan nitrogen yang tereduksi. elektron adalah sifat yang ditemukan pada anggota kelompok mikroba 6esar, archaebacteria. AnggotaATP yang berasal dari respirasi dan NADPH yangdihasilkan dari reduktan dapat digunakan untuk keiompok tersebut memiliki, misalnya, kemampuan untuk mereduksi karbon dioksida menjadi asetat sebagaimen.jalankan siklus Calvin (Gambar 6-12). suatu mekanisme untuk menghasilkan energi metaboiik. Senyawa-senyawa dan ion-ion selain O, dapatdigunakan sebagai oksidan terminal pada respirasi.Kemampuan ini, kapasitas untuk respirasi anaerob,

92 BAB 6Tabel 6-1. Fermentasi mikroba berdasarkan jalur Embden-Meyerhof. Sg..S$ tt}a :$ l?;l$* (terutama beberapa ragi) Etanol, CO,l-aktat (homofermentasi) Streptococcus Laktat (memberikan sekurang-kurangnya 90% Beberapa spesies /actobacil/us sumber energi karbon)Laktat (heterofermentasi) Enterobacter Etanol, asetoin, 2,3-butilen glikol, CO' laktat, asetat, format. (Asam total = 2'l mol.r) Aeromonas Bacillus polymyxaPropionat Clostrid iu m propion icu m Propionat, asetat, suksinat, CO, Propionibacteriu m Coryne ba cte riu m d i phthe ri ae Beberapa spesies: Neisseria Veillonella MicromonosporaAsam campuran Escherichia Laktat, asetat, format, suksinat, H' CO2, Salmonella etanol. (Asam total = 159 mol.l) Shigella ProteusI uta nol -butirat Butyri bacteriu m Butanol, butirat, aseton, isopropanol, asetat, Zymosarcina maxima etanol, H, COr. Beberapa spesies: ClostridiumlPer 100 ml glukosa yang difermentasi.Medium Fotosintesis Bakteri Organisme fotosintetik menggunakan energi cahaya untuk memisahkan muatan elektronik, untuk menghasilkan reduktan dan olaidan yang terkait membran sebagai hasil dari peristiwa fotokimiawi. Transfer elektron dari reduktan ke oksidan membentuk gaya gerak proton. Bapyak bakteri melakukan metabolisme fotosintetik yang secara keseluruhan tidak bergantung pada oksigen, Cahaya digunakan sebagai sumber energi metabolik, dan karbon yang digunakan untuk pertumbuhan berasal dari senyawa organik maupun dari kombinasi reduktan anorganik (misal, tiosulfat) dan karbon dioksida. Bakteri-bakteri tersebut memiliki satu fotosistem yang, meskipun cukup untuk memberikan energi bagi sintesis ATP dan Gambar 6'-26. Perangkaian transpor elektron pada2H\" respirasi dalam pembentukan ATP. Gerakan-gerakan proton dan elektron yang ditunjukkan diperantarai oleh carrier (Ilavoprotein, quinon, sitokrom) yang berhubungan dengan membran. Aliran proton menuruni gradien elektroki mianya, melalui ATPase mem bran, memberikan energi untuk pembentukan ATP dari ADP dan P,. Lihat teks untuk penjelasan. (Menurut Harold FM: Chemiosmotic interpretation of active transport in bacteria. Ann N Y Acad Sci 197 4;221 .297 .)

