Metabolisme Heterotrof

Semua proses kimiawi yang terjadi pada suatu organisme disebut

metabolisme. Metabolisme heterotrof merupakan metabolisme yang dilakukan oleh

semua mikroorganisme, baik mikroorganisme yang memiliki klorofil maupun yang

tidak, sedangkan metabolisme autotrof hanya dilakukan oleh mikroorganisme yang

memiliki klorofil. Reaksi kimiawi ini tersusun dalam jalur-jalur metabolisme yang

bercabang sedemikian rumitnya untuk mengubah molekul-molekul kimiawi melalui

suatu rangkaian tahapan-tahapan reaksi. Metabolisme dikaitkan dengan pengaturan

sumberdaya materi dan energi di dalam sel. Beberapa jalur metabolisme

membebaskan energi dengan cara merombak molekul-molekul kompleks menjadi

senyawa yang lebih sederhana, proses perombakan ini disebut jalur katabolik. Proses

utama katabolisme adalah respirasi seluler, dimana glukosa dan bahan organik lain

dirombak menjadi karbon dioksida dan air. Sebaliknya adalah jalur anabolik,

memakai energi untuk membangun molekul kompleks dari molekul-molekul yang

lebih sederhana, salah satu contoh anabolisme adalah sintesis protein dari asam

amino. Jalur-jalur metabolisme saling berpotongan sedemikian rupa sehingga energi

yang dibebaskan dari reaksi katabolisme dapat digunakan untuk menggerakan reaksi

pada anabolisme.

Fermentasi dan Respirasi

Fermentasi dan respirasi merupakan jalur katabolik penghasil energi sebagai

proses bioenergi. Senyawa organik menyimpan energi dalam susunan atomnya.

Dengan bantuan enzim, molekul organik kompleks yang kaya energi potensial

dirombak menjadi produk limbah yang berenergi lebih rendah.Walaupun seluruh

mikroorganisme heterotrof secara pasti mendapatkan energi mereka dari reaksi-reaksi

reduksi-oksidasi, jumlah energi yang didapat dan mekanisme bagaimana mereka

melakukan ekstraksi bervariasi. Dua mekanisme yang dapat diterapkan yaitu

fermentasi dan respirasi.

 Fermentasi merupakan perombakan parsial gula yang terjadi tanpa bantuan

oksigen. Dalam fermentasi, elektron-elektron dialirkan dari penyumbang elektron

kepada penerima elektron, sementara suatu perantara terbentuk dalam pemecahan

molekul substrat, yang merupakan perantara organik dalam beberapa proses

fermentasi lainnya. Fermentasi menghasilkan akumulasi campuran produk-produk

akhir, beberapa lebih teroksidasi, dan beberapa lebih tereduksi dari substratnya.

Tingkat oksidasi rata-rata dari produk-produk akhir dalam fermentasi selalu identik

dengan substrat asalnya. Fermentasi dapat berjalan baik secara anaerob obligat

maupun anaerob fakultatif.

 Jalur katabolik yang paling umum dan paling efisien ialah respirasi aerob,

dimana oksigen dikonsumsi sebagai reaktan bersama-sama dengan bahan bakar

organik. Respirasi adalah sebuah proses dimana oksigen molekuler biasanya berperan

sebagai penerima elektron utama. Jika oksigen adalah penerima utama, prosesnya

disebut respirasi aerobik yang berbeda dengan respirasi anaerobik, dimana

menggunakan sebuah unsur anorganik seperti nitrat, sulfat, atau karbonat. Fermentasi

merupakan mekanisme yang lebih tidak efisien daripada respirasi untuk mengekstrasi

energi dari molekul substrat. Saat organisme menfermentasi glukosa, hanya sejumlah

kecil energi secara potensial tersedia pada molekul glukosa yang dilepaskan.

Kebanyakan energi itu masih terkunci pada produk reaksi, misalnya laktat. Saat

organisme mengoksidasi glukosa secara sempurna menjadi CO2 dan H2O, semua

energi yang tersedia dari molekul glukosa dilepaskan :

Diantara mikroba / mikroorganisme yang melakukan respirasi aerob terdapat

aerob obligat dan anaerob fakultatif. Sebagai tambahan, beberapa dari anaerob

fakultatif dapat juga mempergunakan nitrat sebagai terminal penerima elektronnya.

