BIOKIMIA

Marisa Handajani

• Biokimia : perubahan-perubahan kimia yang dilakukanoleh organisme hidup

• Reaksi yang berlangsung :– Ekstraseluler � reaksi hidrolisis (reaksi pemutusan ikatan

kimia dengan penambahan air)

– Intraseluler– Intraseluler

• Reaksi-reaksi kimia yang dilakukan oleh organisme initerjadi 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

SSS

SS

S

SB

C

O2

CO2

H2O

ENZIM

• Enzim adalah katalis organik yang dihasilkan oleh selhidup dan dapat bekerja di luar maupun di dalam sel

– Enzim ekstraseluler : enzim yang disekresikan oleh sel

– Enzim intraseluler : enzim yang bersatu denganprotoplasma sel dan melakukan fungsinya didalam selprotoplasma sel dan melakukan fungsinya didalam sel

• Enzim berfungsi menginisiasi reaksi danmengendalikan kecepatan reaksi � spesifik untuk jenisorganisme

• Enzim merupakan senyawa protein yang sensitifterhadap 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 terhadapapabila 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, amoniametan monooksidase, toluen dioksidase, amoniamonooksidase)

• Transferase

• Liase

• Isomerase

• Ligase

Aktivitas Enzim

• Aktivitas enzim ditentukan oleh struktur

proteinnya

• Aktivitas enzim dipengaruhi oleh:

– Kehadiran Ko-faktor:– Kehadiran Ko-faktor:

– Temperatur

– pH

– Ketersediaan makronutrien dan mikronutrien

Ko-Faktor

• Co-factor : struktur non protein�metal : Zn,

Mg, Mn, Fe, Cu, Co, Ni, K dan Na

• Co-enzim : struktur molekul organik yang

tahan terhadap panas (heat stable)tahan terhadap panas (heat stable)

Temperatur

• Reaksi biokimia mengikuti aturan van’t Hoff : laju reaksi meningkat 2x untuk setiapkenaikan temperatur 10oC dalam suaturentang suhu tertentu.

• Q10 : rasio laju reaksi pada temperaturtertentu terhadap laju pada suhu 10oC

Denaturasi

enzim

tertentu terhadap laju pada suhu 10oC dibawahnya

• Nilai Q10 dipengaruhi oleh 3 faktor utama: 1. Laju degradasi senyawa

2. Laju transfer oksigen

3. Kelarutan oksigen

pH

• Konsentrasi H+ mempengaruhikecepatan reaksi biokimia

• Rentang pH optimum untukaktivitas enzim sangat sempitaktivitas enzim sangat sempit� kebanyakan bekerja padakondisi netral 6-9

• Kondisi lingkungan diaturdengan 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• 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 olehorganisme hidup menjadi produk akhir berupamineral (non organik) dalam kondisi aerob.

Dalam mineralisasi akan dihasilkan energi

• Biotransformasi : konversi senyawa organik asaltidak menjadi mineral secara sempurna, namunsebagian dikonversi menjadi senyawa organiklain.

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 : Hidrolisissampai sedikitnya tingkat disakarida sebelum transfer 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 sederhanatergantung pada kondisi lingkungan (aerob atauanaerob)

Biokimia Karbohidrat

• Dalam kedua kondisi tersebut konversi awal yang

terjadi adalah:

• Aerob: (untuk menghasilkan energi)

Asam organik >

kapasitas sistem buffer

: pH ↓

INHIBISI atauMenghentikan

Asam organik

• Aerob: (untuk menghasilkan energi)

• Anaerob:

Biokimia Protein

• Bakteri sedikit memerlukan protein.

• Bakteri mampu mensintesa protein dari

nitrogen inorganik dan organik non protein

(karbohidrat, lemak, alkohol)(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 dananaerob.

• Lemak (hidrolisis)� gliserol dan asam lemak

• Asam lemak bebas (hidrolisi material lemak; deaminasi asam• Asam lemak bebas (hidrolisi material lemak; deaminasi asamamino; fermentasi karbohidrat dan oksidasi omega) akan dipecahmelalui 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) secaraenzimatik 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 atauturunan 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 :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 dimulaiserangkaian 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 darioksidasi untuk membentuk ikatan dengan fosfatuntuk membentuk nukeotida yang lain : Adenosine Triphosphate (ATP)

• ATP yang terbentuk akan bergerak ke dalam seluntuk memberikan energi bagi sintesis, danpemeliharaan sel atau pergerakan. Dengan reaksikebalikan 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 danNADPH) 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.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 elektronelektron 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 senyawaorganik maupun anorganik untuk memperolehenergi untuk pertumbuhan dan pemeliharaansel.

• Informasi tentang transformasi yang terjadiakan membantu dalam perhitungankebutuhan terminal elektron akseptor danjumlah 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 energiuntuk 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)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 ≈ Sel tua fs ≈

20% fs max

���� energi

untuk

maintence >

sintesa