dapatkah aku mengatasi rasa kesepian

dapatkah aku mengatasi rasa kesepian
aku bisa

Selasa, 02 Agustus 2011


FERMENTASI ANAEROB JALUR EMP


Organisme membentuk energi dari nutrien melalui 2 cara, yaitu transfer elektron di membran sel dan transfer elektron di sitoplasma. Sumber elektron pada transfer elektron di sitoplasma adalah senyawa organik (heterotrof). Sumber elektron pada transfer elektron di membran sel ada 4, yaitu pigmen penangkap cahaya (fototrof), senyawa anorganik (autolitotrof), senyawa C1 (kemoautotrof), dan senyawa organik (heterotrof). Fermentasi adalah pemanfaatan senyawa organik untuk pembentukan energi melalui transfer elektron di sitoplasma. Pembentukan energi melalui transfer elektron di membran disebut juga fosforilasi oksidatif. Dengan demikian respirasi didefinisikan pembentukan energi melalui fosforilasi oksidatif. Pembentukan energi melalui transfer elektron di sitoplasma disebut fosforilasi tingkat substrat. Pembentukan energi dengan cara demikian ditemukan pada organisme fermentatif. Oleh karena itu, fermentasi didefinisikan sebagai pembentukan energi melalui fosforilasi tingkat substrat. Fermentasi sebenarnya proses yang tidak memerlukan oksigen. Fungi mampu melakukan fermentasi dalam kondisi aerob. Jadi fermentasi sebenarnya adalah metabolisme tanpa melibatkan oksigen, tetapi organisme fermentatif terkadang memerlukan oksigen untuk proses metabolisme lainnya maupun pertumbuhannya.Prokariota mampu melakukan fermentasi dan respirasi untuk menghasilkan energi. Respirasi aerob dilakukan, jika terdapat O2 sebagai akseptor elektron. Akan tetapi, jika tidak ada O2, maka prokariota melakukan respirasi anaerob (jika ada akseptor elektron selain oksigen) atau fermentasi (jika tidak ada akseptor elektron). Sebagian besar prokariota obligat anaerob terbunuh, jika ada oksigen di lingkungannya. Oksigen di dalam sel terakumulasi menjadi produk toksik, yaitu radikal hidroksil, radikal superoksida, dan hidrogen peroksida. Pada eukariota produk toksik ini dapat dinetralisir oleh peroksida dismutase atau katalase, tetapi prokariota obligat anaerob tidak memiliki enzim-enzim tersebut.Sebagian besar prokariota fermentatif menghasilkan semua ATP melalui fosforilasi tingkat substrat, kemudian ATP dihidrolisis oleh ATPsintase, sehingga dapat menghasilkan Dp yang dipakai untuk aktivitas membran.Pada lingkungan anaerob dapat terjadi rantai makanan. Karbohidrat, protein, lemak, dan senyawa organik lainnya difermentasi menjadi alkohol atau asam organik oleh organisme anaerob A. Asam organik atau etanol difermentasi menjadi CO2 oleh organisme anaerob B. CO2 ditambat oleh organisme anaerob C menjadi karbohidrat, protein, lemak, dan lainnya. Proses rantai makanan di lingkungan anaerob disebut rantai makanan anaerob.Pada organisme fermentatif permasalahan besar adalah mengoksidasi NADH yang dihasilkan dari proses glikolisis. Pada organisme respiratif masalah tersebut dapat diatasi, karena NADH langsung dioksidasi melalui serial transfer elektron sampai ke akseptor elektron. Fermentasi sebagian besar terjadi, karena ketiadaan akseptor elektron respiratif. Oleh karena itu, organisme fermentatif harus menyediakan akseptor elektron alternatif untuk menerima elektron dari NADH.Proses transfer elektron yang terjadi pada fermentasi disebut pembuangan elektron. Disebut demikian karena elektron bukan melewati serial transfer elektron, tetapi hanya sekali transfer elektron ke akseptor elektron. Biasanya produk yang dihasilkan dari pembuangan elektron disekresi ke luar sel (kalau produk hasil respirasi masih dapat dimanfaatkan lagi oleh sel), karena dapat meracuni sel prokariota, baik secara langsung, maupun tidak langsung. Etanol dapat membunuh prokariota, karena sebagian besar prokariota mati oleh akumulasi etanol dalam media. Asam organik dapat membunuh prokariota secara tidak langsung, karena asam organik akan menurunkan nilai pH, sehingga sebagian besar protein terdenaturasi. Beberapa hal yang perlu diperhatikan dalam meningkatkan produk fermentasi adalah meminimalisir pertambahan biomassa, menggunakan strain homofermentatif, dan mempertahankan lingkungan pada kondisi ideal.

Kesetimbangan Fermentasi


Pada fermentasi sering dihasilkan lebih dari satu senyawa (multi-produk). Oleh karena itu, kita harus dapat menghitung apakah telah terjadi fermentasi sempurna atau tidak. Jika tidak, maka pasti terdapat produk lain yang tidak terukur.Kesetimbangan fermentasi dapat dihitung dengan 3 cara, yaitu metode O/R (O/R method), metode ketersediaan hidrogen (H available method), metode rekoveri karbon (C recovery method). Ketiga metode ini untuk menghitung keseimbangan konsumsi substrat dan produk yang dihasilkan oleh mikroba (Tabel 13.1). Nilai ideal dari kesetimbangan fermentasi adalah 1. Hal ini berarti semua substrat dikonversi menjadi produk fermentasi. Kesetimbangan fermentasi dapat dipakai untuk mengukur efisiensi fermentasi. Efisiensi fermentasi dapat diukur berdasarkan produk secara keseluruhan atau berdasarkan produk yang diinginkan. Pada kondisi aplikatif efisiensi fermentasi biasanya dihitung berdasarkan produk yang diinginkan.
Pada fermentasi etanol efisiensi produksi etanol dihitung berdasarkan perbandingan berat etanol dengan konsumsi substrat. Misalnya 1 kg molase difermentasi menjadi 550 g etanol, efisiensi fermentasi adalah
550/1000 x 100% = 55%
Hal ini berarti hanya 55% molase yang diubah menjadi etanol.
Tabel 13.1 Kesetimbangan fermentasi glukosa oleh Lactobacillus pentoaceticus.
Senyawa
mmol
Mmol karbon
Nilai O/R
Produk teroksidasi
Produk tereduksi
Hidrogen tersedia
Mmol hidrogen
Glukosa
100
600
0


24
2400
Laktat
Gliserol
Etanol
Asetat
CO2
100
7
80
7
85
300
21
160
14
85
0
-1
-2
0
+2




170

7
160


12
14
12
8
0
1200
98
960
56

Total

580

170
167

2314
Kesetimbangan fermentasi berdasarkan metode O/R adalah 167/170=0,98
      metode ketersediaan H adalah 2314/2400=0,96
      metode rekoveri karbon= 580/600=0,97

FERMENTASI ETANOL

Fermentasi etanol dilakukan baik oleh eukariota dan prokariota. Eukariota yang paling sering dipakai sebagai fermentor etanol adalah khamir (Saccharomeces spp). Prokariota yang sering digunakan dalam fermentasi etanol adalah Pseudomonas dan Zymomonas mobilis.
Fermentasi Etanol oleh Khamir (Saccharomeces cerevisiae)
Khamir Saccharomeces cerevisiae menggunakan jalur EMP dalam memfermentasi glukosa menjadi etanol pada kondisi netral atau sedikit asam dan anaerob. Pada kondisi mikroaerofil S. cerevisiae melakukan respirasi. Pada kondisi tersebut 10% glukosa biasanya direspirasi menjadi CO2. Fermentasi etanol oleh S. cerevisiae menghasilkan etanol kurang dari 50%. Pada kondisi aerob khamir melakukan respirasi. Terdapat perubahan produk pada fermentasi etanol akibat perubahan kondisi media. Jika pada media terkandung natrium sulfit, maka menghasilkan gliserol sebagai produk yang dominan. Hal ini karena asetaldehid terjerat oleh sulfit, sehingga menjadi bisulfid. Pada kondisi ini asetaldehid tidak dapat menjadi akseptor elektron bagi NADH, sehingga gliserol fosfat berperan sebagai akseptor elektron bagi NADH dan gliserol fosfat diubah menjadi gliserol. Reaksi keseluruhan adalah sebagai berikut.
C6H12O6 + HSO3- ® C3H8O3 + CO2 + C2H4O-HSO3-
glukosa      sulfit        gliserol                asetaldehidbisulfid

