Biokimia Sel Dan Nutrisi Mikroorganisme

5/17/2018 Biokimia Sel Dan Nutrisi Mikroorganisme - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/biokimia-sel-dan-nutrisi-mikroorganisme 1/44

(BIO)KIMIA SELDAN

NUTRISI MIKROORGANISME



ASPEK BIOKIMIA SELMIKROORGANISME

• Komposisi yang khas dari suatu sel bakteriterdiri dari 50% C, 20% O, 14% N, 8% H,

3% P, 1% S, dan sejumlah kecil Mg2+,K+, Na+, Ca2+, Cl- dan vitamin-vitamin.

• Sel hidup merupakan suatu reaktor yang

sangat kompleks yang didalamnya terjadilebih dari 2000 reaksi.



PROTEIN

• Protein merupakan molekul organik terbanyak dalam suatu sel hidup, yaitu 40% sampai 70%

dari berat kering sel. Protein merupakanpolimer besar asam amino dengan BM 6000sampai ratusan ribu. Protein yang tersusun ataskurang dari 50 asam amino disebut polipeptida.

• BM molekul protein sering diukur menggunakanunit Dalton, yaitu unit massa yang ekuivalendengan suatu atom hidrogen.



FUNGSI PROTEIN

Protein memiliki beberapa fungsi biologis:

• Protein struktural, seperti glycoprotein, collagen, keratin;

• Protein katalis: enzim-enzim

Enzim merupakan jenis protein yang paling besar, yaitulebih dari 2000 enzim yang sudah sudah diketahui.

• Protein transport, seperti hemoglobin, serum albumin;

• Protein regulator, hormon (insulin, hormon

pertumbuhan);• Protein protektif, seperti antibodi, thrombin.



ASAM AMINO

Komponen pembentuk protein adalah asam amino. Ada 20 jenis asam amino yang dinamai menurut gugus R, yangberupa:

• senyawa alifatik berantai lurus (Glycine, Alanine, Valine, Leucine, Isoleucine);

• senyawa aromatik (Histidine, Phenylalanine, Tyrosine,Tryptophan)

• senyawa asam imino (Proline);

• mengandung S (Cystein, Methioneine);• mengandung OH (Serine, Threonine);• mengandung asam dan amida terkait ( Aspartic acid dan

Asparsgine, Glutamic acid dan Glutamine);• mengandung gugus basa (NH2) (Lysine dan Arginine)



Sebagian besar protein di alam adalah asam amino tipe L(levo). Asam amino tipe D (dekstro) jarang ditemui di

alam, hanya ada pada dinding sel beberapa mikroorganismedan dalam beberapa antibiotik.



ZWITTERION

• Asam amino punya gugus asam (-COOH)dan gugus basa (-NH2). Gugus asam

adalah netral pada pH rendah danbermuatan negatif pada pH tinggi. PadapH menengah, asam amino mempunyai

sekaligus muatan positif dan negatif, atauberupa senyawa dipolar yang disebutzwitterion.



TITIK ISOELEKTRIK

• Tititk pH dimana protein tidak bermuatandisebut titik isoelektrik, dimana asam

amino tidak bergerak bila dipengaruhi olehmuatan listrik. Pada titik ini protein tidak larut sehingga mudah untuk diendapkan.

Titik isoelektrik berbeda-beda tergantungkepada gugus R-nya.



CONJUGATED PROTEIN

• Protein yang memiliki komponen organik atau anorganik (prosthetik grup) selain

asam amino, disebut sebagai conjugatedprotein (protein terkonyugasi). Contohnyaadalah hemoglobin yang mengandung

heme group (senyawa kompleksmengandung besi).



KARBOHIDRAT

• Karbohidrat yang disintesa melaluifotosintesis, memiliki formula (CH2O)n,

dimana n ≥3.• Monosakarida adalah karbohidrat

terkecil yang mengandung 3-9 atom

karbon dalam bentuk aldehid (aldosa)atau keton (ketosa).



Aldoses Aldotriose (D-Glyceraldehyde);

Aldotetrose (D-Erythrose, D-Threose); Aldopentose (D-Ribose, D-Arabinose, D-Xylose, D-Lyxose); Aldohexose (D-Allose, D-Altrose, D-Glucose, D-Galactose,D-Mannose, D-Talose, D-Idose)

Ketoses

Ketotriose (Dyhydroxyacetone);

Ketotetrose (D-Erythrulose);

Ketopentose (D-Ribulose, D-Xylulose);Ketohexose (D-Psicose, D-Fructose, D-Sorbose, D-Togatose).



MONOSAKARIDA



Disakarida dibentuk dengan cara kondensasi duamonosakarida dengan ikatan glikosidik.