Organisme yang menggunakan sulfat atau karbonat sebagai penerima-penerima

elektron pada respirasi anaerob bagaimanapun adalah sebagai anaerob obligat. Salah

satu contoh jasad renik yang respirasi anaerob dengan zat anorganik ( NO₃^- , SO₄^2- )

sebagai aseptor elektron adalah Thiobacillus denitrificans :

Disimilasi Glukosa

 Glukosa menempati posisi penting pada kebanyakan metabolisme  biologis,

dan disimilasinya menyediakan jalur metabolik yang umum bagi sebagian besar

bentuk kehidupan. Kemampuan untuk memanfaatkan gula atau unsur yang

berhubungan dengan konfigurasi yang berbeda dari glukosa merupakan  hasil 

kemampuan organisme untuk mengubah substrat menjadi perantara-perantara sebagai

jalur untuk fermentasi glukosa.

 Pemanfaatan monosakarida tertentu oleh suatu organisme juga bergantung

pada keberadaan sistem pembawa tertentu untuk transpor gula melewati membran sel.

Terjadilah pembedaan sisyem-sistem dari jenis ini. Beberapa diantaranya

memanfaatkan ATP yang dibentuk oleh transpor elektron. Pada E.coli , sistem

fosfotransferase cenderung menurunkan energinya secara langsung dari fosfo enol

piruvat (PEP) daripada dari ATP, dan fosforilasi gula terjadi selama transpor.  

JALUR GLIKOLISIS

Tiga jalur pusat metabolisme karbohidrat pada bakteri ialah glikolisis, jalur

pentose fosfat, dan jalur Entner – Doudoroff. Untuk kebanyakan sel-sel, jalur terbesar

dalam katabolisme glukosa adalah glikolisis. Pada jalur ini molekul glukosa dirubah

menjadi asam piruvat (glikolisis) dan asam piruvat menjadi asam laktat (fermentasi

asam laktat) tanpa pemasukan molekul oksigen. Konsep dasar dari glikolisis tersusun

dalam 11 reaksi enzimatis oleh skema Embden-Meyerhof-Parnas (EMP), ditunjukkan

pada gambar 5–3. Walaupun jalur dasarnya sama untuk tiap semua jenis sel,

perlengkapan enzim-enzim tertentu pada jalur tersebut tidak seragam untuk berbagai

jenis sel setiap spesies.

Glikolisis secara mendasar mencakup dua tahap utama. Pada tahap pertama,

glukosa difosforilasi baik oleh ATP maupun PEP, tergantung pada organismenya, dan

dipecah untuk membentuk gliseraldehid 3-PO4. Pada tahap kedua, perantara tiga

karbon ini diubah menjadi asam laktat dalam serangkaian reaksi oksidoreduksi yang

disalurkan ke fosforilasi ADP. Sebuah mekanisme kemudian terjadi dengan glukosa

sebagai sumber energi yang sesungguhnya.

Reaksi 3, fosforilasi dari D-fruktosa menjadi fruktosa 1,6-bifosfat, menempati

posisi strategis dalam jalur glikolisis. Jalur alternatif dari metabolisme heksosa

terpisah dari fosfat heksa lainnya pada bagian awal dari jalur tersebut. Reaksi ini

dapat dianggap karakteristik pertama dari urut-urutan glikolitik biasa dan oleh

karenanya membentuk cabang dan titik kendali yang sangat penting, berdasarkan

peraturan metabolik yang kuat. Fosfofruktokinase, enzim yang menjadi katalis jalur

ini, adalah suatu enzim allosterik yang merespon fluktuasi pada tingkat nukleotida

adenin. Kendali titik ini memastikan bahwa pasokan ATP berlebih, seperti terjadi saat

asam laktat dan piruvat teroksidasi menjadi CO2 melalui siklus asam sitrat, glikolisis

akan terhenti dan sintesis glukosa akan terbantu. Demikian juga kebalikannya saat

glikolisis benar-benar dibutuhkan untuk pembentukan energi, glikolisis akan terbantu

dan sintesis karbohidrat akan dihentikan.