 

Jika media dalam kondisi alkali, terdapat perubahan komposisi produk. Pada kondisi alkali glukosa akan diubah menjadi gliserol, etanol, asetat, dan CO2. Pada kondisi alkali maka asetaldehid akan dioksidasi menjadi asetat dan NADH. NADH dipakai untuk mereduksi asetaldehid lainnya menjadi etanol. NADH hasil oksidasi glukosa menjadi 2 asetaldehid digunakan untuk mereduksi dihidroksiaseton fosfat menjadi gliserol fosfat, kemudian menjadi gliserol.

glukosa + 2 NAD+ ® 2 asetaldehid + 2 NADH + 2 H+ + 2 CO2
glukosa + 2 ATP ® 2 dihidroksiaseton fosfat + 2 ADP
asetaldehid + NAD+ + H2O ® asetat + NADH + H+
asetaldehid + NADH + H+ ® NAD+ + etanol
2 dihidroksiaseton fosfat + 2 NADH + 2 H+ ® 2 gliserol fosfat + 2 NAD+
2 gliserol fosfat ® 2 gliserol + 2 Pi                                                                      +. 
2 C6H12O6 + 2 ATP + H2O ® 2 C3H8O3 + 2 CO2 + C2H6O + C2H4O2 +2(ADP+Pi)

   glukosa                                    gliserol                  etanol      asetat


Gambar 13.1 Perbandingan jalur fermentasi etanol oleh S. cerevisiae (kiri) dan Z. mobilis (kanan).