• Maltose (kondensasi 2 molekul glucose denganikatan α-1,4 glycosidic.

• Sucrose adalah disakarida α-D-glucose denganß-D-Fructose.

• Lactose adalah disakarida ß-D-glucose denganß-D-galactose.

• Laktosa ditemukan dalam susu dan whey,sedangkan sucrose gula yang paling banyak ditemui pada tanaman.



DISAKARIDA



Polisakarida dibentuk melalui kondensasi lebih dari2 molekul monosakrida melalui ikatan glycosidic.

• Amylose adalah polimer lurus glucose melalui ikatan α-1,4 glycosidic dengan BM antara beberapa ribu sampai1.5 juta Daltons. Amilosa tidak larut dalam air dan

komponen dari kira-kira 20% pati.• Amylopectin adalah polimer bercabang dari molekul D-glucose. Pencabangan terjadi pada gugus OH daricarbon ke-1 dari suatu molekul glukosa dengan gugusOH dari karbon ke-6 molekul glucose yang lain, yang

disebut ikatan α-1,6 glycosidic. Amylopectin lebih besardari amylose dengan BM 1-2 juta Daltons. Amylopectinlarut dalam air.





Glycogen mirip dengan amylopectin denganpencabangan yang lebih banyak, yaitusetiap 12 unit glucose. BM glycogen ≤ 5 jutaDaltons.

Cellulose adalah polimer lurus panjang dariglucose dengan ikatan ß-1,4. BM Cellulose

antara 50 ribu – 1 juta Daltons. Tidak sebagaimana ikatan α-1,4, ikatan ß-1,4tahan terhadap hidrolisis enzimatis.





LEMAK DAN STEROID

• Lemak adalah senyawa biologis hidrophobik yang tidak larut air tapi larut dalam pelarut nonpolar seperti benzene, chloroform dan ether.

• Komponen utama lemak adalah asam lemak yang terdiri dari hydrokarbon (gugushydrophobic) dan carboxyl (gugus hydrophilic).

• CH3-(CH2)n-COOH dimana n antara 12 dengan20.



Lemak merupakan ester dari asam lemak dangliserol. Lipoprotein dan Lipopolisakaridamerupakan bentuk lain lemak yang banyak ditemui

pada membran sel.

Phosphoglyceride memiliki struktur yang sama

dengan lemak dimana salah satu asam lemak digantikan oleh asam phospate.

Bentuk lemak yang lain adalah Poly Hydroxy

Alkanoates (PHA), khususnya Poly HydroxyButyrate (PHB) yang merupakan bahanbioplastik yang ramah lingkungan.



STEROID

Steroid dapat juga diklasifikasikan sebagailemak. Contoh steroid adalah :

• Cholesterol (regulator pertumbuhan danmetabolisme pada konsentasi yang sangatrendah, kira-kira 10-8 M);

• Cortisone (antiinflammatory sebagai obat sakit

kulit);• Estrogen dan Progesteron (bahan kontraseptif);



ASAM NUKLEAT

• Asam nukleat (DNA dan RNA) memainkanperan penting dalam reproduksi sel.

• DNA menyimpan dan meneruskaninformasi genetik;

• RNA berperan dalam sintesis protein.



ASAM NUKLEAT

• Tiga komponen utama asam nukleatadalah asam fosfat, pentosa (ribose dan

deoxyribose) dan basa nitrogen (purineatau pyrimidine). Basa purine terdiri dari

Adenine (A) dan Guanine (G), sedangkan

basa pyrimidine terdri dari Thymine (T),Cytosine (C) dan Uracil (U)



RNA

• RNA terdiri dari messenger RNA (mRNA),transfer RNA (tRNA) dan ribosomal RNA (rRNA).

• mRNA disintesis di kromosom dan membawa

informasi genetik dari kromosom ke ribosomuntuk sintesis protein tertentu.• tRNA membawa asam amino spesifik dari

sitoplasma ke tempat sintesis protein di ribosom.tRNA mengandung 70-90 nukleotida danmemiliki BM 23-28 kD.

• rRNA yang ada di ribosom merupakankomponen utama (65%) dari ribosom.



Nukleotida merupakan komponen pembangunDNA dan RNA yang juga berperan untuk

menyimpan energi (ATP, ADP, AMP) senyawapereduksi (NAD dan NADP).

ATP adalah alat tukar energi dalam sel dimana

proses oksidasi gula dlm proses katabolisme,menghasilkan energi yang ditangkap dandisimpan dalam bentuk ATP (energi digunakanuntuk merubah ADP menjadi ATP). Sintesis

suatu senyawa yg memerlukan energi(anabolisme) mengambil energi dari hidrolisis ATP menjadi ADP dan AMP yang melepaskanenergi.



