Metabolisme Bakteri

Semua mikroorganisme memerlukan bahan makanan untuk kehidupannya. Bahan makanan didapat dari lingkungan baik berupa bahan organik maupun bahan anorganik. Bahan makanan ini sebagai energi yang dibutuhkan semua sel untuk menggerakkan proses kehidupan. Menurut Madigan, et al., (2012) energi diperoleh dari bahan kimia organik oleh chemoorganotrophs, dari bahan kimia anorganik oleh chemolithotrophs, dan dari cahaya oleh phototrophs Menurut Purnomo (2004) bahan organik dan bahan anorganik disebut nutrient, dan proses pengambilan atau penyerapan (absorbsi) nutrien kita sebut nutrisi.  Didalam sel nutrient atau bahan makanan diubah oleh sederetan reaksi enzim bergandengan dan berurutan melalui proses yang disebut metabolisme.

Metabolisme bakteri

Menurut Brock, et al. (1994) kata metabolisme berasal dari Yunani, metabole yang berarti “berubah”. Dalam Madigan, et al., (2012) metabolisme adalah kumpulan reaksi kimia yang berbeda dan mengatur berbagai molekul kedalam suatu struktur tertentu, sebelum sel bisa berreplikasi. Menurut Pelczar, et al. (2010) metabolisme adalah semua reaksi kimiawi yang dilakukan oleh sel untuk menghasilkan energi dan yang menggunakan energi untuk sintesis komponen-komponen sel dan untuk kegiatan-kegiatan selular, seperti pergerakan.

Proses metabolisme terdiri atas: proses perombakan senyawa-senyawa kimia didalam sel atau katabolisme dan proses pembentukan komponen sel atau anabolisme (Ristiati, 2000). Dalam Madigan, et al., (2012) reaksi metabolisme katabolik, yang berarti melepaskan energi, sedangkan anabolik, yang berarti membutuhkan energi. Katabolisme memecah struktur molekul bawah dan melepaskan energi dalam proses, sedangkan anabolisme menggunakan energi untuk membangun molekul yang lebih besar dari yang lebih kecil. Begitu juga menurut Pelczar, et al., (2010) reaksi kimiawi yang membebaskan energi melalui perombakan nutrient disebut reaksi disimilasi atau peruraian yang merupakan kegiatan katabolik sel. Sedangkan reaksi yang menggunakan energi untuk sintesis dan fungi-fungsi sel lainnya disebut reaksi asimilasi atau anabolik (Pelczar, et al., 2010). Menurut Campbell, et al., (2010), metabolisme adalah sifat emergen kehidupan yang muncul dari interaksi antara molekul-molekul dalam lingkungan sel yang teratur. Jadi metabolisme merupakan hasil pengumpulan dari reaksi anabolis dan katabolisme.

Selama berlangsungnya reaksi kimiawi, akan terjadi pembebasan atau penggunaan energi. Jumlah energi yang dilepaskan atau dipakai selama berlangsungnya suatu reaksi disebut perubahan energi bebas (∆G) yang dinyatakan dalam kalori. Bila ∆G bernilai negatif maka reaksi tersebut membebaskan energi yang disebut reaksi eksergonik. Bila ∆G bernilai positif maka reaksi tersebut membutuhkan energi yang disebut reaksi endergonik (Madigan, et al., 2012).

Pemanfaatan energi kimia dalam makhluk hidup melibatkan reaksi oksidasi reduksi (redoks). Energi yang dilepaskan dalam reaksi oksidasi-reduksi (redoks) dikonservasi dalam sel dengan sintesis simultan senyawa kaya energi, seperti ATP. Oksidasi adalah hilangnya elektron dari suatu molekul, dan reduksi adalah penambahan elektron oleh molekul lain (Madigan, et al., 2012). Dalam biokimia oksidasi dan reduksi merupakan hal umum yang melibatkan elektron atau elektron ditambah proton (atom hidrogen, H). Dalam reaksi ini, substansi teroksidasi (H₂) sebagai donor elektron, dan substansi terreduksi (O₂) sebagai akseptor elektron. Konsep donor dan akseptor elektron sangat penting dalam mikrobiologi dan mendasari hampir semua aspek metabolisme energi.