Reaksi 4, pembelahan fruktosa 1,6-bifosfat menjadi gliseraldehid 3-PO4 dan

dihidroksiaseton PO4, dikatalisasi oleh aldolase. Jenis-jenis aldolase yang berbeda

diproduksi oleh berbagai jenis sel. Pada bakteri, fungi, dan alga hijau-biru,

aldolasenya merupakan kelas II dan dibedakan dari enzim kelas I hewan dari jumlah

kelengkapannya. Hasil dari reaksi ini saling dapat diubah oleh suatu enzim isomer

fosfat triose, yang kebanyakan mengarahkan fosfat dihidroksiaceton kedalam jaringan pusat glikolisis. Sementara sebagian besar unsur-unsur di metabolisme

melalui gliseraldehid 3-fosfat, memiliki peranan yang menentukan bagi metabolisme

lipid, pembentukan fosfat gliserol.

Tahap II Glikolisis

Selama tahap kedua dari glikolisis, dua molekul dari gliseraldehid 3-PO4 yang

tebentuk dari satu molekul glukosa teroksidasi dalam reaksi dua langkah yang

menuju sintesis ATP.

Pada awal dari reaksi-reaksi ini, kelompok aldehid dari gliseraldehid 3-fosfat

teroksidasi ke tingkat oksidasi kelompok karboksil. Komponen penting lainnya dari

reaksi ini adalah agen pengoksidasian nikotinamid adenin dinukleotida (NAD), yang

menerima elektron-elektron dari kelompok aldehid dari gliseraldehid 3-PO4.

Elektron-elektron itu kemudian dibawa ke asam piruvat yang terbentuk dalam jalur

glikolisis.

Dalam reaksi kedua, 1,3-difosfogliserat yang terbentuk dalam reaksi 5 memindahkan

sekelompok fosfat ke ADP, dengan hasil formasi 3-fosfogliserat. Sebagai hasil dari

dua reaksi ini, energi yang berasal dari oksidasi sekelompok aldehid terbentuk

sebagai ikatan fosfat energi berupa ATP.

Dua reaksi ini adalah contoh model dari fosforilasi oksidatif tingkat substrat.

Pada reaksi-reaksi ini, fosforilasi ADP disalurkan ke oksidasi 3-fosfogliseraldehid

terhubung dengan NAD, sebagaimana terlihat pada gambar 5-4. Pada jenis

penyaluran ini, hidrogen dipindahkan dari penyumbang semula ke penerima akhir

melalui perantara transisi dan melalui unsur-unsur perantara pembawa. Perantara 1,3-

difosfogliserat, adalah perantara kovalen yang umum pada reaksi-reaksi di atas.

Dehidrasi 2-fosfogliserat ke fosfoenolpiruvat, sebagaimana terlihat pada gambar 4-3,

adalah reaksi kedua dari rangkaian glikolitik dimana ikatan fosfat berenergi tinggi

terbentuk. Pembentukan ikatan ini melibatkan pengaturan kembali bagian dalam dari

molekul terfosforilasi, mengarah pada konversi sekelompok fosforil rendah energi

menjadi yang berenergi tinggi. Dalam bagian rangkaian reaksi, kelompok fosfat dari

fosfoenolpiruvat dipindahkan ke ADP, menghasilkan ATP dan piruvat.

Hasil Energi

Jalur glikolitik menghasilkan sebanyak 4 mol ATP yang terbentuk dari setiap

mol glukosa yang digunakan. Karena 2 mol ATP digunakan pada langkah awalnya,

hasil bersih ATP adalah 2 mol per mol glukosa terfermentasi. Stokiometri yang

terlihat pada produksi piruvat dari hexosa adalah :

Hanya sejumlah kecil proporsi dari total energi bebas secara potensial dapat

diturunkan dari hasil pemecahan sebuah molekul heksosa yang terbentuk melalui

jalur ini. Ini karena ketidakefisiensian yang terjadi pada sistem ini dan karena hasil

reaksi unsur-unsur dimana karbon masih relatif kurang. Faktor kunci penentu

metabolis, piruvat, bergantung pada sarana yang dipergunakan untuk regenerasi NAD+ dan NADH. Untuk keperluan ini mikroorganisme berevolusi melalui jalur

yang beranekaragam.