METABOLISME MIKROBA 93pembentukan gradien ionik transmembran yang esensial, bila sumber karbon yang tersedia secara sporadis tiba-tidak memungkinkan reduksi NADP- dengan memakai tiba menjadi banyak, jumlah dan aktivitas enzim yangair, suatu reaksi vang sangat eksergonik. Proses tersebut, diperlukan untuk katabolismenya akan meningkat;pendng untuk fotosintesis penghasil oksigen, bergantung sebaliknya, bila unit pembangun (seperti asam amino)pada energi tambahan yang berasal dari rangkaian dua tiba-tiba menjadi banyak, jumlah dan aktivitas enzimperistiwa fotokimiawi berbeda, dilakukan oleh dua sistem yang diperlukan untuk biosintesisnya akan menurun.fotokimiawi yang tidak berkaitan. Di antara prgkariot, Pengaturan aktivitas enzim serta sintesis enzimciri tersebut hanya ditemukan pada cyanobacteria (bakteri memberikan kontrol halus dan kontrol kasar pada jalurbiru-hijau). Di antara organisme eukariotik, ciri ini metabolik. Misalnya, inhibisi aktivitas enzim oleh produkdimilik oleh alga dan tanaman yang memiliki kloroplas akhir menghasilkan mekanisme kontrol halus, karena aiiran karbon yang melalui jalur tersebut diatur secarasebagai organel penyedia energi yang penting. cepat dan tepat. Inhibisi sintesis enzim oleh produk akhirPENGATURAN JALUR METABOLIK yang sama, menghasilkan mekanisme kontrol kasar.Dalam lingkungan normal, umumnya sel-sel mikroba Molekul enzim yang telah ada terus berfungsi sampaimengatur jalur metaboliknya sehingga tidak ada zat antarayang dibuat secara berlebihan. Masing-masing reaksi konsentrasinya menjadi sangat rendah akibat pertumbuhanmetabolik diatur tidak hanya dengan memperhatikan sel selanjutnya, meskipun sintesis protein yang tidakreaksi-reaksi lain dalam sel tetapi juga memperhatikankonsentrasi nutrisi dalam lingkungan. Oleh karena itu, diperlukan akan segera berhenti. Mekanisme sel yang mengatur aktivitas enzim dibahas pada bagian berikut. Pengaturan sintesis enzim dibahas pada Bab 7.IYiI I Yl-Treoninvrlrt-IreontnI <------- rdeamtnase IIIIa-Keto- cr-Aseto-cr- c,p-Dihidroksi- tr-Keto-P- hidroksibutirat p-metilvalerat metilvaleratbutirat I I El I I I E3 I E4 E2 I cr,-Aseto- II cr,-Keto- I laktat isovalerat I II I cr,B-Dihidroksi-Piruvat p-isovalerattt tGambar 5-27. lnhibisi umpan balik L-treonin deaminase oleh L-isoleusin (garis putus-putus). Jalur biosintesis isoleusindan valin diperantarai oleh rangkaian empat enzim yang biasa, seperti yang diperlihatkan pada gambar.

BAB 6Pengaturan Aktivitas Enzi m B. INHIBISI UHPAN BALIKA. ENzIM_ENzIM SEBAGAI PROTEIN ALoSTERIK Mekanisme umum yang terjadi pada mikroorganisme untuk mengatur aliran karbon melalui jalur biosintetikPada banyak kasus, aktivitas enzim yang mengatalisis merupakan mekanisme paling efisien yang dapatlangkah awal dalam jalur metabolik diinhibisi oleh produk dibayangkan. Produk akhir pada masing-masing kasusakhirjalur tersebut. Namun, inhibisi tersebut tidak dapat secara alosterik menghambat aktivitas enzim pertama-bergantung pada kompetisi di tempat pengikatan substrat hanya yang pertama-pada jalur tersebut. Misalnya,enzim, karena struktur produk akhir dan zat antara avtal langkah pertama pada biosintesis isoleusin yang tidak(substrat) biasanya sangat berbeda. Sebaliknya, inhibisi melibatkan jalur lain adalah konversi L-treonin menjadiini bergantung pada lakta bahwa enzim yang diatur adalah asam G-ketobutirat, dikatalisis oleh treonin deaminase.alosterik: Masing-masing enzim memiliki tidak hanya Treonin deaminase secara alosterik dan spesifik dihambattempat katalitik, yang mengikat substrat, tetapi juga saru oleh r-isoleusin dan bukan senyawa lain (Gambar 6-27);tempat atau lebih lainnya yang mengikat molekul pengarurkecil, atau efektor. Pengikatan efektor pada tempatnya keempat enzim lain pada jalur ini tidak terpengaruhmenyebabkan perubahan konformasional pada enzimsedemikian rupa sehingga afinitas tempar katalitik untuk (meskipun sintesisnya ditekan).substrat berkurang (inhibisi alosterik) atau bertambah(aktivasi alosterik). C. AKTIVASI ALOSTERIK Protein alosterik biasanya oligomerik. Pada beberapa Pada beberapa kasus, sel lebih untung bila produk akhir atau, zat antara mengaktivasi enzim tertentu dan tidakkasus, subunitnya identik, masing-masing subunit menghambatnya. Pada pemecahan glukosa oleh E coli, misalnya, produksi berlebih zat antara glukosa 6-fosfatmemiliki tempat kataiitik dan tempat efektor; pada kasus dan fosfoenolpiruvat menandakan pengalihan sebagianlain, subunitnya berbeda, satu jenis hanya memilikitempat katalitik dan yang lain hanya memiliki tempat glukosa ke jalur sintesis glikogen; ini dicapai mel,aluiefektor. aktivasi alosterik enzim yang mengubah giukosa 1-fosfat menjadi ADP-glukosa (Gambar 6-28). Glukosa tI Glukosa 1-fosfat + ADP-Glukosa Glukosa 6-fosfat ----+ I I { I Glikogen v ADP Fruklosa 6-fosfat I I ---- I I * I I Fruktosa 1,6-difosfat I I I I v --TI 3-Fosfogliserat t I { Fosfoenol piruvat AMP ---- | * Piruvat I YGambar 6-28. Pengaturan pemakaian glukosa melalui kombinasi aktivasi alosterik (r) dan inhibisi alosterik (r).(Menurut Stanier RY Adelberg EA, lngraham )L'. The Microbial Woild,4h ed. Prentice-Hall, 1976.)