Dalam artikel ini hanya akan akan dibahas mengenai katabolisme yaitu bagaimana bakteri memperoleh energi yang nantinya digunakan untuk aktivitas sel.

       Kegiatan katabolik sel merupakan reaksi kimiawi yang membebaskan energi melalui perombakan nutrient atau disebut juga reaksi disimilasi atau peruraian (Pleczar, et al., 2010). Bila sel merombak ikatan-ikatan kimiawi tertentu selama metabolisme, energi yang dilepaskan menjadi tersedia untuk melangsungkan kerja biologis. Selama katabolisme, untuk memproses berbagai nutrisi menggunakan enzim (Prescott, et al., 2008).

Katabolisme sel

Dalam reaksi metabolisme, enzim pada umumnya dilengkapi dengan energi kimia yang tersedia disebut adenosine triphosphate, atau sederhananya ATP. Energi didalam molekul ATP didapat dengan mengurai rantai energi tinggi yang terdapat pada grup fosfat akhir yang terdapat pada molekul. Enzimnya disebut adenosine triphosphatase (ATPase) yang mengkatalis reaksi. Meskipun molekul ATP digunakan dimana-mana oleh bakteri, ATP tidak cocok untuk menyimpan energi.

Oleh karena itu, sel-sel mensintesis atau mendapatkan molekul kecil seperti glukosa atau lipid untuk menyimpan energi. Kemudian, energi dalam molekul dapat dibebaskan dalam katabolisme dan digunakan untuk mengganti ATP dari ADP dan P. ATP yang dihasilkan akan mengendalikan katabolisme dan anabolisme serta aktivitas lain dari bakteri (Alcamo, 1994). Jadi ATP merupakan “mata uang energi” bagi sel dan merupakan medium perrtukaran energi antara reaksi-reaksi eksergonik dan endergonik (Pelczar, et al., 2010).

Jalur katabolik

Dua rangkaian reaksi yang terkait dalam konservasi energi di chemoorganotrophs adalah fermentasi dan respirasi (Madigan, et al., 2012). Fermentasi merupakan bentuk katabolisme anaerob terdiri dari gabungan bahan organik donor elektron dan akseptor elektron, dan ATP dihasilkan oleh fosforilasi tingkat substrat; respirasi adalah katabolisme yang merupakan oksidasi gabungan O2 (atau penganti O2) sebagai pusat akseptor elektron, biasanya selalu disertai dengan produksi ATP phosfolirasi oksidatif. Menurut Campbell, et al., (2010) salah satu proses katabolik, yaitu fermentasi (fermentation) merupakan penguraian gula sebagian yang terjadi tanpa penggunaan oksigen. Akan tetapi jalur katabolik yang paling dominan dan efisien adalah respirasi aerobik (aerobic respiration) yang menggunakan oksigen sebagai reaktan bersama dengan bahan organik.

Dalam fermentasi dan respirasi, sintesis ATP adalah pasangan untuk membebaskan energi dalam reaksi oksidasi-reduksi. Fermentasi dan respirasi adalah pilihan alternatif metabolisme yang dapat digunakan untuk semua mikroorganisme. Dalam organisme bisa mengalami keduanya baik fermentasi dan respirasi, seperti yeast, fermentasi penting ketika kondisi anaerob dan terminal akseptor elektron tidak ada. Ketika tersedia O2, dapat melakukan respirasi. ATP yang dihasilkan lebih banyak dalam respirasi daripada fermentasi.