JALUR PENTOSA FOSFAT ( Fosfoglukonat )

Skema EMP adalah jalur alternatif lain untuk mendapatkan energi kecuali

pada beberapa mikroba, seperti juga pada jaringan tumbuhan dan hewan, ini bukanlah

satu-satunya jalur yang tersedia untuk metabolisme karbohidrat. Jalur pentosa fosfat,

juga dikenal sebagai jalur fosfoglukonat, adalah suatu jalur multifungsi yang dapat

digunakan pada fermentasi hexosa, pentosa, dan karbohidrat lainnya (gambar 5-5).

Beberapa organisme, seperti fermentor heterolaktat, ini adalah jalur penghasil energi

utama. Untuk kebanyakan organisme merupakan suatu hal utama untuk membangun

NADPH, yang menghasilkan pengurangan tenaga yang dibutuhkan untuk reaksi

biosintesis. Dalam hal ini juga menyediakan pentosa dan sintesis nukleotida melalui

suatu mekanisme oksidasi pentosa oleh rangkaian glikolisis. Penggunaan

multifungsinya sebagai perbandingan dengan glikolisis, tidak dapat dinyatakan

sebagai satu set urutan reaksi-reaksi yang secara langsung dari glukosa dan selalu

berakhir pada oksidasi sempurna menjadi enam molekul CO2.

Titik tolak jalur ini dari sistem EMP adalah oksidasi glukosa 6-fosfat ke 6-

fosfoglukonat, dimana kemudian terkaboksilasi dan lebih jauh teroksidasi menjadi Dribulose

5-Fosfat. Pendehidrogenasi mengkatalisasi reaksi-reaksi ini, glukosa 6-fosfat

dehidrogenasi dan 6-fosfoglucatone dehidrogenasi, membutuhkan NADP+ sebagai

sebuah penerima elektron. Persamaan reaksi keseluruhan untuk jalur ini adalah :

D-ribosa 5-fosfat yang dihasilkan dari isomeri dapat balik dari D-ribulosa 5-

fosfat. Pada beberapa organisme atau lingkungan metabolis, jalur fosfoglukonat tidak

berlangsung lebih jauh. Pada yang lain, tampungan ribosa dan ribulosa 5-fosfat

diubah menjadi selulosa 5-fosfat, yang merupakan titik awal dari serangkaian reaksireaksi

transketolase dan transaldolase, mengarah secara pasti pada unsur awal dari

jalur tersebut, glukosa 6-fosfat. Melalui rangkaian kompleks dari reaksi-reaksi

dimana 6 molekul dari glukosa 6-fosfat teroksidasi menjadi 6 molekul masing-masing

ribulosa 5-fosfat dan CO2, jalur pentosa fosfat dapat juga membawa suatu oksidasi

sempurna dari glukosa 6-fosfat ke CO2:

Jalur oksidasi lengkap hanya jika kebutuhan NADPH tinggi, seperti terjadi

pada organisme yang secara aktif melaksanakan biosintesis lipid.

Mikroorganisme-mikroorganisme heterolaktat fermentasi memanfaatkan jalur

ini daripada glikolisis untuk fermentasi glukosa dan pentosa. Organisme-organisme

yang kekurangan enzim glikolitik, fosfofruktokinase, aldolase, dan isomer triosa

fosfat, tetapi memiliki enzim kunci, fosfoketolase, yang memecah selulose 5-fosfat

menjadi fosfat asetil, dan gliseraldehid 3-fosfat. Penggunaan jalur ini merupakan

suatu jalan sebagai sumber ethanol bagi organisme-organisme tersebut. Pada organisme fermenter heterolaktat lain juga menggunakan jalur ini termasuk Brucella

abortus dan spesies Acetobacter.