  1. Jalur  Anaplaerotik
Banyak organisme yang mampu menggunakan oksigen sebagai aseptor elektron terakhir.  Dalam hal ini tidak diperlukan reduksi senyawa intermediator sebagaimana dalam fermentasi.  Hasilnya senyawa-senyawa intermediate tersebut dapat dioksidasi sempurna menjadi karbon dioksida dan air.  Ini merupakan keuntungan yang sangat besar bagi organisme karena jumlah energi yang dihasilkan dari oksidasi sempurna satu molekul glukosa jauh lebih besar bila dibandingkan melalui fermentasi. Hal ini disebabkan rangka aliran elektron dari NADH ke O2 melalui serangkaian karir Cytocrom menghasilkan 3 ATP.  Energi tersebut, bersama dengan energi yang diperoleh dari oksidasi piruvat menjadi asetil COA menghasilkan 36 ATP yang dihasilkan dari metabolisma glukosa menjadi CO2 dan H2O.  Jika kita bandingkan dengan dua ATP yang dibentuk dari satu molekul glukosa melalui fermentasi alkohol atau asam laktat, maka metabolisme aerob jauh lebih efesien dibanding dengan fermentasi.Piruvat diubah menjadi CO2 dan energy melalui proses degradasi yang disebut tricarboxylic Acid Cycle (siklus TCA) atau dikenal dengan siklus asam sitrat maupun siklus Krebs.  Setiap kali oksalo asetat bergabung dengan asetil KoA yang berasal dari Piruvat masuk kedalam siklus akan membentuk senyawa 6 karbon yang dikenal dengan asan sitrat sehingga dinamakan siklus asam sitrat. Dalam setiap putaran menghasilkan serangakaian oksidasi menyebabkan terjadinya reduksi NAD atau FAD dan membebaskan 2 molekul CO2. Jadi senyawa 6 karbon asam sitrat kembali ke bentuk semula yaitu senyawa 4 karbon oksalo asetat yang siap bergabung kembali dengan asetat / asetil COA. Akhirnya semua senyawa NADH dan FADH mengalami posforilasi oksidatif dengan melepaskan elektron melalui serangkain cyticrom ke oksigen menghasilkan air dan 3 molekul ATP untuk setiap pasang elektron dari NADH.  Jumlah energi yang diperoleh dari fermentasi dan respirasi dari satu molekul glokosa adalah sebagai berikut :
Glikolisis Anaerob / Fosforilasi substrat                               2 ATP
Metabolisme Aerob / fosforilasi oksidatif   :
Dari Glikolisis                                                 6 ATP
Metabolisme asetil KoA                                                      6 ATP
Siklus TCA :
Metabolisme suksinil KoA                              2 ATP
Oksidasi 6 NADH                                          18 ATP
Oksidasi 2 FADH                                             4 ATP +
Total Energi                                                                         38 ATP
Reaksi Anaplerotik
Senyawa intermediate dalam TCA digunakan juga untuk Bio Cintesis Asam Amino, asam nukleat dan komponen penting lainnnya dalam sel.  Pengambilan senyawa intermedier tersebut dari dalam siklus untuk tujuan biosintesis menyebabkan ketidak seimbangan senyawa 4 karbon yang digunakan untuk kelangsungan siklus.  Jadi harus ada mekanisma yang dapat menyediakan kembali senyawa yang dipakai tersebut. Mekanisme yang demikian disebut dengan anaplerotik. Contoh : banyak bakteri yang menggunakan enzim PEP carbocsilase untuk membentuk senyawa 4 C oksaloasetat dari priosa pospat dalam jalur Embden /Meyerhoff. Tanpa adanya mekanisme yang demikian, sel yang hanya menggunakan gula sebagai sumber karbon tidak mungkin dapat tumbuh.
  1. Jalur EMP (Embden-Meyerhoff-Parnas)
Jalur EMP disebut juga jalur heksosa bifosfat. Jalur EMP ini terjadi pada mikroorganisme dan dalam keadaan anaerob. Pada jalur ini, glukosa dipecah menjadi 2 piruvat. Selain itu, dalam proses ini juga terjadi pembentukan ikatan kaya energi pada tingkat nutrien atau substrat. Jalur EMP terdiri atas 3 tahapan penting metabolisme, yaitu:
  1. Tahap I, fosforilasi ganda heksosa.
Dimulai dari fosforilasi glukosa menjadi glukosa 6-fosfat dengan bantuan enzim heksokinase. Glukosa 6-fosfat diisomerisasi menjadi fruktosa 6-fosfat dengan bantuan fosfoglukoisomerase. Kemudian, fruktosa-6-fosfat difosforilasi menjadi fruktosa 1,6-bifosfat dengan bantuan fosfofruktokinase.
  1. Tahap II, pemecahan heksosa bifosfat menjadi 2 triosa fosfat
Dimulai dari pemecahan fruktosa 1,6 bifosfat menjadi glieraldehid 3 fosfat (G3P) dan dihidroksiaseton dengan bantuan aldolase. Dihidroksiaseton fosfat dapat direduksi menjadi gliserol 3-fosfat dengan bantuan gliserol fosfat dehidrogenase atau diisomerisasi menjadi G3P dengan bantuan triosa fosfat isomerase sehingga menghasilkan 2 triosa fosfat (G3P).
  1. Tahap III, defosforilasi triosa bifosfat menjadi energy dan piruvat.
Dimulai dari fosforilasi G3P oleh fosfat anorganik menjadi triosa bifosfat (1,3-difosfogliserat) dengan bantuan G3P dehidrogenase. Proses ini menghasilkan NADH sebagai sumber electron respirasi. 1,3-difosfogliseral didefosforilasi menjadi 3-fosfogliserat dengan bantuan fosfogliserokinase. Gugus fosfat dimutasi dari posisi 3 ke posisi 2, sehingga menghasilkan 2-fosfogliserat dengan bantuan fosfogliserat mutase. Pembentukan ikatan rangkap (dehidrasi) antara atom C no 2 dan no 3, sehingga 2-fosfogliserat menjadi fosfoenol piruvat (PEP) dengan bantuan enolase.
Keseluruhan reaksi pada jalur EMP terdapat beberapa reaksi yang bersifat irreversible (tak dapat balik). Yaitu glukosa menjadi glukosa 6-fosfat, fruktosa 1,6 bifosfat menjadi gliseraldehid 3-fosfat dan dihidroksiaseton fosfat, dan fosfoenol piruvat menjadi piruvat. Hasil akhir dari jalur EMP adalah 2 piruvat, 2 NADH, dan 2 ATP. Piruvat akan diproses lebih lanjut melalui siklus asam sitrat. Pada jalur ini dihasilkan pula senyawa antara yang menjadi precursor untuk proses biosintesis.Perubahan glukosa menjadi asam laktat melalui jalur EMP dalam keadaan anaerob disebut fermentasi asam laktat.
Sementara itu ada organisme yang dapat mengubah glukosa menjadi etanol, bukan asam laktat dengan menggunakan jalur EMP (seperti pada ragi). Peristiwa ini disebut sebagai fermentasi alkohol.Bakteri E.Coli mampu tumbuh pada kondisi anaerob dalam media sederhana dengan menggunakan jalur EMP.
  1. Jalur ED (Entner – Doudoroff)
Reaksi ini dilakukan oleh beberapa jasad antara lain Pseudomonas sp. yang dapat membentuk alkohol dari gula melalui jalur ini. Pada setiap pemecahan 1 mol glukosa dihasilkan juga 1 ATP, 1 NADH2, dan 1 NADPH2. Pada Pseudomonas Linderi 2 asam piruvat dipecah menjadi 2 etanol dan 2 CO2, sedangkan pada Pseudomonas jenis lain asam piruvat diubah menjadi 1 etanol, 1 asam laktat dan 1 CO2.Energi yang dihasilkan dalam jalur ED lebih kecil (50%) dibandingkan dengan energi yang dihasilkan melalui jalur EMP. Dengan demikian jalur EMP lebih efektif dibandingkan dengan jalur ED.
Adapun tahap-tahap jalur ED sebagai berikut :
a)    Oksidasi glukosa oleh ATP
b)    Oksidasi gugus aldehid dari glukosa 6-fosfat menjadi 6-fosfoglukonat dan NADPH2
c)    Dehidrasi dari 6-fosfat glukonat menjadi 2-keto-3-deoksi-6-fosfoglukonat (KDPG)
d)   Pemecahan KDPG oleh enzim KDPG aldolase menghasilkan piruvat dengan gliseraldehid 3-fosfat
e)    Triosa Fosfat selanjutnya masuk ke jalur glikolisis menjadi piruvatdan memberikan 2 ATP dan 2 NADPH2 permol triosa fosfat
Jalur ED dapat digambarkan sebagai berikut :
  1. Jalur Heksosa Mono Phosfat (HMP)
Selain lewat EMP banyak jasad yang dapat merombak gula lewat proses HMP. Reaksi ini berguna untuk membentuk gula pentosa yang diperlukan  untuk sintesis asam nukleat dan nukleotida yang mengandung gugus prostetik. Juga sebagai pengahasil materi awal untuk sintesis asam amino aromatik dan vitamin, juga berperan dalam beberapa reaksi biosintesis.Jalur ini aktif dalam hepar, jaringan adiposa (lemak), adrenal korteks, glandula tiroid, sel darah merah,testes dan payudara yang sedang menyusui. Dalam otot aktivitas jalur ini ren-dah sekali. Fungsi utama jalur ini adalah untuk menghasilkan NADPH, yaitu dengan mereduksi NADP+. NADPH diperlukan untuk proses anabolik di luar mitokhondria, seperti sintesis asam lemak dan steroid. Fungsi yang lain adalah menghasilkan ribosa-5-fosfat untuk sintesis nukleotida dan asam nukleat.β-D-glukosa 6-fosfat mengalami oksidasi menjadi 6-fosfoglukonolakton. Enzimnya adalah glukosa 6-fosfat dehidrogenase (G6PD). Reaksi ini memerlukan Mg++ atau Ca++ , memakai NADP+ dan menghasilkan NADPH. Insulin meningkatkan sintesis enzim ini. Selanjutnya 6-fosfoglukonolakton diubah menjadi 6-fosfoglukonat. Reaksi ini juga memer-lukan Mg++, Mn++ atau Ca++. Enzimnya glukono-lakton hidrolase. Satu molekul air (H2O) terpakai, ikatan cincin terlepas. 6-fosfoglukonat selanjutnya mengalami dekarboksilasi dan berubah menjadi riboluse-5-fosfat. Sebelum dekarboksilasi 6-fosfoglukonat dioksidasi menjadi semyawa antara 3-keto 6-fosfoglukonat. Ion Mg++, Mn++ atau Ca++ diperlukan. NADP+ bertindak sebagai hidrogen ekseptor menjadi NADPH. Enzim yang mengkatalisis reaksi ini adalah 6-fosfoglukonat de-hidrogenase. Aktivitas enzim ini tergantung adanya NADP+. Seperti halnya enzim G6PD enzim 6-fosfoglukonat dehidrogenase sintesisnya dirangsang oleh insulin.
Selanjutnya Ribulosa 5-fosfat dapat menjadi dua substrat dari dua enzim yaitu:
1. Ribulosa 5-fosfat epimerase, yang membentuk suatu epimer pada karbon ketiga, yaitu xy-lulose 5-fosfat (xylulose 5-phosphate).
2. Ribosa 5-fosfat ketoisomerase, yang merubah ribulosa 5-fosfat menjadi ribosa 5-fosfat.