NUTRISI SELMIKROORGANISME

• Semua organisme kecuali virus mengandungsejumlah besar air (kira-kira 80%).

• Lebih kurang 50% dari berat kering sel adalahprotein, yg sebagian besar berupa enzim.

• Kandungan asam nukleat bervariasi antara 10-20%, kecuali pada virus yg bisa mencapai 50%.

• Kandungan lemak kira-kira 5-15%, kecuali pdmikroba penghasil PHB yg bisa mencapai 90%.



NUTRISI MIKROBA

Nutrisi yg diperlukan sel mikroba terdiri atas:

• Unsur Makro (macronutrients), yaitu unsur C, O,

N, H, P, S, Mg2+ , K+. Bahan-bahan inidiperlukan pd konsentrasi ≥ 10-4 M.

• Unsur mikro (micronutrients/trace elements),yaitu Mo2+, Zn2+, Cu2+, Mn2+, Fe2+, Ca2+,

Na+, vitamin, hormon pertumbuhan, danprekursor metabolic.



MACRONUTRIENTS

Karbon:

• Senyawa karbon merupakan sumber energi dan

sumber karbon sel yang utama.• Sumber karbon yang umum dalam bioindustri

adalah: molasses (sukrosa), pati (glukosa,dekstrin), syrup jagung, limbah sulfite dari

industri kertas (glukosa), methanol, ethanol,methane.



KARBON

• Sumber karbon yang umum pada kultivasi skalalab adalah glukosa, sukrosa, dan fruktosa.

• Pada kultivasi aerobic, 50% substrate karbondigunakan utk menjadi bahan sellular, 50%sisanya menjadi sumber energi. Pada kultivasianaerobic, kurang dari 30% substrate karbon

dikonversi menjadi sel, 70% sisanya menjadiproduk (sel atau metabolit).



Oksigen:

• Lebih kurang 20% berat kering sel adalahoksigen. Oksigen ada dalam semua

komponen organik sel dan air. Molekuloksigen diperlukan sbg akseptor electrondlm metabolisme aerobik senyawa karbon.

Gas O2 disuplai kedalam bioreaktordengan aerasi.



Nitrogen:

• 10-14% dari berat kering sel merupakan Nitrogen.

• Sumber N yang utama adalah ammonia, atau garamammonium (NH4Cl, (NH4)2SO4, NH4NO3), protein,

peptide, asam-asam amino, dan urea.• Sumber N pada kultivasi lab adalah nitrogen organic

seperti yeast extract dan peptone.

• Beberapa seperti Azotobacter sp dan cyanobacteriamengambil N langsung dari udara dan membentuk ammonium.

• Nitrogen digunakan oleh sel sbg elemen pembangunprotein dan asam nukleat.



Tabel 1: Beberapa sumber C dan Nyg digunakan oleh bioindustri

Sumber C Sumber N

Limbah pati (jagung dankentang)

Molasses (tebu dan bit)

Whey

n-Alkanelimbah sulfite

limbah rumah tangga

limbah selulosa

kacang-kacangan

Tepung kedele

Yeast extract

Produk samping distilasi

Ekstrak biji kapas

Darah keringCorn step liquor

Tepung ikan

Tepung kacang tanah



Hidrogen:

• Kira-kira 8% berat kering sel adalahHidrogen. Unsur H didapatkan dari

senyawa karbon spt karbohidrat. Bakterimethanogen menggunakan H sebagaisumber energi.



Phosphat:

• Kira-kira 3% berat kering sel adalah P.Phospor ada dalam asam nukleat dan pd

dinding sel bakteri gram positif. P adalahelemen kunci dalam pengaturanmetabolisme sel. Sumber P yang utamaadalah garam fosfat anorganik sepertiKH2PO4 dan K2HPO4.



Sulfur:

• Lebih kurang 1% berat kering sel adalahS. S ada dalam protein dan beberapa

koenzim. Sumber S yang utama adalahgaram sulfat spt (NH4)2SO4. Sumber Syang lain adalah asam amino ygmengandung S. Beberapa bakteriautotrop menggunakan S2- dan S0 sbgsumber energi.



Potassium (K):

• Potassium adalah kofaktor utk beberapaenzim dan diperlukan dalam metabolisme

karbohidrat. Sumber K yg utama adalahgaram KH2PO4 dan K2HPO4.



Magnesium:

• Mg adalah kofaktor utk beberapa enzim,ada pd dinding sel dan membrane.

Ribosome memerlukan ion Mg2+.Magnesium umumnya disuplai dalambentuk garam MgSO4.7H2O atau MgCl.



Tabel 2. Delapan Unsur Makro danPeranannya

Unsur Fungsi fisiologis Kebutuhan (M)

C

N

H

O

SP

K

Mg

Konstituen bahan organic sel. Sering sebagai

sumber energiKonstituen protein, asam nukleat, koenzim

Bahan organic sel dan air

Bahan organic sel dan air. Diperlukan pd respirasiaerobic.

Konstituen protein dan bbrp koenzimKonstituen asam nukleat, phospholipid, nukleotida,dan bbrp koenzim

Kation inorganic dlm sel, dan kofaktor bbrp enzim

Kofaktor utk banyak enzim dan klorofil. Ada pd

dinding sel dan membrane.

>10-2

10-3

-

-

10-4

10-4--10-3

10-4--10-3

10-4--10-3



MICRONUTRIENTS

• Kekurangan unsur kelumit (trace elements)memperpanjang fase lag, menurunkan laju pertumbuhanspesifik dan yield produk.

• Tiga kategori unsur kelumit:

• Unsur kelumit yg paling banyak diperlukan adalah Fe,Zn, dan Mn. Semua merupakan kofaktor penting.

• Unsur kelumit yg diperlukan utk pembentukan produk-produk spesifik, adalah Cu, Co, Mo, Ca, Na, Cl, Ni, danSe.

• Unsur kelumit yg jarang dibutuhkan, spt B, Al, Si, Cr, V,Sn, Be, F, Ti, Ga, Ge, Br, Zr, W, Li, I. Bila diperlukanharus pd konsentrasi < 10-6 M dan toksik pd konsentrasi≥ 10-4 M.



MICRONUTRIENTS

• Beberapa ion spt Mg2+, Fe3+, dan PO43-,dapat mengendap dalam medium. Untuk itudiperlukan bahan penkelat (chelating agent) utk

melarutkannya. Bahan pengkelat mempunyailigand (spt karboksil, amine, mercapto) utk mengikat ion logam utk membentuk senyawakompleks yg larut dalam air. Asam sitrat, EDTA,polyphosphate, histidine, tyrosine, dan cystein

merupakan agen pengkelat yg umumdigunakan. Agen pengkelat diperlukan pdkonsentrasi rendah (1mM).



Faktor Pertumbuhan (GrowthFactor)

• Growth factor menstimulasi pertumbuhan dan sintesametabolit.

• Vitamin, asam amino dan hormone merupakan growthfactor.

• Vitamin B1(thiamine), B2(riboflavin), B6(pyridoxine), B12(cyanocobalamine), biotin, folic acid, lipoic acid, p-aminobenzoid acid, dan vitamin K, berfungsi sebagai koenzim.

• Vitamin diperlukan pd konsentrasi 10-6 – 10-12 M.• Beberapa mikroba auxotrophic memerlukan asam amino

tertentu pd konsentrasi 10-6 - 10-13 M.• Hormon insulin adalah hormone umum utk sel hewan

dan cytokinin adalah hormone pertumbuhan tanaman.



MEDIA PERTUMBUHAN

• Defined Media ==> mengandung jumlah tertentusenyawa kimia murni yang komposisinya diketahui.Contoh: glukosa, (NH4)2SO4, KH2PO4, MgCl2. Hasilkultivasi dapat dikontrol dan reprodusibel.

• Complex media ==> mengandung senyawa alami yangkomposisi kimiawinya tidak diketahui dengan pasti.Biasanya juga mengandung faktor pertumbuhan,vitamin, hormon, unsur kelumit sehingga menghasilkan

sel yang lebih banyak. Contoh: yeast extract, peptone,molasses, corn step liquor.



Contoh komposisi tipikal definedmedia dan complex media:

Konstituen Tujuan Conc (g/L)

Grup A:

Glucose

KH2PO4MgSO4.7H2O

CaCl2

Fe2(SO4)3

ZnSO4.7H2O

CuSO4.5H2O

MnSO4.H2O

Group B:(NH4)2HPO4

(NH4)H2PO4

Group C:

C6H5Na3O7.2H2O

Group D:

Na2HPO4

KH2PO4

Sumber

C dan energi

K,PMg dan S

Ca

Fe

Zn

Cu

Mn

SumberN

N

Agen pengkelat

Buffer

Buffer

30

1.50.6

0.05

15 x 10-4

6 x 10-4

6 x 10-4

6 x 10-4

6

5

4

20

20

C l d d k d



Complex media yg digunakan pdproduksi penicillin

Bahan Tujuan Jumlah (persendari total)

Glucose atau molasses

(diumpankan secara

sinambung)

Corn Step Liquor

Phenylacetic acid

(diumpankan secarasinambung)

Lemak/Minyak hewaniatau nabati

Sumber C dan energi

Sumber N

precursor

Sebagai antifoam

Pengatur pH pada

10%

1-5%

0.5-0.8%

0.5%

Documents

Biokimia Sel Dan Nutrisi Mikroorganisme