Saat glukosa difermentasi melalui jalur pentosa fosfat, hasil bersih ATP

adalah setengah dari yang dihasilkan jalur EMP. Hasil energi rendah ini adalah

karakteristik dari suatu jalur dehidrogenasi sebelum pembelahan.

JALUR ENTNER- DOUDOROFF

Jalur ini merupakan jalur disimilasi utama bagi glukosa oleh aerob obligat

yang kekurangan enzim fosfofruktokinase sehingga tidak dapat mensintesis fruktosa

1,6-bifosfat. Organisme-organisme yang menggunakan jalur ini adalah spesies

Neisseria, Pseudomonas, dan Azotobacter. Jalur ini berpencar pada 6-fosfoglukonat

dari jalur fosfat pentosa. Pada urutan ini, 6-fosfoglukonat terdehidrasi dan kemudian

dipecah untuk menghasilkan satu molekul gliseraldehid 3-PO4 dan satu molekul

piruvat, dimana ethanol dan CO2 terbentuk melalui rangkaian reaksi yang sama

seperti pada fermentasi alkoholik oleh ragi (gambar 5-6). Seperti pada jalur fosfat

pentosa, hanya satu molekul ATP yang dihasilkan dari setiap molekul glukosa yang

terfermentasi. Produksi alkohol melalui lintasan ini jauh lebih banyak daripada

alkohol yang di hasilkan oleh Sacharomyces, sehingga sangat diminati oleh industri

minuman beralkohol.

ASAM PIRUVAT DALAM KONDISI ANAEROB

Fermentasi glukosa terjadi dalam sitoplasma sel setelah fosforilasi pada

glukosa 6-PO4. Asam piruvat merupakan perantara kunci dalam merubah glukosa 6-

PO4 dalam metabolisme fermentasi dari semua karbohidrat. Dalam pembentukannya,

NAD direduksi dan harus dioksidasi kembali untuk mendapat keseimbangan reduksioksidasi

akhir. Oksidasi ulang ini terjadi dalam reaksi-reaksi terminal dan diiringi

oleh hasil reduksi dari asam piruvat.

Bakteri dibedakan secara jelas dari jaringan hewan dalam perilaku mereka

yang membuang asam piruvat. Pada fisiologis mamalia, arah utama dari respirasi

dimana substrat-substrat teroksidasi menjadi CO2 dan H2O, oksigen menjadi

penerima hidrogen utama. Pada beberapa bakteri, oksidasi tak lengkap atau

fermentasi merupakan suatu keharusan, dan hasil dari fermentasi tersebut dapat

terkumpul hingga mencapai jumlah yang luar biasa. Hasil akhir pada organisme tertentu bisa berupa asam laktat maupun alkohol. Pada yang lainnya, asam piruvat

termetabolisme lebih jauh menjadi suatu produk seperti asam butirat, butil alkohol,

aseton, dan asam propionat. Fermentasi bakteri sangat penting karena memiliki nilai

ekonomi dalam industri dan berguna di laboratorium untuk identifikasi spesies

bakteri .

Fermentasi alkohol

Jenis fermentasi tertua yang dikenal adalah produksi etanol dari glukosa.

Fermentasi alkohol yang dilakukan oleh ragi hampir sempurna/murni, alkohol

muncul dari dekarboksilasi asam piruvat oleh piruvat dekarboksilat sebagai enzim

utama dari fermentasi alkohol. Asetaldehid bebas yang terbentuk kemudian direduksi

menjadi etanol melalui dehidrogenasi alkohol, dan NADH-nya teroksidasi kembali,

walaupun sejumlah bakteri menghasilkan alkohol melalui jalur-jalur lainnya.