Proses selanjutnya akan melibatkan suatu enzim transketolase, yang dapat memindah dua unit karbon ( C1 dan C2 ) dari suatu ketosa pada aldehida dari aldosa. Dalam reaksi ini diperlukan suatu koenzim, tiamin difosfat dan ion Mg++. Dua karbon dari xylulose 5-fosfat dipindah pada ribosa 5-fosfat, menghasilkan suatu ketosa dengan tujuh karbon yaitu sedo-heptulosa 7-fosfat dan aldosa dengan tiga karbon gliseraldehida 3-fosfat. Sedoheptulosa 7-fosfat dan gliseraldehida 3-fosfat akan bereaksi dengan bantuan enzim transaldolase dan membentuk fruktosa 6-fosfat dan eritrosa 4-fosfat.Dalam reaksi ini, transaldolase memindah tiga karbon “active dihydroxy acetone” (C1-C3) dari keto dengan tujuh karbon pada aldosa dengan tiga karbon.Reaksi selanjutnya kembali melibatkan enzim transketolase, dimana xylulose 5-fosfat menjadi donor “active glycoaldehyde” (C1-C2). Eritrosa 4-fosfat yang terbentuk dari reaksi sebelumnya, akan bertindak sebagai akseptor (penerima) C1-C2. Reaksi ini memerlukan tiamin dan ion Mg++ sebagai ko enzim dan menghasilkan fruktosa 6-fosfat dan gliseralde-hida 3-fosfat. Agar glukosa dapat dioksidasi secara sempurna menjadi CO2, diperlukan enzim yang dapat mengubah gliseraldehide 3-fosfat menjadi glukosa 6-fosfat. Untuk ini diperlukan enzim Embden-Meyerhof (glikolisis) yang bekerja kearah yang berlawanan. Selain itu, juga diper-lukan enzim fruktosa 1,6-difosfatase. Enzim ini mengubah fruktosa 1,6-difosfat menjadi fruktosa 6-fosfat.Secara keseluruhan proses ini dapat dianggap suatu oksidasi tiga molekul glukosa 6-fosfat menjadi tiga molekul CO2 dan tiga molekul pentosa fosfat. Tiga molekul pentosa fosfat diubah menjadi dua molekul glukosa fosfat dan satu molekul gliseraldehida 3-fosfat. Karena dua molekul gliseraldehide 3-fosfat dapat diubah menjadi satu molekul glukosa 6-fosfat me-lalui jalur kebalikan glikolisis, maka Jalur HMP  dapat dikatakan suatu oksidasi glukosa sempurna.Enzim 6-fosfoglukonat dehidrogenase mengontrol jalur HMP. Enzim ini dapat dihambat oleh NADPH. Reaksi yang dikatalisis enzim ini tidak akan berjalan apabila NADPH tidak dipakai atau dengan kata lain konsentrasinya tidak menurun. Perlu diingat bahwa produksi ribosa 5-fosfat tidak tergantung pada oksidasi glukosa, tapi dapat melewati kebalikan jalur glikolisis.NADPH yang terbentuk berguna dalam sintesis asam lemak, steroid dan sintesis asam amino. Sintesis asam amino melalui glutamat dehidrogenase. Adanya lipogenesis yang aktif, memerlukan NADPH, hal ini akan merangsang oksidasi glukosa lewat jalur HMP. “Fed state”, suatu keadaan dimana seseorang baru saja makan, mungkin dapat menginduksi sintesis enzim-enzim glukosa 6-fosfat dehidrogenase dan 6-fosfoglukonat dehidrogenase.Jalur HMPdalam eritrosit, hepar dan paru berguna sebagai penghasil suatu reduktor (NADPH). NADPH dapat mereduksi glutation yang telah mengalami oksidasi menjadi glutation yang tereduksi. Enzim yang mengkatalisis reaksi ini adalah glu-tation reduktase. Selanjutnya glutation yang tereduksi dapat membebaskan eritrosit dari H2O2 dengan suatu reaksi yang dikatalisis oleh enzim glutation peroksidase.
2 G-SH + H2O2 G-S-S-G + 2 H2O
Reaksi ini penting sebab penimbunan H2O2 memperpendek umur eritrosit. Telah dibuktikan adanya korelasi terbalik antara aktivitas enzim glukosa 6-fosfat dehidrogenase dengan fragilitas sel darah merah. Pada beberapa orang yang mengalami mutasi dimana enzim ini berkurang, maka mereka akan lebih mudah mengalami hemolisis sel darah merah apabila diberi suatu oksidan seperti primaquin, aspirin, sulfonamid atau apabila diberi makan “fava bean“.
Jalur HMP akan menghasilkan suatu pentosa untuk sintesis nukleotida dan asam nukleat. Ribosa 5-fosfat akan bereaksi dengan ATP menjadi 5-fosforibosil-1-pirofosfat (PRPP).
Dalam otot enzim glukosa 6-fosfat dehidrogenase dan 6-fosfoglukonat dehidrogenase hanya sedikit sekali, namun otot dapat membuat ribosa 5-fosfat, yaitu dengan kebalikan jalur HMP.
Jalur HMP juga mempunyai beberapa macam pola modifikasi dan campuran diantaranya :
a)      modifikasi campuran EMP dan HMP
b)      modifikasi HMP glioksilat
c)      bentuk pola interaksi antara glikolisis dan HMP
  1. Siklus Cori
Pada olahraga ataupun kerja fisik lainnya yang berat, lemak adalah sumber kalori utama. Tetapi tidak boleh dilupakan bahwa cadangan karbohidrat tubuh harus tersisa walaupun sedikit karena bila karbohidrat habis dapat menyebabkan asidosis berat dengan komplikasi berupa collaps. Asam laktat yang terjadi di otot akan dibawa ke dalam sirkulasi darah dan kemudian dibawa ke hati untuk diubah kembali menjadi menjadi glukosa. Glukosa ini akan dibawa kembali ke otot untuk dipecah dengan menghasilkan energi. Akan tetapi bila telah cukup istirahat berarti tubuh telah mendapatkan kembali asupan oksigen maka hati dapat mengubah kembali asam laktat menjadi glikogen (glikogen hati). Keseluruhan proses reversibel ini dikenal dengan Siklus Cori atau disebut juga dengan siklus asam laktat.Apabila perubahan yang bersifat reversibel ini terhambat karena tubuh tidak menerima cukup oksigen, maka akan terjadi penumpukan asam laktat dalam otot yang menyebabkan terjadinya kelelahan otot, keadaan seperti ini dinamakan dengan fatique (rigor otot) karena terjadi acidification (keasaman) oleh asam laktat.
  1. Daur Glioksilat
Bakteri dan jamur tertentu dapat menggunakan substrat karbon C2. Jasad ini mempunyai enzim lengkap dari siklus Krebs dengan tambahan ensim isositrase yang dapat memecah isositrat menjadi suksinat dan glioksilat, dan ensim malat sintetase yang  menyebabkan  kondensasi  asam  glioksilat  dengan  asetil-KoA  menjadi  asam malat. Dengan kedua siklus ini sel dapat membentuk alfa-ketoglutarat yang diperlukan untuk biosintesis. Dan jika asam malat mengalami dekarboksilasi menjadi fosfo-enol-piruvat, dengan reaksi balik glikolisis dan HMP dapat dibentuk heksosa dan pentosa.Khusus pada tanaman siklus TCA (Siklus Krebs) ini berlangsung di dalam mitokondria dan glioksisom. Siklus TCA termodifikasi ini dikenal jugga sebagai siklus Glioksilat. Suatu peranan kunci dari siklus glioksilat ini adalah mengubah asetil-KoA yang dihasilkan dari asam lemak menjadi suksinat, yang kemudian digunakan sebagai prekursor glukosa (hasil utama) dan biomolekul lain yang diperlukan oleh benih yang bertumbuh.Seperti pada siklus Krebs, asetil KoA berkondensasi dengan oksaloasetat untuk mengahsilkan sitrat, yang kemudian dikonversi menjadi isositrat. Dua reaksi selanjutnya merupakan ciri unik dari siklus. Pada reaksi pertama, isositrat liase membelah isositrat, mengahsilkan suksinat dan glioksilat. Kemudian, dalam suatu reaksi yang dikatalisis oleh malat sintase, asetil KoA kedua berkondensasi dengan glioksilat, mengahsilkan L-malat. Siklus ini dilengkapi dengan oksidasi dari L-malat menjadi oksaloasetat. Siklus ini, yang memintas dua langkah dekarboksilasi karakteristik dari siklus Krebs, berhasil dalam mengubah dua molekul asetil KoA menjadi satu molekul suksinat. Keseluruhan reaksi dari siklus dinyatakan sebagai berikut :
2 Asetil KoA + NAD+ + H2O                 suksinat + 2 KoA + NADH + H+
  1. Pemanfaatan Karbohidrat Selain Glukosa
Karbohidrat merupakan polimer dari monosakarida. Karbohidrat yang dikonsumsi oleh manusia dicerna menjadi monomer-monomernya seperti glukosa, fruktosa, galaktosa, manosa dan sebagainya. Pada bahasan-bahasan awal, kita telah mengetahui mengenai metabolisme glukosa dalam tubuh. Karbohidrat selain glukosa juga dapat mengalami metabolisme melalui jalur glikolisis dengan bantuan enzim-enzim tertentu sehingga gula itu menjadi salah satu senyawa antara dari jalur tersebut. Proses setelah melewati jalur glikolisis tersebut sama dengan jalur yang dilewati dalam metabolisme glukosa.
a. Fruktosa                                                                                                                                         
Fruktosa akan diubah menjadi fruktosa-6-fosfat untuk selanjutnya diubah menjadi fruktosa 1,6 difosfat dan memasuki jalur glikolisis oleh enzim heksokinase.
b. Manosa
Untuk masuk ke dalam jalur glikolisis, manosa diubah menjadi fruktosa 1,6 difosfat melalui tiga tahapan:
  1. konversi manosa menjadi manosa-6-fosfat oleh enzim heksokinase.
    1. Konversi manosa-6-fosfat menjadi fruktosa-6-fosfat oleh enzim fosfomanosa isomerase.
      1. Selanjutnya fruktosa-6-fosfat akan diubah menjadi  fruktosa 1,6 difosfat dan memasuki jalur glikolisis
  1. Galaktosa
Mula-mula galaktosa akan difosforilasi dengan bantuan enzim galaktokinase menjadi galaktosa-1,6-difosfat selanjutnya diubah menjadi UDP(uridin diphosphate)-galaktosa dan diisomerasi menjadi UDP-glukosa.Pada akhirnya UDP glukosa diubah menjadi glukosa-1-fosfat dengan bantuan enzim UDP-glukosa pirofosforilase. Glukosa-1-fosfat ini memasuki jalur glikolisis setelah diubah menjadi glukosa-6-fosfat dengan bantuan enzim fosfoglukomutase.Manosa akan diubah menjadi manosa-6-fosfat oleh enzim heksokinse yang selanjutnya akan diubah menjadi fruktosa-6-fosfat dengan bantuan enzim fosfomanosa isomerase.
  1. Galaktosa
Mula-mula galaktosa akan difosforilasi dengan bantuan enzim galaktokinase menjadi galaktosa-1,6-difosfat selanjutnya diubah menjadi UDP(uridin diphosphate)-galaktosa dan diisomerasi menjadi UDP-glukosa.
Pada akhirnya UDP glukosa diubah menjadi glukosa-1-fosfat dengan bantuan enzim UDP-glukosa pirofosforilase. Glukosa-1-fosfat ini memasuki jalur glikolisis setelah diubah menjadi glukosa-6-fosfat dengan bantuan enzim fosfoglukomutase.
  1. Proses yang terjadi dalam jalur EMP :
  2. Tahap I, fosforilasi ganda heksosa.
glukosa diubah menjadi glukosa 6-fosfat dengan bantuan enzim heksokinase yang kemudian diisomerisasi menjadi fruktosa 6-fosfat dengan bantuan fosfoglukoisomerase. Selanjutnya, fruktosa-6-fosfat difosforilasi menjadi fruktosa 1,6-bifosfat dengan bantuan fosfofruktokinase.
  1. Tahap II, pemecahan heksosa bifosfat menjadi 2 triosa fosfat
Dimulai dari pemecahan fruktosa 1,6 bifosfat menjadi glieraldehid 3 fosfat (G3P) dan dihidroksiaseton dengan bantuan aldolase. Dihidroksiaseton fosfat dapat direduksi menjadi gliserol 3-fosfat dengan bantuan gliserol fosfat dehidrogenase atau diisomerisasi menjadi G3P dengan bantuan triosa fosfat isomerase sehingga menghasilkan 2 triosa fosfat (G3P).
  1. Tahap III, defosforilasi triosa bifosfat menjadi energy dan piruvat.
Dimulai dari fosforilasi G3P oleh fosfat anorganik menjadi triosa bifosfat (1,3-difosfogliserat) dengan bantuan G3P dehidrogenase. Proses ini menghasilkan NADH sebagai sumber electron respirasi. 1,3-difosfogliseral didefosforilasi menjadi 3-fosfogliserat dengan bantuan fosfogliserokinase. Gugus fosfat dimutasi dari posisi 3 ke posisi 2, sehingga menghasilkan 2-fosfogliserat dengan bantuan fosfogliserat mutase. Pembentukan ikatan rangkap (dehidrasi) antara atom C no 2 dan no 3, sehingga 2-fosfogliserat menjadi fosfoenol piruvat (PEP) dengan bantuan enolase.
Bottom of Form




Jalur EMP

http://lecturer.ukdw.ac.id/dhira/Metabolism/images/Homoferm.gif
Jalur EMP disebut juga jalur heksosa bifosfat. Jalur EMP ini terjadi pada mikroorganisme dan dalam keadaan anaerob. Pada jalur ini, glukosa dipecah menjadi 2 piruvat. Selain itu, dalam proses ini juga terjadi pembentukan ikatan kaya energi pada tingkat nutrien atau substrat. Jalur EMP terdiri atas 3 tahapan penting metabolisme, yaitu:
  1. Tahap I, fosforilasi ganda heksosa.
Dimulai dari fosforilasi glukosa menjadi glukosa 6-fosfat dengan bantuan enzim heksokinase. Glukosa 6-fosfat diisomerisasi menjadi fruktosa 6-fosfat dengan bantuan fosfoglukoisomerase. Kemudian, fruktosa-6-fosfat difosforilasi menjadi fruktosa 1,6-bifosfat dengan bantuan fosfofruktokinase.
  1. Tahap II, pemecahan heksosa bifosfat menjadi 2 triosa fosfat
Dimulai dari pemecahan fruktosa 1,6 bifosfat menjadi glieraldehid 3 fosfat (G3P) dan dihidroksiaseton dengan bantuan aldolase. Dihidroksiaseton fosfat dapat direduksi menjadi gliserol 3-fosfat dengan bantuan gliserol fosfat dehidrogenase atau diisomerisasi menjadi G3P dengan bantuan triosa fosfat isomerase sehingga menghasilkan 2 triosa fosfat (G3P).
  1. Tahap III, defosforilasi triosa bifosfat menjadi energy dan piruvat.
Dimulai dari fosforilasi G3P oleh fosfat anorganik menjadi triosa bifosfat (1,3-difosfogliserat) dengan bantuan G3P dehidrogenase. Proses ini menghasilkan NADH sebagai sumber electron respirasi. 1,3-difosfogliseral didefosforilasi menjadi 3-fosfogliserat dengan bantuan fosfogliserokinase. Gugus fosfat dimutasi dari posisi 3 ke posisi 2, sehingga menghasilkan 2-fosfogliserat dengan bantuan fosfogliserat mutase. Pembentukan ikatan rangkap (dehidrasi) antara atom C no 2 dan no 3, sehingga 2-fosfogliserat menjadi fosfoenol piruvat (PEP) dengan bantuan enolase.Keseluruhan reaksi pada jalur EMP terdapat beberapa reaksi yang bersifat irreversible (tak dapat balik). Yaitu glukosa menjadi glukosa 6-fosfat, fruktosa 1,6 bifosfat menjadi gliseraldehid 3-fosfat dan dihidroksiaseton fosfat, dan fosfoenol piruvat menjadi piruvat. Hasil akhir dari jalur EMP adalah 2 piruvat, 2 NADH, dan 2 ATP. Piruvat akan diproses lebih lanjut melalui siklus asam sitrat. Pada jalur ini dihasilkan pula senyawa antara yang menjadi precursor untuk proses biosintesis.

Fermentasi asam laktat

Bakteri asam laktat mampu mengubah glukosa menjadi asam laktat. Bakteri tersebut adalah Lactobacillus, Streptococcus, Leuconostoc, Pediococcus, dan Bifidobacterium. Ada 2 kelompok fermentasi asam laktat, yaitu homofermentatif dan heterofermentatif. Yang disebut lebih dulu menggunakan glikolisis melalui jalur EMP dan yang satunya menggunakan glikolisis melalui jalur HMP.
Fermentasi Asam Laktat Homofermentatif
Bakteri asam laktat homofermentatif menghasilkan mayoritas asam laktat dengan sedikit produk samping, yaitu gliserol, etanol, asetat, format dan CO2 (Gambar 13.2). Bakteri asam laktat homofermentatif mengoksidasi glukosa menjadi 2 piruvat melalui jalur EMP. Pada jalur ini menghasilkan 2 ATP. NADH yang dihasilkan pada jalur ini dipakai untuk mereduksi piruvat menjadi asam laktat. Reaksi keseluruhan adalah
Glukosa + 2ADP + 2Pi ® 2 Laktat + 2 ATP
Produk samping diperoleh, karena bakteri asam laktat homofermentatif mempunyai berbagai enzim yang dapat mengubah piruvat menjadi etanol dan CO2, asetat dan format, dan laktat. Jika piruvat tidak segera diubah menjadi produk di atas, NADH dipakai untuk mereduksi dihidroksi aseton fosfat menjadi gliserol.
                                                                          
 
Gambar 13.2 Fermentasi asam laktat homofermentatif.

Perubahan nilai pH pada media dapat mengubah komposisi produk fermentasi asam laktat homofermentatif Lactobacillus casei (Tabel 13.2). Fermentasi asam laktat idealnya dilakukan pada kondisi asam. Ketika kondisi diubah menjadi netral, sebagian piruvat dioksidasi menjadi asetil KoA dan format. Asetil KoA kemudian tereduksi menjadi asetat dan etanol.
Tabel 13.2 Efek pH pada fermentasi laktat oleh Lactobacillus casei
Produk
pH 5
pH 7
pH 8
Laktat
Asetat
Format
Etanol
176,3
9,5
13,1
5,0
134,3
19,2
26,6
12,7
102,0
31,5
47,3
18,7
Efisiensi fermentasi (%)
91,3
87,7
84,0

Pada kondisi aerob S. faecalis mampu memfermentasi gliserol menjadi laktat. Hal ini karena oksigen digunakan untuk mereduksi koenzim Fp (flavoprotein) menjadi Fp dan hidrogen peroksida. Reaksi keseluruhan adalah sebagi berikut.
Gliserol + ADP + Pi + O2 ® laktat + H2O2 + ATP
Fermentasi Asam Laktat Heterofermentatif
Bakteri asam laktat heterofermentatif menghasilkan asam laktat dan produk fermentasi lainnya (kebanyakan etanol) dengan rasio yang seimbang (Gambar 13.3). Hal ini karena mereka mengoksidasi glukosa menjadi piruvat dan asetil fosfat melalui jalur HMP. Piruvat kemudian direduksi menjadi asam laktat, sedangkan asetil fosfat kemudian direduksi menjadi etanol. Pada jalur ini menghasilkan 1 ATP. Reaksi keseluruhan adalah.
Glukosa + ADP + Pi ® Laktat + etanol + CO2 + ATP
Gambar 13.3 Fermentasi asam laktat heterofermentatif.


Bakteri Streptococcus mutans mempunyai kemampuan dalam memfermentasi glukosa menjadi laktat (heterofermentatif) dalam suasana aerob. Pada kondisi aerob NADH dioksidasi menjadi NAD+ dengan bantuan oksigen dan NADH oksidase. Oleh karena itu, terdapat perubahan produk, di mana etanol diubah menjadi asetil KoA dan kemudian menjadi asetat. Perubahan asetil KoA menjadi asetat menghasilkan ATP. Jamur Rhizopus oryzae juga mempunyai kemampuan memfermentasi karbohidrat (pati dan glukosa) menjadi etanol dan asam laktat secara aerob.

Gambar 13.4 Fermentasi asam laktat melalui jalur bifidium.

Fermentasi Asam Laktat Melalui Jalur Bifidium
Dinamakan jalur bifidium, karena ditemukan pada Bifidobacterium bifidium. Secara keseluruhan fermentasi asam laktat melalui jalur bifidium adalah
2 Glukosa + 5 ADP + 5 Pi ® 3 asetat + 2 laktat + 5 ATP

Fermentasi asam laktat pada jalur ini melalui glikolisis melalui modifikasi jalur Pentosa Fosfat (Gambar 13.4). Dua molekul glukosa difosforilasi menjadi 2 molekul fruktosa 6-fosfat (perlu 2 ATP). Satu molekul fruktosa 6-fosfat dipecah menjadi eritrosa 4-fosfat dan asetil fosfat. Eritrosa 4-fosfat kemudian bereaksi dengan satu molekul fruktosa 6-fosfat lainnya menghasilkan sedoheptulosa 7-fosfat dan fosfogiseraldehid. Sedoheptulosa 7-fosfat bereaksi lagi dengan fosfogiseraldehid menghasilkan xilulosa 5-fosfat dan ribulosa 5-fosfat. Ribulosa 5-fosfat berisomerasi menjadi xilulosa 5-fosfat. Dua molekul xilulosa 5-fosfat dipecah menjadi 2 fosfogliseraldehid dan 2 asetil fosfat. Dua molekul fosfogliseraldehid dioksidasi menjadi 2 piruvat kemudian direduksi menjadi 2 laktat (menghasilkan 4 ATP). Dua molekul asetil fosfat diubah menjadi 2 asetat (menghasilkan 2 ATP).

FERMENTASI ASETAT

Clostridium thermoaceticum mampu memfermentasi piruvat menjadi asetat melalui jalur asetil KoA. Karena produknya asetat, maka disebut juga asetogenesis. Selain C. thermoaceticum, bakteri pereduksi sulfat Desulfotomaculum thermobenzoicum juga mampu memfermentasi piruvat menjadi asetat (Gambar 13.5) di media tanpa sulfat. Kedua prokariota ini melakukan fermentasi piruvat menjadi asetat dengan model dan enzim yang sama. Kedua prokariota juga mampu menambat CO2 menjadi asetat juga dengan model yang sama. Yang membedakan adalah protein pembawa karbon (lihat penambatan CO2 pada bab sebelumnya). Piruvat diperoleh dari hasil glikolisis glukosa. Empat molekul piruvat dioksidasi oleh piruvat dehidrogense menjadi 4 molekul asetil KoA. Pergantian gugus KoA dengan fosfat oleh fosfotransasetilase membuat asetil KoA berubah menjadi asetil fosfat. Defosforilasi (dikopling dengan sintesis ATP) asetil fosfat oleh asetat kinase menghasilkan asetat. Pada proses fermentasi piruvat menjadi asetat menghasilkan 8 molekul NADH. NADH dipakai untuk menambat CO2 menjadi asetat. Enam elektron dipakai untuk menambat CO2 menjadi gugus metil [CH3] melalui jalur asetil KoA pada metanogen. Dua elektron dipakai untuk menambat CO2 menjadi kompleks karbonmonoksida karbonmonoksida dehidrogenase (CO-CODH). Selanjutnya, gugus metil diinkorporasi ke kompleks CO-CODH menjadi CH3-CO-CODH. Gugus CH3-CO- ditransfer ke KoA juga oleh karbonmonoksida dehidrogenase, sehingga menjadi asetil KoA. Selanjutnya asetil KoA diubah menjadi asetat sama seperti pada fermentasi piruvat menjadi asetat. Reaksi keseluruhan asetogenesis Desulfotomaculum thermobenzoicum adalah 4 Piruvat + 4 ADP + 4 Pi ® 5 asetat + 2 CO2 + 4 ATP
Gambar 13.5 Asetogenesis dari piruvat pada Desulfotomaculum thermobenzoicum.

Pada bakteri asam asetat lainnya, misalnya Acetobacter dan Gluconobacter mampu memfermentasi glukosa dan etanol menjadi asetat. Gluconobacter suboxydans tidak mempunyai enzim-enzim pada siklus asam sitrat, kecuali suksinat dehidrogenase. Modifikasi siklus pentosa fosfat digunakan untuk memfermentasi glukosa menjadi asetat (Gambar 13.6). Glukosa difosforilasi menjadi glukosa 6-fosfat, kemudian diisomerisasi menjadi 2 molekul fruktosa 6-fosfat. Fruktosa 6-fosfat dipecah menjadi asetil fosfat dan eritrosa 4-fosfat. Asetil fosfat dideforforilasi menjadi asetat. Eritrosa 4-fosfat bereaksi dengan fruktosa 6-fosfat menjadi sedoheptulosa 7-fosfat dan gliseraldehid 3-fosfat. Reaksi ini dikatalisis transaldolase. Sedoheputosa 7-fosfat dan gliseraldehid 3-fosfat bereaksi menjadi ribulosa 5-fosfat dan xilulusa 5-fosfat. Reaksi ini dikatalisis transketolase. Xilulosa 5-fosfat diisomerisasi menjadi ribulosa 5-fosfat. Dua molekul Ribulosa 5-fosfat dipecah menjadi 2 molekul gliseraldehid 3-fosfat dan 2 molekul asetil fosfat. Dua molekul asetil KoA didefosforilasi menjadi asetat. Dua molekul gliseraldehid 3-fosfat berkondensasi menjadi fruktosa 1,6-bisfosfat. Fruktosa 1,6-bisfosfat terdefosforilasi menjadi fruktosa 6-fosfat. Fruktosa 6-fosfat menggantikan fruktosa 6-fosfat yang bereaksi dengan eritrosa 4-fosfat.
Gambar 13.6 Fermentasi asetat dari glukosa oleh Gluconobacter.

Karakteristik Asetobacter dan Gluconobacter adalah kemampuannya mengoksidasi etanol menjadi asetat. Dua dehidrogenase membran sel terlibat dalam oksidasi etanol menjadi asetat, yaitu etanol dehidrogenase dan asetaldehid dehidrogenase. Reaksi keseluruhan oksidasi fermentasi etanol menjadi asetat adalah sebagai berikut.
CH3CH2OH + ½ O2 ®  CH3COOH + 2H
    etanol                           asetat

FERMENTASI BUTIRAT

Fermentasi butirat dilakukan oleh Clostridium sp (Gambar 13.7). Clostridium adalah bakteri penghasil spora heterogenus. Mereka dapat sebagai sakarolitik atau proteolitik. Clostridium proteolitik sangat penting bagi dekomposisi anaerob yang disebut putrefaction. Clostridium butyricum mampu memfermentasi karbohidrat menjadi butirat. Produk fermentasi selain butirat adalah gas hidrogen, karbondioksida, sedikit asetat.
Gambar 13.7 Fermentasi butirat oleh Clostridium sp.