            Macam-macam Katabolisme

Menurut Madigan, et al., (2012) tiga macam katabolisme selain dari fermentasi dan respirasi aerob yaitu: respirasi anaerobik, chemolithotrophy, dan phototrophy. Respirasi anaerobic adalah respirasi yang berlangsung dalam kondisi tidak terdapat oksigen, akseptor elektron selain oksigen dapat digunakan untuk mendukung respirasi pada prokariota tertentu. Beberapa elektron akseptor yang digunakan dalam respirasi anaerob meliputi nitrat (NO₃^- direduksi menjadi nitrit, NO₂^-, oleh Escherichia coli atau N₂ oleh spesies Pseudomonas), ferri oksida (Fe³⁺ direduksi menjadi Fe²⁺ oleh spesies Geobacter), sulfat (SO₄²⁺ direduksi menjadi hidrogen sulfida, H₂S, oleh spesies Desulfovibrio), karbonat (CO₃²⁺, direduksi menjadi metana, CH₄, oleh metanogen atau asetat oleh acetogens), dan gabungan senyawa organik tertentu. Ketersediaan O₂ kadang sedikit atau tidak ada dalam habitat mikrobia, sehingga respirasi anaerob menjadi sangat penting. Seperti dalam respirasi aerobik, respirasi anaerobik melibatkan transpor elektron, pergerakan proton, dan aktivitas ATPase.

Chemolithotrophs adalah organisme yang menggunakan bahan kimia anorganik sebagai donor elektron. Contoh yang berhubungan dengan donor elektron anorganik yaitu: H₂S, gas hidrogen (H₂), Fe²⁺, dan NH₃. Metabolisme Chemolithotrophic sama dengan respirasi aerobik dan dimulai dengan oksidasi dari donor elektron anorganik. Elektron dari donor anorganik masuk ke rantai transportasi elektron dan pergerakan proton dibentuk sama seperti pada chemoorganotrophs. Namun, salah satu perbedaan penting antara chemolithotrophs dan chemoorganotrophs, selain donor elektron, adalah sumber karbon untuk biosintesis. Chemoorganotrophs menggunakan senyawa organik (glukosa, asetat, dan sejenisnya) sebagai sumber karbon sumber. Sebaliknya, chemolithotrophs menggunakan karbon dioksida (CO₂) sebagai sumber karbon.

 Mikroorganisme phototrophs, menggunakan cahaya sebagai sumber energi dalam proses fotosintesis. Mekanisme cahaya digunakan sebagai sumber energi yang kompleks, tapi hasil akhirnya adalah sama seperti dalam respirasi: pergerakan proton yang digunakan untuk menggerakkan sintesis ATP. Sintesis ATP cahaya mediasi disebut photofosforilasi. Kebanyakan phototrophs menggunakan energi ATP untuk asimilasi CO₂ sebagai sumber karbon untuk biosintesis disebut photoautotrophs. Namun, beberapa phototrophs menggunakan senyawa organik sebagai sumber karbon dengan cahaya sebagai sumber energi, disebut photoheterotrophs. Ada dua jenis fotosintesis: oksigenik dan anoxygenik. Fotosintesis oksigenik dilakukan oleh cyanobacteria dan kerabatnya dan juga oleh tanaman hijau, menghasilkan O₂. Fotosintesis anoxygenic adalah proses yang sederhana digunakan oleh bakteri ungu dan hijau yang tidak menghasilkan O₂.

pustaka

Brock, T.D., Madigan, M.T, Martiko, J.M.,  Parker, J. 1994. Biology of Mikroorganisms. 7^th ed. Prentice-Hall International.

Campbell, N.A., Reece, J.B., Urry, L.A., Cain., M.L., Wasserman, S.A., Minorsky, P.V., Jackson, R.B. 2010. Biologi. 8^th ed. Erlangga.

Madigan, M.T., Martinko, J.M., Stahl, D.A., Clark, D.P. 2012. Brock Biology of Microorganisms.13^th ed. Pearson Education, Inc.

Pelczar dan Chan. 2010. Dasar-Dasar Mikrobiologi. Jakarta:UI Press