Fermentasi homolaktat

Seluruh anggota dari genus Streptococcus dan Pediococcus serta banyak

spesies dari Lactobacillus memfermentasikan glukosa secara pre-dominan menjadi

asam laktat. Pada disimilasi glukosa oleh homofermenter, piruvat direduksi menjadi

asam laktat oleh dehidrogenasi enzim laktat, dengan NADH yang berperan sebagai

penyumbang hidrogen. Mekanisme homofermentasi memiliki karakteristik menghasilkan asam laktat yang tinggi karena peranan aldolase yang memecah

heksosa difosfat menjadi dua bagian yang sebanding, masing-masing membentuk

piruvat dan kemudian laktat. Fermentasi yang sama terjadi pada otot hewan.

Fermentasi heterolaktat

Sebagai tambahan pada produksi asam laktat, beberapa bakteri asam laktat

(Leuconostoc dan spesies Lactobacillus tertentu) melakukan fermentasi campuran di

mana hanya sekitar setengah dari glukosa yang diubah menjadi asam laktat, sisanya

adalah CO2, alkohol, asam format, atau asam acetat. Fermentasi heterolaktat

dibedakan secara mendasar dengan jenis homolaktat di mana jalur pentosa fosfat

cenderung lebih digunakan daripada skema EMP. Pelepasan satu karbon dari glukosa

sebagai CO2 adalah karakteristik dari fermentasi glukosa oleh seluruh organisme

heterolaktat. Hal yang penting juga adalah penemuan bahwa energi yang dihasilkan

sesuai dengan pertumbuhannya yaitu sepertiga lebih rendah per molekul glukosa

terfermentasi oleh organisme homolaktat.

Fermentasi asam propionat

Kebanyakan hasil akhir dari fermentasi-fermentasi yang dilakukan oleh

beberapa bakteri anaerob berupa propionat. Jalurnya ini merupakan karakteristik dari

genus Proponibacterium, bersifat anaerob Gram-positif tidak membentuk spora yang

tergolong Lactobacillus. Asam propionat yang dihasilkan organisme-organisme ini

berasal dari glukosa atau asam laktat berperan pada menentukan cita rasa dan aroma

khas dari keju Swiss.

Kemampuan bakteri asam propionat untuk menfermentasikan asam laktat,

sebagai hasil akhir dari proses fermentasi lainnya, sangan penting karena

memungkinkan organisme-organisme ini untuk memperoleh tambahan ATP.

Dalam fermentasi heksosa, tahap awal dari jalur glikolitik, piruvat berasal baik dari

hexose maupun asam laktat, kemudian teroksidasi lebih jauh menjadi CO2 dan acetyl-

CoA , diantara hasil- hasil reaksi terdapat asetat dan CO2. Ikatan asetil-CoA yang

kaya energi dipergunakan untuk sintesis ATP.

Langkah pertama dalam urutan tersebut adalah reaksi perpindahan CO2 yang

unik, terkatalisasi oleh sebuah enzim mengandung-biotin yang berperan sebagai baik

penerima maupun penyumbang CO2. Propionil-CoA, salah satu hasil dari reaksi ini,

meningkatkan propionat.

Fermentasi asam campuran

Jenis fermentasi ini adalah karakteristik dari kebanyakan Enterobacteriaceae.

Organisme yang termasuk pada genus Escherichia, Salmonella, dan Shigella

memfermentasi gula melalui piruvat menjadi asam format, laktat, asetat, dan suksinat.

Sebagai hasil tambahan adalah CO2, H2, dan ethanol. Jumlah produk-produk ini

bervariasi berdasarkan organisme dan derajat anaerobiknya. Semua enterobakteria

menghasilkan asam format, yang dalam keadaan asam diubah oleh format

hidrogenliase menjadi molekul hidrogen dan karbondioksida. Asam format yang

diproduksi dalam fermentasi ini berasal dari asam piruvat dalam pemecahan yang

melibatkan koenzim A untuk menghasilkan asetil-CoA dan asam format. Enzim yang

mengkatalisasi reaksi pada persamaan 1 yaitu piruvat format liase, adalah enzim

kunci yang mengatur jalur fermentasi. Aktivitas katalisnya sangat tinggi, dan secara

ketat dikendalikan baik pada tingkat transkripsi maupun setelah translasi. Asetil-CoA

yang terbentuk dalam reaksi 1 secara cepat diubah menjadi asetil PO4. Reaksi