proses metabolik


Proses Secara Umum

Metabolisme adalah seluruh transformasi yang terjadi dalam sel termasuk di dalamnya sel bakteri , atau protozoa untuk membuat sel baru dan membentuk populasi bakteri. Proses metabolisme pada umumnya terdiri dari konservasi energi, biosintesis, asimilasi, dan pemeliharaan sel.

Konservasi Energi

Kemampuan untuk mentransformasikan dan menkonsumsi energi merupakan harta fundamental yang dimiliki oleh seluruh makhluk hidup. Sel membutuhkan energi untuk melaksanakan berbagai fungsi kerja mekanik seperti daya pergerakan dan kerja elektris seperti pergerakan ion dan molekul. Energi kimia juga dibutuhkan dan dikonsumsi selama reaksi yang mensintesis berbagai senyawa kimia penyususn sel. Konsumsi energi menjadi sesuatu yang penting dalam kehidupan sel. Energi didulang dari sebuah struktur kimia yang disebut substrata tau dari radiasi sinar matahari.

Gambar Metabolisme Mikroba Secara Umum

Energi Carriers (Pembawa Energi)

Pada umumnya, bentuk manifestasi dari konservasi energi yaitu pembentukan senyawa fosfat bernergi tinggi, sebagai energi kimia. Pada umumnya, senyawa kimia yang menjadi pembawa energi ini adalah adenosine trifosfat (ATP), yang jika satu ikatan P-nya terlepas akan menjadi ADP kemudian menjadi AMP.

Anabolisme adalah metabolisme pembentukan yang menggunaka energi (ATP) untuk mensintesis komponen sel kompleks (makromolekul) dari senyawa yang lebih sederhana dalam sel (central intermediate). Komponen sel baru yang dimaksud adalah phosphorylates, yang mendapat molekul fosfat dari ATP dalam proses.

Ada berbagai jenis mekanisme dalam konservasi energi untuk memproduksi ATP. Akan tetapi, pada prinsipnya semua mekanisme berlangsung melalui proses oksidasi reduksi yang melibatkan transfer elektron dari molekul pendonor (teroksidasi) ke akseptor elektron (terreduksi).

Elektron Carriers

Oleh karena cara makhluk hidup mengkonversi energi adalah dengan reaksi oksidasi dan reduksi, fungsi sumber energi utama adalah memulai proses donor elektron. Sinar matahari pun tidak melakukan inisiasi secara langsung melainkan melalui molekul fotoreseptor yang dikenal dengan nama klorofil-a untuk mendonorkan elektron. Elektron yang ditransfer diterima oleh molekul organik pembawa elektron, yang disebut koenzim, biasanya dalam bentuk nicotinamide adenine dinucleotide (NAD) dan turunan terfosforilasinya (NADP). Saat menerima ion hidrida, koenzim ini akan terreduksi menjadi NADH/NADPH. Senyawa tereduksi tersebut kemudian mendonor elektron untuk menghasilkan ATP atau untuk reaksi metabolisme lain seperti biosintesis, asimilasi dan pemeliharaan sel. Sekali molekul NAD mendonorkan ion hidrida, maka NAD dapat menerima elektron lagi.  NAD dapat dianalogikan dengan ATP dalam fungsinya sebagai pembawa elektron universal (daya reduksi) dengan cara yang sama dengan yang dilakukan oleh ATP sebagai pembawa ikatan fosfat universal (energi metabolic).

Biosintesis

Pada umumnya, materi organik dalam organisme terdiri dari empat kelas makromolekul kompleks yaitu asam nukleat, protein, polisakarida dan lemak. Molekul-molekul besar ini disintesis dari kelompok senyawa organik sederhana yang disebut central intermediate, yang diturunkan dari sumber karbon melalui anabolisme atau biosintesis yang terdiri dari dua tahap utama yaitu sintesis monomer prekursor dan polimerisasi. Kedua tahap ini adalah net consumer dalam biosintesis dan akan menggunakan ATP selama konservasi energi. Biosintesis akan berlangsung selama jumlah ATP cukup.

Asimilasi & Ingesti

Asimilasi adalah transport komponen metabolik terlarut dari luar ke dalam lingkungan sel, baik secara pasif (difusi) maupun transport aktif. Sel yang mendapatkan semua komponen metabolic melalui asimilasi disebut osmotrof, contohnya jamur, algae, dan bakteri. Asimilasi dipenuhi dengan mekanisme transportasi dengan energi pasif (energi netral) dan energi aktif (energi konsumsi). Transport pasif dilakukan berdasarkan driving force yang berupa gradient konsentrasi, dengan mekanisme difusi. Proses ini bersifat spontan, tidak membutuhkan energi dari luar dan akan berlangsung sampai konsentrasi di area perbatasan sel dengan daerah luar menjadi homogen . Transport pasif akan terjadi hanya ketika molekul mampu berdifusi melalui membran sel.