.METABOLISME MIKROBA 95D. KoOPERATIVITAS 4:ilrB 5.:CBanyak enzim oligomerik, memiliki lebih dari satu tempatpengikatan substrat, menunjukkan interaksi yang KEPUSTAKAANkooperatif antar molekul-molekul substrat, Pengikatansubstrat oleh satu tempat katalitik meningkatkan afinitas Buhutempat lain r-rntuk n-rolekul substrat tambahan. Efek akhirinteraksi tersebut adalah peningkatan aktivitas katalitik Attas RM, Barth aR: Microbial Ecology: Fundamentals and Appliccttions,secara eksponensial sebagai respons terhadap peningkatan 4th ed. Benjamin Cummings, 1998.konsentrasi substrat secara aritmetik. Hur:t CJ et al (editors): Manual of EnuironmentaL MicrobioLogy, Znd ed.E. MoDIFIKASI KoVALEN ENZIM ASM Press,2002.Sifat pengarur beberapa enzim diubah oieh modifikasi Maier RM, Pepper IL, Gerba CP: Enuironmental Microbiology. Academickovalen protein. Misalnya, respons glutamin sintetase Press,2000.terhadap efektor me tabolik diubah ole h adenililasi, Moat AG, Foster JW: Microl:ial Physiology, 4th ed. Wiley-Liss, 2002perlekatan kovalen ADP pada rantai samping tirosil Neidlrardt FC et al (editors): Osclrerichia coli and. Salmonella. Cellular andspesifik dalarn setiap subunit enzim. Enzim yangmengontroi adenililasi juga dikontrol oleh modifikasi Molecular Biology, 2nd ed. Vols 1 and 2. ASM Press, 1996.kovalen. Aktivitas enzim lain diubah oleh fosforilasinya. Artihel & TinjauanF. INAKTIVASI ENZIM Gibson J, Hamood CS: Metabolic diversity h aromatic compound utilization by anaerobic microbes. Annu Rev Microbiol 2002;56:345.Aktivitas beberapa enzim dihilangkan oleh hidrolisisnya.Proses tersebut dapat diatur dan kadang-kadang ditandai Hillen W, Strilke: Regulation of earbon catabolism in Baclllus speciesdengan modifikasi kovalen pada enzim yang ditargetkan Aanu Rev Microbiol 2000;54:849.r-rntuk dihilangkan. Ishihama A: Functional modulation of Escherlcfria coli RNA polymerasei'''r,PiRr YAAH LATIHAH Arnu Rev Microbiol 2000;54:499.pada template adalah: ini yang bergqllqng Merrick MJ, Edwards RA: Nitrogen control in bacteria. Microbiol Rev(A) Lipopolisakarida ....,..' I r.',:: .,,liir,':r,.,,,.r..t:i.,,ti::,:i.:,.::.. 1995t59:604.(B) Peptidoglikan Peters JW, Fisher K, Dean DR: Nitrogenase structure and function Annu(C) Polisakarida kapsular ' ':::ii ..lll:l(D) Asam deoksiribonukleat Rev Microbiol 1995;49: 335.(E) Fosf olipid .. :..'..:,,::..,,::t,::.::.:-:.::a::a::::::.,:a.::,a:::aa: Roberti IS: The biochemistry and genetics of capsular polysaccharide2. Sintesis komDonen-komponen sel berikut ini yang production in bacteria. Arnu Rev Microbiol 1996;50:285. Russeil JB, Cook GM: Energctics ofbacterial growth: Balance ofanabolicielufqhnya ditentukan oleh spesifisitas enzim and catabolic reactions. Microbiol Rev 1995;59:48.adalah: Silvers S, Phung LT: Bacterial heavy metal resistance: New surprises(A) DNA(B) Arnu Rev Microbiol 1996; 50:753(C) RNA ribosom r. , .....r,,: .... ,:. ,. .,,,..-.,,. ..' ,, ., ,.. Van Rhijn P, Vanderieyden J: 'line Rhizobium-plant symbiosis. Microbiol(D) Flagel l, ' . Rev 1995;59:124. Lipopolisakarida(E) Protein3. Langkah-langkah sintesis peptidoglikah',:tefjqdi dalam'sitoplaima,'membran sitoplasma;rdan:di luar sel,r 'Antibiotik manakah !ang rvlsngh,ambat la nQkah biosintesis peptidog I ikan' ekiitasel ulat'?. (A) Sikloserin (B) Rifampin (C) Pen isilin (D) Basitrasin (E) Streptomisin