Glukosa dipecah menjadi piruvat melalui jalur EMP (menghasilkan 4 elektron dan 2 ATP). Piruvat didekarboksilasi oleh piruvatferedoksi eksidoreduktase menjadi asetil KoA, CO2. H2 diperoleh dari aktivitas oksidasi hidrogenase terhadap feredoksin. Dua molekul asetil KoA berkondensasi menghasilkan asetoasetil KoA dengan bantuan asetil KoA asetiltransferase. Asetoasetil KoA direduksi menjadi b-hidroksibutiril KoA oleh dehidrogenase. b-Hidroksibutiril KoA didehidrasi menjadi krotonil KoA oleh krotonase. Krotonil KoA direduksi menjadi butiril KoA oleh butiril KoA dehidrogenase. Pengantian gugus KoA oleh fosfat mengakibatkan butiril KoA menjadi butiril fosfat. Reaksi ini dikatalisis fosfotransbutirilase. Butiril fosfat didefosforilasi (dikopling dengan sintesis ATP) menjadi butirat oleh butirat kinase.C. tyrobutyricum mampu memproduksi butirat dan asetat dari glukosa (Gambar 13.7). Untuk menurunkan produksi asetat, gen pta yang mengkode asetat kinase dapat dihilangkan. Meskipun gen pta dihilangkan, tetapi C. tyrobutyricum masih mampu menghasilkan asetat. Hal ini menunjukkan bahwa terdapat jalur atau enzim lain yang mampu menghasilkan asetat. Bakteri rumen Butyrivibrio fibrisolvens mampu memfermentasi glukosa menjadi butirat. Fermentasi glukosa menjadi butirat oleh Butyrivibrio fibrisolvens melalui rute/jalur yang sama dengan Clostridium. Pada kondisi pertumbuhan tinggi (pada fase eksponensial) glukosa difermentasi menjadi butirat, asetat, H2 dan CO2. Asetat merupakan produk samping dan diperoleh dari forforilasi asetil KoA menjadi asetil fosfat oleh fosfotransasetilase. Asetil fosfat kemudian didefosforilasi menjadi asetat oleh asetat kinase.
Tabel 13.3 Perbandingan kadar produk pada fermentasi butirat dan Butanol-aseton (mmol/100 mmol glukosa)
Produk
C. saccharo-butyricum
C. aceto-butylicum
C. butylicum
C. thermac-charolyticum
B. aceto- ethylicum
B. polymyxa
CO2
H2
Asetat
Butirat
Format
Laktat
Etanol
Butanol
Aseton
Isopropanol
Asetoin
2,3-Butandiol
195,5
233,0
42,6
75,3
Sedikit







220,0
165,9
24,8
7,1


4,9
47,4
22,3

5,7

207,0
111,1
20,3
14,5



50,2

18,0


174,0
229,4
48,5
59,5

25,7






215,0
137,0
16,0

10,0

122,0

28,0


12,0
195,0
54,0
5,0



95,0
4,5
6,0


39,0
Rekoveri C %
97,0
98,0
93,5
98,0
105,0
100,0
Sumber: Moat A.G. & J.W. Foster. 1995. Microbial Physiology. Wiley-Lyss, New York


Gambar 13.8 Fermentasi butirat dan butanol-aseton C. acetobutylicum. Garis takputus menunjukkan alur fermentasi pada fase perbanyakan, sedangkan garis terputus menunjukkan alur fermentasi pada fase statis.

Ketika sel masuk ke fase statis dan kandungan butirat tinggi, terjadi fermentasi glukosa dan pentosa menjadi aseton. Selain itu, terjadi konsumsi butirat asetat menjadi butanol dan etanol (Gambar 13.8 dan Tabel 13.3). Glukosa dan pentosa diglikolisis menjadi piruvat. Piruvat didekarboksilasi menjadi asetil KoA oleh piruvatferedoksin oksidoreduktase. Kondensasi 2 molekul asetil KoA menjadi asetoasetil KoA oleh asetil KoA transasetilase. Asetoasetat dipecah menjadi aseton dan CO2 oleh asetoasetat dekarboksilase.Gugus KoA dari asetoasetil KoA ditransfer ke butirat atau asetat, sehingga menjadi butiril KoA atau asetil KoA . Reaksi ini dikatalisis asetoasetil KoA-butirat atau asetat-KoA transferase. Butiril KoA direduksi menjadi butiraldehid oleh butiraldehid dehidrogenase, kemudian direduksi menjadi butanol oleh butanol dehidrogenase. Sedangkan asetil KoA direduksi menjadi asetaldehid oleh asetaldehid dehidrogenase, kemudian direduksi menjadi etanol oleh etanol dehidrogenase.

FERMENTASI PROPIONAT

Propionat, asetat, dan karbon dioksida merupakan produk utama dari fermentasi laktat, glukosa, dan gliserol oleh Propiniobacterium, Veillonella, Bacteroides dan beberapa Clostridium spp. Hipotesis awal menyatakan bahwa langkah awal fermentasi propionat adalah dehidrasi laktat menjadi akrilat. Akrilat kemudian direduksi menjadi propionat. Rute tersebut teramati pada Clostridium propionicum, Bacteroides rumicola, dan Peptostreptoccus. Pada Propionibacterium dan Veillonella pembentukan propionat melalui rute yang lebih kompleks.

Fermentasi Propionat oleh Clostridium propionicum
C. propionicum mampu memfermentasi asam laktat menjadi asetat (melalui jalur asetil KoA) dan propionat (melalui jalur akrilil KoA) dan menghasilkan 1 ATP (Gambar 13.9). Satu molekul laktat didehidrogenasi menjadi piruvat oleh laktat dehidrogenase. Piruvat didehidrogenasi dan dekarboksilasi menjadi asetil KoA oleh piruvatferedoksin oksidoreduktase. Gugus fosfat menggantikan gugus KoA oleh fosfotransasetilase, sehingga Asetil KoA diubah menjadi asetil fosfat. Asetil fosfat didefosforilasi (dikopling dengan sintesis ATP) menjadi asetat oleh asetat kinase. Pada jalur ini menghasilkan 1 ATP, 1 CO2, dan 4 elektron. Empat elektron dipakai untuk mereduksi 2 molekul laktat menjadi 2 molekul propionat.
Gugus KoA (berasal dari propionil KoA) ditransfer ke laktat oleh KoA transferase, sehingga menjadi laktil KoA. laktil KoA terdehidrasi menjadi akrilil KoA. Reaksi ini dikatalisis akrililase. Akrilil KoA direduksi menjadi propionil KoA oleh propionil KoA dehidrogenase. Propionil KoA diubah menjadi propionat. Reaksi keseluruhan adalah sebagai berikut.
3 Laktat + ADP + Pi ® 2 propionat + asetat + CO2 + ATP
Gambar 13.9 Fermentasi propionat melalui jalur akrilat oleh C. propionicum.
           
Fermentasi Propionat oleh Propionibacterium
Propionibacterium memfermentasi laktat, triosa, dan heksosa menjadi propionat (jalur suksinat-propionat), asetat (jalur asetil KoA), dan karbon dioksida (Gambar 13.10 dan Tabel 13.4). Tiga molekul laktat diubah menjadi tiga molekul piruvat oleh laktat dehidrogenase. Satu molekul piruvat diubah menjadi satu molekul asetat sama seperti pada C. propionicum. Fermentasi laktat menjadi asetat menghasilkan 2 elektron dan perubahan 2 molekul laktat menjadi 2 molekul piruvat menghasilkan 6 elektron. Delapan elektron ini dipakai untuk mereduksi piruvat menjadi propionat.
Piruvat dikarboksilasi (berasal dari dekarboksilasi metilmalonil KoA) menjadi oksaloasetat oleh transkarboksilase. Reduksi oksaloasetat menjadi malat oleh malat dehidrogenase. Malat dihidrasi menjadi fumarat oleh fumarase. Fumarat direduksi menjadi suksinat oleh fumarat reduktase. Transfer gugus KoA (berasal dari propionil KoA) ke suksinat, sehingga menjadi suksinil KoA. Reaksi ini dikatalisis suksinil KoA transferase. Re-aransemen suksinil KoA menjadi metil malonil KoA oleh metil malonil KoA rasemase. Dekarboksilasi metil malonil KoA oleh transkarboksilase, sehingga menjadi propionil KoA. Propionil KoA diubah menjadi propionat. Secara teoritis rasio propionat dan asetat adalah 2, tetapi tidak jarang rasionya lebih dari 2 (Tabel 13.4). Reaksi keseluruhan adalah sebagai berikut.
3 Laktat + 2 ADP + 2 Pi ® 2 propionat + asetat + CO2 + 2 ATP
Gambar 13.10 Fermentasi propionat oleh Propionibacterium.

Tampak bahwa reduksi piruvat menjadi suksinil KoA merupakan rute pada jalur reduktif-asam sitrat, Jadi boleh dikatakan bahwa fermentasi propionat pada Propionibacterium melalui jalur reduktif-asam sitrat. Produksi propionat dan asetat dapat ditingkatkan, jika tekanan gas CO2 diturunkan.
FERMENTASI ASAM CAMPURAN
Pada kondisi anaerob dan ketiadaan akseptor elektron, anggota Enterobacteriaceae (Escherichia, Enterobacter, Salmonella, Klebsiella, dan Shigella) memfermentasi glukosa menjadi campuran asetat, format, suksinat, etanol, CO2 dan H2 (Tabel 13.5). Semua produk diperoleh dari fosfoenol piruvat (PEP) (Gambar 13.11). Atau lebih tepatnya suksinat dari PEP. Lainnya dari piruvat (piruvat diperoleh dari PEP).
Tabel 13.4 Fermentasi propionat oleh Propionibacterium (mmol/100 mmol glukosa)
Bakteri
Substrat
Propionat
Asetat
CO2
Suksinat
Rasio P/A
P. freudenreichii
P. freudenreichii
P. freudenreichii
P. shermanii
P. shermanii
P. shermanii
P. peterssonii
P. arabinosum
Glukosa
Laktat
Gliserol
Glukosa
Laktat
Gliserol
Glukosa
Glukosa
134,0
63,5
100,0
140,0
62,5
102,0
114,0
148,0
52,6
35,3
9,9
56,8
36,5
10,6
54,0
10,0
46,2
35,8
6,9
56,4
37,0
7,3
51,0
63,6
12,6
37,8
11,7
12,0
9,3
11,2
11,1
7,9
2,56
1,8
10,0
2,46
1,7
10,0
2,1
14,8
Sumber: Moat A.G. & J.W. Foster. 1995. Microbial Physiology. Wiley-Lyss, New York

                                               
Gambar 13.11 Fermentasi asam campuran.
Suksinat diperoleh dari karboksilasi PEP melalui jalur reduktif-asam sitrat (jalur suksinat). PEP diubah menjadi oksaloasetat oleh PEP karboksilase. Perubahan oksaloasetat menjadi suksinat melalui rute dan melibatkan enzim yang sama seperti pada perubahan oksaloasetat menjadi suksinat pada fermentasi propionat pada bakteri Propionibacterium. Laktat diperoleh langsung dari reduksi piruvat oleh laktat dehidrogenase. Format diperoleh dari pemecahan piruvat (hasil lain adalah asetil KoA), kemudian dapat diubah CO2 dan H2. Asetil KoA dapat diubah menjadi etanol maupun asetat.
Lactobaciilus helveticus memfermentasi sitrat dan laktosa menjadi laktat. Akan tetapi, jika laktosa ditiadakan, terjadi perubahan produk fermentasi, yaitu menghasilkan asetat dan suksinat, bukan laktat. Asetoin dan diasetil tidak terdeteksi pada produk fermentasi L. helveticus. Tampaknya produksi asetat dari piruvat (hasil konversi sitrat) diperantarai NADH okdidase, bukan asetat kinase.
Tabel 13.5 Produk hasil fermentasi asam campuran (mmol/100 mmol glukosa)
Produk
Escherichia
Coli
Enterobacter aerogenes
Salmonella
typhii
Laktat
Etanol
Asetat
Format
CO2
H2
Suksinat
2,3-butandiol
108,8
41,3
32,0
1,6
54,0
45,2
18,0
0
53,4
59,4
10,1
5,5
126,9
44,2
6,0
34,6
121,7
25,4
25,6
39,3
0
0
10,8
0
Rekoveri C (%)
100,0
99,5
93,3
Sumber: Moat A.G. & J.W. Foster. 1995. Microbial Physiology. Wiley-Lyss, New York

Fermentasi Butandiol
Fermentasi butandiol ditandai dengan produksi 2,3-butandiol dan asetoin (juga laktat, etanol, dan format; Gambar 13.12).Glukosa dioksidasi melalui glikolisis jalur EMP menjadi piruvat. Terdapat 3 arah metabolisme piruvat pada fermentasi butandiol. Piruvat direduksi menjadi laktat oleh laktat dehidrogenase. Piruvat juga dapat dipecah menjadi asetil KoA dan format oleh piruvat format liase. Asetil KoA terduksi menjadi asetaldehid oleh asetaldehid dehidrogenase, kemudian direduksi menjadi etanol oleh etanol dehidrogenase. Piruvat juga mengalami dekarboksilasi menjadi asetaldehid aktif, kemudian diubah menjadi asetolaktat. Kedua reaksi ini dikatalisis asetolaktat sintase. Dekarboksilasi asetolaktat menjadi asetoin oleh asetolaktat dehidrogenase. Reduksi Asetoin menjadi 2,3-butandiol oleh 2,3-butandiol dehidrogenase.Produksi butandiol dipengaruhi oleh nilai pH media. Fermentasi glukosa menjadi butandiol mudah terjadi pada media dengan nilai pH sedikit asam, tetapi, jika nilai pH media menjadi asam, glukosa cenderung diubah menjadi asam campuran.

Gambar 13.12 Fermentasi butandiol.

FERMENTASI BAKTERI RUMEN

Bakteri rumen Ruminococcus albus mampu memfermentasi glukosa menjadi etanol, asetat, hidrogen, dan karbondioksida melalui glikolisis jalur EMP (Gambar 13.13). Glukosa lebih dulu dioksidasi menjadi piruvat oleh enzim-enzim pada glikolisis jalur EMP. Piruvat kemudian didekarboksilasi oleh piruvat feredoksin oksidoreduktase menjadi asetil KoA dan gas hidrogen. Asetil KoA direduksi menjadi asetaldehid oleh asetaldehid dehidrogenase, kemudian direduksi menjadi etanol oleh etanol dehidrogenase. Asetil KoA dapat juga mengalami fosforilasi menjadi asetil fosfat oleh fosfotransasetilase. Asetil fosfat mengalami defosforilasi menjadi asetat oleh asetat kinase. Laktat pada fermentasi rumen dihasilkan oleh bakteri laktat rumen, tetapi butirat pada fermentasi rumen dapat dihasilkan oleh bakteri maupun protozoa rumen.Ketika R. albus ditumbuhkan bersama (kultur campuran) dengan bakteri metanogen terdapat perubahan produksi hasil fermentasi (Gambar 13.13). Hidrogen yang dihasilkan melalui glikolisis jalur EMP dan dekarboksilasi piruvat dimanfaatkan oleh bakteri metanogen untuk penambatan karbondioksida menjadi metana. Karena ketiadaan hidrogen, maka sedikit NADH yang diproduksi R. albus. Hal ini mengakibatkan asetil KoA bukan diubah menjadi etanol, tetapi diubah menjadi asetat. Perubahan asetil KoA menjadi asetat tidak memerlukan NADH.

Gambar 13.13 Fermentasi etanol-asetat oleh bakteri rumen R. albus.

 




SUMBER

ü  ANONIMOUS.2011.JALUR FERMENTASI
ü  ANONIMOUS.2011.JALUR FERMENTASI          
ü