Ingesti adalah proses transpor materi organik tak larut melalui membran sel. Sel yang mampu melakukan Ingesti disebut fagotrof, contohnya protozoa, siliata dan amoeba. Protozoa fagotrof dapat mengkonsumsi alga, jamur, virus, dan protozoa lainnya, serta senyawa organik partikulat abiotik (nonselular). Organisme fagotrop ini pertamanya harus melarutkan partikel yang dingesti secara intraseluler sebelum melepaskan senyawa organik yang dapat diserap sebagai nutrisi oleh sel. Pelarutan intraseluler ini dibantu oleh enzim spesifik. Mekanisme pelarutan melibatkan keterpaduan antara proses disimilasi (penguraian), biosintesis, konservasi energi.

Pemeliharaan Sel

Pemeliharaan sel adalah aktivitas sel yang tidak berhubungan langsung dengan pertumbuhan. Fungsi utama dalam pemeliharaan sel adalah bergerak dan mempertahankan kesatuan struktur sel. Sel yang bergerak membutuhkan energi  untuk operasi pergerakan mereka. Maksudnya, pergerakan sel yang diwujudkan dengan bagian berupa flagella atau silia, serta aliran sitoplasmik.

Klasifikasi Metabolik

Berdasarkan sumber karbon dan energi yang digunakan, organisme dibedakan atas:

Kemoheterotrof: Organisme ini menggunakan senyawa organik sebagai sumber karbon dan energinya. Kemoheterotrof terdiri dari fungi (mold dan yeast), protozoa dan bakteri.

Kemoautotrof: Organisme ini menggunakan senyawa anorganik sebagai sumber energi dan CO2 sebagai sumber karbon. Organisme yang termasuk kemoautotrof adalah bakteri nitrifikasi, hidrogen, sulfur dan besi.

Fotoheterotrof: Organisme ini menggunakan cahaya sebagai sumber energi dan senyawa organik sebagai sumber karbon. Organisme yang termasuk fotoheterotrof adalah beberapa jenis alga dan cyanobacteria yang bersifat anaerobik-fotosintetik.

Fotoautotrof: Organisme ini menggunakan cahaya sebagai sumber energi dan CO2 sebagai sumber karbon.  Sebagian besar alga dan cyanobacteria termasuk dalam klasifikasi fotoautotrof.

Kebutuhan Nutrisi

Bioelement  Mayor

Terdapat 10 bioelemen yang dibutuhkan oleh sel dengan konsentrasi yang cukup tinggi. Bioelement ini adalah sebagai berikut:

Karbon: Sel memperoleh karbon melalui oksidasi heterotrof senyawa organik atau melalui reduksi autotrof CO2. Pada organisme autotrof, CO2 yang diperoleh dari fiksasi CO2 digunakan untuk menghasilkan sel baru (biosintesis). Sedangkan, pada organisme heterotrof, sumber karbon tidak hanya dimanfaatkan untuk produksi sel baru (biosintesis/anabolisme) tetapi juga untuk menghasilkan energi (katabolisme).

Sejumlah kecil organisme baik autotrof maupun heterotrof tidak dapat mensintesis semua molekul organic spesifik yang dibutuhkan untuk pertumbuhan sehingga senyawa tersebut harus hadir atau diasimilasi dari lingkungan ekstraseluler jika reaksi biosintesis akan diberlangsungkan.

Nitrogen: Nitrogen diperlukan oleh semua mikroba untuk mensintesis protein dan asam nukleat (DNA dan RNA). Nitrogen diperoleh dari lingkungan dalam bentuk anorganik, biasanya dalam bentuk NH3 yang dibutuhkan untuk asimilasi dan transformasi sel. Namun, ada juga organisme yang dapat menggunakan NO3 sebagai sumber nitrogennya, yang kemudian direduksi menjadi ammonia melalui assimilatory nitrate reduction sebelum digunakan dalam biosintesis.

Energi ekstra untuk metabolism dibutuhkan untuk mentransfer elektron dari sumber internal menjadi ion nitrat untuk membuat sumber nitrogen yang lebih disukai daripada ammonia. Gas nitrogen juga dapat secara terbatas digunakan oleh organisme khusus melalui mekanisme konsumsi energy yang disebut dengan fiksasi nitrogen.

Oksigen & Hidrogen: O2 dan H2 terdapat dalam sel dalam bentuk air, sebagai komponen utama dalam senyawa organik. Pada organisme heterotrof, oksigen dan hydrogen diperoleh dari molekul substrat. Sedangkan, pada organisme autotrof, molekul oksigen diperoleh dari fiksasi CO2.

Sulfur: Sulfur adalah komponen asam amino yang dibutuhkan untuk sintesis protein. Beberapa organisme dapat memperoleh sulfur melalui asimilasi reduksi sulfat, sebagian lagi memperoleh sulfur melalui reduksi senyawa sulfur seperti H2S.

Fosfor: Fosfor terdapat dalam bentuk ion fosfat dalam materi organik sel seperti asam nukleat (DNA dan RNA), nukleotida (ATP), nukleosida (ADP dan AMP), dan fosfoipid. Di bawah kondisi normal, beberapa sel dapat menyimpan fosfor dalam bentuk polifosfida. Fosfor juga dapat diperoleh dalam bentuk senyawa organik yang kemudian diuraikan terlebih dahulu oleh enzim fosfatase sebelum masuk reaksi biosintesis.

Senyawa lain: Senyawa lain yang termasuk mayor bioelement adalah K, Ca, dan Mg yang dibutuhkan untuk enzim serta Fe yang dibutuhkan sebagai komponen struktur protein.

Bioelemen  Minor

Elemen-elemen yang dibutuhkan sel dalam jumlah mikro diantaranya: Zn, Mn, Co, Cu, dan Mo (yang dibutuhkan dalam aktivasi dan integritas struktur enzim), serta vitamin untuk pertumbuhan. Ada juga organisme yang membutuhkan nikel dan tungsten sebagai bioelemen. Selain itu, alga diatom membutuhkan bioelemen silicon sebagai komponen struktur dinding sel.

Kebutuhan Energetik

Konservasi energi membutuhkan transfer elektron antara molekul pendonor dan akseptor. Kemampuan molekul pendonor untuk mendonorkan elektronnya tergantung pada kemampuan menyuplai NAD dalam sel. NAD hanya dihasilkan dalam jumlah yang sedikit dalam sel sehingga perlu di-cycled (reduksi dan oksidasi). Molekul atau ion yang menerima elektron dalam reaksi konservasi energi disebut electron penerima terakhir, seperti O2 pada organisme aerobik, nitrat dan sulfat pada organisme anaerobik, dan senyawa organik pada organism sel fermentatif.

Jumlah ATP yang bisa dihasilkan melalui oksidasi dan reduksi tergantung pada jumlah elektron yang ditransfer. Oleh karena itu, jumlah ATP yang dapat dihasilkan dapat dihitung secara teoritis dengan menghitung jumlah elektron yang ditransfer ke terminal acceptor.

Pengolahan Air Limbah

Sasaran utama dari sistem biologis yang bervariasi untuk pengolahan air limbah adalah oksidasi karbon, nitrifikasi, dan denitrifikasi. Sasaran dan dasar rasional ini berhubungan dengan keutamaan metabolisme microbial yang telah dideskripsikan sebelumnya.

Oksidasi Karbon

Salah satu cara yang paling umum untuk menyelenggarakan oksidasi karbon adalah dengan sistem pengolahan aerobik seperti, lumpur aktif, menara percik, lagun aerasi, dan kolam oksidasi. Sistem ini berbeda dengan oksigenasi, tetapi semua bergantung pada metabolisme respirasi aerobik kemoheterotrof untuk memineralisasi senyawa organik.

Oksidasi karbon juga dapat dicapai dengan sistem anerobik. Dalam sistem anaerobik, karbon dioksida dibentuk melalui aktifitas bakteri fermentasi, bakteri respirasi sulfat, dan beberapa bakteri metanogenik. Pada sistem ini pula, karbon organik direduksi dan terjadi metabolisme bakteri fermentasi.

Penghilangan Nitrogen

Proses penghilangan nitrogen secara biologis dapat dilaksanakan oleh 2 tahap yaitu, nitrifikasi dan denitrifikasi. Pada proses nitrifikasi, ammonia dioksidasi menjadi nitrit, kemudian nitrit dioksidasi menjadi nitrat. Pada tiap tahap nitrifikasi tersebut dikatalisis oleh bakteri yang berbeda. Pada proses denitrifikasi, nitrat direduksi menjadi gas nitrogen (N2) yang berlangsung secara anaerobik.

Biosintesis

Salah satu konsekuensi dari seluruh proses biologis untuk pengolahan air limbah adalah sintesis sel baru (dalam hal ini sebagai lumpur). Untuk menunjang pertumbuhan sel secara aktif, maka diperlukan kondisi lingkungan yang cocok untuk bakteri tersebut, serta penambahan nutrien (untuk mencegah defisiensi nutrient), seperti nitrogen, fosfor, dan  elemen minor. Hal ini bertujuan supaya oksidasi karbon tetap berjalan sebagaimana mestinya.

About iinparlina

Seorang Insan manusia yang diciptakan Allah dengan segala kekurangan dan kelebihannya, yang mencoba menjadi seorang yang dicintaiNya, dan salah satu cara yang dilakukannya adalah dengan menulis, membagi sedikit sekali ilmu yang dimilikinya. Meskipun sedikit, dia berharap dari yang sedikit itu, ilmu itu bisa bermanfaat untuk orang lain sebagaimana dia pun membutuhkan Ilmu untuk membuatnya bisa menjejakan kakinya di surga.

Posted on July 21, 2009, in teknik kimia..... Bookmark the permalink. 2 Comments.

  1. makasih yah… tapi, titi boleh tanya ga’ soal apa itu asimilasi sulfur dan hubungannya bagi tanaman. makasih…atas jawabannya..

  2. mau tanya nie, mengapa interkonversi zat-zat kimia menggunakan energi metaboli ?
    mksie atas jwabanya

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s

%d bloggers like this: