Terjemahan Chapter 13 [PDF]

Citation preview

Tema utama mikrobiologi adalah keanekaragaman filogenetik kehidupan mikroba di Bumi. Kami merasakan hal ini di bab terakhir dan akan mengeksplorasi keanekaragaman mikroba secara rinci dalam empat bab berikut. Dalam bab ini kami fokus pada keanekaragaman metabolisme . dari mikroorganisme, dengan penekanan khusus pada proses dan mekanisme yang mendasari keragaman ini. Kami kemudian akan kembali ke organisme itu sendiri dan mengungkap luasnya filogenetik dari dunia mikroba dalam konteks keragaman metabolisme. 1.



 Fototropi



Fototropi — penggunaan energi cahaya — tersebar luas di dunia mikroba. Dalam unit ini kami menguji sifat dan strategi hemat energi dari mikroorganisme fototrofik dan melihat bagaimana ini mendukung gaya hidup berdasarkan penggunaan CO 2 sebagai satu-satunya sumber karbon.   13.1 Fotosintesis dan Klorofil Proses biologis paling penting di Bumi adalah fotosintesis, konversi energi cahaya menjadi energi kimia. Organisme yang melakukan fotosintesis disebut fototrof . Organisme fototrof juga autotrof, mampu tumbuh dengan CO 2 sebagai sumber karbon tunggal. Energi dari cahaya



digunakan



dalam



reduksi



CO



2



menjadi



senyawa



organik



( fotoautotropi ). Beberapa fototrof juga dapat menggunakan karbon organik sebagai sumber karbonnya; gaya hidup ini disebut photoheterotrophy . Fotosintesis membutuhkan pigmen yang peka terhadap cahaya, klorofil, ditemukan pada tanaman, ganggang, dan cyanobacteria, dan bacteriochlorophylls , pada bakteri ungu dan hijau. Cyanobacteria



dan



bakteri



ungu



dan



hijau



semuanya



adalah fototrof prokariotik . Penyerapan energi cahaya oleh klorofil dan bakterioklorofil memulai proses konversi energi fotosintesis, dan hasil bersihnya adalah energi kimia, ATP. Photoautotrophy mensyaratkan bahwa dua rangkaian reaksi berbeda beroperasi secara paralel: (1) produksi ATP dan (2) reduksi CO menjadi bahan sel. Untuk pertumbuhan autotrofik, energi disuplai dari ATP, dan elektron untuk pengurangan CO berasal dari NADH (atau NADPH). Yang terakhir berasal dari pengurangan daya Mengurangi Carbon H 2 S SO S 0 4 2- electr ons elektron CO 2 2 2 NAD ( P +) oleh donor elektron dalam lingkungan. Pada bakteri ungu dan hijau, donor dapat berupa senyawa sulfur tereduksi seperti hidrogen sulfida (H 2 S), atau molekul hidrogen ( H) . Sebaliknya, tanaman hijau, ganggang, dan cyanobacteria mendapatkan elektron dari air (HO)



Oksidasi H 2 O menghasilkan molekul oksigen ( O) sebagai produk sampingan; karena itu,



proses



fotosintesis



pada bakteri ungu



pada



dan hijau



O



cyanobacteria tidak



disebut



diproduksi,



dan



fotosintesis dengan



oksigen. Namun,



demikian



proses



ini



disebut fotosintesis anoksigenik (Gambar 13.1). Oksigen yang diproduksi oleh cyanobacteria miliaran tahun yang lalu mengubah Bumi dari dunia anoksik menjadi duniaoksik dan mengatur panggung untuk ledakan keanekaragaman mikroba eukariotik 2 yang akhirnya memunculkan tanaman dan hewan . Klorofil dan Bacteriochlorophyll Klorofil dan bakterioklorofil berhubungan dengan tetrapyrroles yang merupakan struktur induk dari sitokrom. Tetapi tidak seperti sitokrom, klorofil mengandung magnesium, bukan besi di pusat cincin. Klorofil juga mengandung substituen khusus pada cincin tetrapirrol dan alkohol hidrofobik yang membantu mengikat klorofil ke dalam membran fotosintesis. Struktur klorofil a, klorofil utama dari fototrof oksigen , ditunjukkan pada Gambar 13.2a. Klorofil a berwarna hijau karena menyerap cahaya merah dan biru dan mentransmisikan lampu hijau; spektrum serapannya menunjukkan absorbansi yang kuat di dekat 680 nm dan 430 nm (Gambar 13.2b). Beberapa klorofil yang berbeda diketahui, masing-masing dibedakan oleh spektrum serapannya yang unik. Cyanobacteria mengandung klorofil a a beberapa



spesies



mengandung



klorofil



d),



sedangkan



kerabat



mereka



yang prochlorophytes menghasilkan klorofil a dan b. Bakteri



ungu



dan



hijau



Phototrophic



menghasilkan



satu



atau



lebih bacteriochlorophylls (Gambar 13.3). Bacteriochlorophyll (Gambar 13.2), hadir di sebagian besar bakteri ungu (Bagian 14,4 dan 14,5), menyerap secara maksimal antara 800 dan 925 nm (bakteri ungu yang berbeda mensintesis sedikit berbeda photocomplexes , dan maxima penyerapan bacteriochlorophyll sebuah di setiap organisme diberikan bergantung untuk beberapa derajat tentang bagaimana protein dalam fotokompleks diatur dalam membran fotosintetik; lihat Gambar 13.4). Bakterioklorofil lain , yang distribusinya berjalan di sepanjang garis filogenetik, menyerap di daerah lain dari spektrum yang terlihat dan inframerah (Gambar 13.3). Keberadaan berbagai bentuk klorofil atau bakterioklorofil yang menyerap cahaya dengan panjang gelombang yang berbeda memungkinkan fototrof memanfaatkan lebih baik energi yang tersedia dalam spektrum elektromagnetik. Dengan menggunakan pigmen yang berbeda dengan sifat penyerapan yang berbeda, fototrof yang berbeda dapat hidup berdampingan di habitat yang



sama, masing-masing menyerap panjang gelombang cahaya yang tidak dimiliki orang lain. Dengan demikian, keanekaragaman pigmen memiliki signifikansi ekologis untuk keberhasilan hidup berdampingan dari berbagai fototrof di habitat yang sama.     Pusat Reaksi dan Pigmen Antena Dalam



oksigenik phototrophs dan



ungu anoxygenic phototrophs ,



klorofil / bacteriochlorophyll molekul tidak ada secara bebas dalam sel tetapi melekat pada protein dan terletak di dalam membran untuk membentukphotocomplexes terdiri dari mana saja 50-300 klorofil / bacteriochlorophyll molekul. Hanya sejumlah kecil molekul pigmen ini, yang disebut pusat reaksi (Gambar 13.4), berpartisipasi langsung dalam reaksi yang mengarah pada sintesis ATP. Pusat reaksi klorofil / bakterioklorofil dikelilingi oleh jumlah yang lebih besar dari klorofil pemanen cahaya / bacteriochlorophylls . Pigmen antena yang disebut ini (juga disebut pigmen pemanenan cahaya) berfungsi untuk menyerap cahaya dan menyalurkan sebagian energi ke pusat reaksi (Gambar 13.4). Pada 475 525 590 Bchl intensitas cahaya rendah yang sering ditemukan di alam, pengaturan untuk energi konsentrat ini memungkinkan pusat reaksi untuk menerima energi cahaya yang jika tidak akan dilewatkan   Membran Fotosintesis, Kloroplas, dan Klorosom Pigmen klorofil dan semua komponen lain dari alat pengumpul cahaya ada di dalam membran di dalam sel. Lokasi membran fotosintesis ini berbeda antara mikroorganisme prokariotik dan eukariotik. Dalam fototrof eukariotik , fotosintesis terjadi pada organel intraseluler, kloroplas, di mana klorofil melekat pada membran seperti lembaran (Gambar 13.5). Sistem membran fotosintetik ini disebut tylakoids, dan tumpukan tylakoids membentuk grana. Thylakoids disusun sedemikian rupa sehingga kloroplas dibagi menjadi dua wilayah, ruang matriks yang mengelilingi thylakoids, yang disebut stroma , dan ruang dalam di dalam array tylakoid. Pengaturan ini memungkinkan pembentukan kekuatan motif proton yang digerakkan oleh cahaya yang digunakan untuk mensintesis ATP (Bagian 13.4). Kloroplas tidak hadir dari fototrof prokariotik . Pada bakteri ungu, pigmen fotosintetik diintegrasikan ke dalam sistem membran internal yang timbul dari invaginasi membran sitoplasma.Vesikel membran yang disebut kromatofor atau tumpukan membran yang disebut



lamella adalah pengaturan membran umum pada bakteri ungu (Gambar 13.6). Pada cyanobacteria, pigmen fotosintetik berada dalam membran lamellar (lihat Gambar 13.10) yang juga disebut tylakoid karena kemiripannya dengan tylakoid dalam kloroplas alga (Gambar 13.5). Struktur utama untuk menangkap intensitas cahaya rendah adalah klorosom (Gambar 13.7). Klorosom terdapat dalam bakteri sulfur hijau anoksi -genik ( Chlorobium , Gambar 13.1 dan Bagian 14.6) dan bakteri nonsulfur hijau ( Chloroflexus , Bagian 14.7). Klorosom berfungsi sebagai



sistem



antena



raksasa,



tetapi



tidak



seperti



antena



bakteri



ungu



atau



cyanobacteria, molekulbakterioklorofil dalam klorosom tidak melekat pada protein. Klorosom mengandung bakterioklorofil c, d, atau e (Gambar 13.3) yang tersusun dalam susunan padat yang berjalan di sepanjang sumbu panjang struktur. Energi cahaya yang diserap oleh pigmen antena ini ditransfer ke bakterioklorofil a di pusat reaksi di membran sitoplasma melalui protein kecil yang disebut protein FMO (Gambar 13.7). Bakteri hijau dapat tumbuh pada intensitas cahaya terendah dari semua fototrof yang dikenal dan sering ditemukan di perairan terdalam danau, laut pedalaman, dan habitat akuatik



anoksik



lainnya



di



mana



tingkat



cahaya



terlalu



rendah



untuk



mendukung fototrof lainnya . Bakteri nonsulfur hijau adalah komponen utama tikar mikroba, biofilm tebal yang terbentuk di sumber air panas dan lingkungan yang sangat asin (Bagian 19.5). Tikar mikroba mengalami gradien cahaya yang curam, dengan tingkat cahaya bahkan



beberapa



milimeter



ke



dalam



tikar



yang



mendekati



kegelapan. Karenanya, klorosom memungkinkan bakteri nonsulfur hijau tumbuh secara fototropik dengan intensitas cahaya minimal yang tersedia . 13.2 Karotenoid dan Phycobilins Meskipun klorofil / bakterioklorofil diperlukan untuk fotosintesis, organisme fototrofik mengandung



pigmen



lain



juga. Pigmen-pigmen



ini



termasuk,



khususnya, karotenoid



dan phycobilin . Karotenoid Pigmen aksesori yang paling luas dalam fototrof adalah karotenoid. Karotenoid adalah pigmen hidrofobik yang melekat kuat pada membran fotosintesis. Gambar 13.8 menunjukkan struktur karotenoid yang umum, β-karoten. Karotenoid biasanya berwarna kuning, merah, coklat, atau hijau dan menyerap cahaya di wilayah biru spektrum (Gambar 13.2). membran Tylakoid yang membentuk grana. Karotenoid utama dari fototrof anoksi ditunjukkan pada Gambar



13.9. Karena



mereka



cenderung



menutupi



warna bacteriochlo - rophylls ,



karotenoid



bertanggung jawab atas warna-warna cemerlang merah, ungu, merah muda, hijau, kuning, atau coklat yang diamati pada berbagai spesies fototrof anoksigenik (Gambar 14.12). Karotenoid terkait erat dengan klorofil atau bakterioklorofil dalam kompleks fotosintetik, dan sebagian energi yang diserap oleh karotenoid dapat ditransfer ke pusat reaksi. Namun, karoten berfungsi terutama sebagai agen fotoprotektif . Cahaya terang dapat berbahaya bagi sel karena dapat mengkatalisasi reaksi fotooksidasi yang dapat menghasilkan bentuk oksigen toksik, seperti



oksigen



singlet (1 O).Seperti



superoksida



dan



bentuk



oksigen



toksik



lainnya (Bagian 5.16), oksigen singlet dapat secara spontan mengoksidasi fotokompleks , menjadikannya nonfungsional. Karotenoid memadamkan spesies oksigen beracun dengan menyerap banyak cahaya berbahaya ini dan dengan cara ini mencegah fotooksidasi berbahaya ini . Karena organisme fototrofik pada dasarnya harus hidup dalam cahaya,perlindungan fotopa yang diberikan karotenoid jelas menguntungkan. Phycobiliproteins dan Phycobilisomes Cyanobacteria dan kloroplas alga merah (yang merupakan keturunan dari cyanobacteria, Bagian 17.1) mengandung pigmen yang disebut phycobiliprotein , yang merupakan sistem pemanenan cahaya utama dari fototrof ini . Phycobiliproteins terdiri dari linear merah atau biruhijau tetrapyrroles , disebut bilins , terikat dengan protein, dan memberikan cyanobacteria dan merah ganggang warna karakteristik mereka (Gambar 13.10). Merah phycobiliprotein , disebut phycoerythrin , menyerap paling kuat pada panjang gelombang sekitar 550 nm, sedangkan biru phycobiliprotein , phycocyanin (Gambar 13.10b), menyerap paling kuat di 620 nm. Phycobiliprotein ketiga , yang disebut allophycocyanin , menyerap sekitar 650 nm. Phycobiliprotein berkumpul menjadi agregat yang disebut phycobilisomes yang melekat pada tylakoids cyanobacterial (Gambar sehinggaallophycocyanin molekul



13.10c). Phycobilisomes diatur



berada



dalam



kontak



langsung



sedemikian dengan



rupa



membran



fotosintesis. Allophycocyanin dikelilingi oleh phycocyanin atau phycoerythrin (atau keduanya, tergantung pada organisme).Phycocyanin dan phycoerythrin menyerap cahaya dengan panjang gelombang yang lebih pendek (energi lebih tinggi) dan mentransfer sebagian energi ke allophycocyanin , yang diposisikan paling dekat dengan pusat reaksi klorofil dan mentransfer energi ke sana (Gambar 13.10b). Dengan demikian, dalam cara yang mirip dengan bagaimana fungsi



sistem bakteri



bakteri klorofil dalam fototrof anoksigenik(Gambar



13.4),



transfer energi menghasilkan "menurun" dari phycobilisomes 384 UNIT 3 • Keragaman Mikroba (a) (b) Vesikel ke pusat reaksi. Phycobilisomes memfasilitasi transfer energi ke pusat reaksicyanobacterial , yang memungkinkan cyanobacteria tumbuh pada intensitas cahaya yang lebih rendah daripada yang seharusnya mungkin terjadi.     13.3 Fotosintesis Anoksigenik Dalam reaksi cahaya fotosintetik, elektron melintasi elektron pada rantai transpor yang diatur



dalam



membran



fotosintesis



agar



semakin



potensial



reduksi



elektropositifnya. Ini menghasilkan kekuatan motif proton yang menggerakkan sintesis ATP. Bagian penting dari proses ini termasuk pusat reaksi fotosintesis dan membran fotosintetik (Bagian 13.1). riochlorophyll a, yang disebut pasangan khusus, dua bakterioklorofil tambahan, sebuah molekul



yang



berfungsi



dalam



aliran



molekul bacteriopheophytin ( bacteriochlorophyll a



minus



elektron atom



fotosintesis,



dua



magnesiumnya),



dua



molekul kuinon (Bagian 3.10), dan satu karotenoid (Gambar 13.11). Semua komponen pusat reaksi terintegrasi sedemikian rupa sehingga mereka dapat berinteraksi dalam reaksi transfer elektron yang sangat cepat pada tahap awal konversi energi fotosintesis. Aliran Elektron dalam Bakteri Ungu   Reaksi cahaya fotosintesis dimulai ketika energi cahaya yang diserap oleh sistem antena ditransfer ke pasangan khusus bakterioklorofil a molekul (Gambar 13.11a). Ini menggairahkan pasangan khusus, mengubahnya dari donor elektron yang relatif lemah menjadi donor yang sangat kuat (E ′ sangat elektronegatif, Bagian 3.6). Setelah donor kuat ini diproduksi, langkahlangkah yang tersisa dalam aliran elektron fotosintesis sangat mengingatkan kita pada yang telah kita lihat sebelumnya dalam respirasi (Bagian 3.10 dan Gambar 3.20); yaitu, elektron yang mengalir melalui membran dari pembawa E 0 ′ rendah ke yang E E 0 0 tinggi, menghasilkan kekuatan motif proton dalam proses (Gambar 13.12). Sebelum eksitasi, pusat reaksi bakteri ungu, yang disebut P870, memiliki E about sekitar +0,5 V; setelah eksitasi, ia memiliki potensi sekitar −1.0 V (Gambar 13.12a). Elektron tereksitasi dalam P870 menghasilkan pengurangan molekul bakterioklorofil dalam pusat reaksi (Gambar



13.11a dan 13.12a). Transisi ini berlangsung sangat cepat, hanya membutuhkan sekitar tiga triliun



(3



×



10



0



- 12) per



detik.Setelah



dikurangi, bacteriochlorophyll a



mengurangi bacteriopheophytin a dan yang terakhir mengurangi molekul kuinon di dalam membran. Transisi ini juga sangat cepat, membutuhkan kurang dari sepersejuta detik (Gambar 13.12). Dari kuinon , elektron diangkut lebih lambat (dalam skala milidetik) melalui serangkaian protein besi-sulfur dan sitokrom (Gambar 13.12), akhirnya kembali ke pusat reaksi.   Gambar 13.12b menunjukkan aliran elektron dalam konteks aktual dari membran fotosintetik. Protein transpor elektron kunci termasuk banyak yang juga berpartisipasi dalam aliran elektron pernapasan (Gambar 3.20) —cytochrome bc ular (Gambar 13.12). Sitokrom c 1 dan sitokrom c 2 2, di partic - adalah periplasmic sitokrom (recall bahwa periplasma adalah wilayah antara membran sitoplasma dan membran luar bakteri gram negatif, Bagian 2.11) yang berfungsi sebagai antar-jemput elektron antara membran kompleks terikat bc dan pusat reaksi (Gambar 13.12b). Aliran elektron selesai ketika sitokrom c 1 menyumbangkan elektron ke pasangan khusus untuk mengembalikannya ke potensi reduksi groundstate aslinya . Pusat reaksi kemudian dapat menyerap energi cahaya baru dan mengulangi prosesnya. ATP disintesis selama aliran elektron fotosintetik dari aktivitas ATPase yang memasangkan kekuatan motif proton ke sintesis ATP (Bagian 3.11). Mekanisme sintesis ATP ini disebut fotofosforilasi, khususnya fotofosforilasi siklik, karena elektron bergerak dalam loop tertutup. Tidak seperti respirasi, di mana ada konsumsi bersih elektron, saya fotofosforilasi n siklik tidak ada masukan atau konsumsi elektron bersih; elektron hanya menempuh rute berputar, kembali dari mana mereka datang (Gambar 13.12).



dalam fotofosforilasi siklik tidak ada input atau konsumsi elektron; elektron hanya menempuh rute berputar, kembali dari mana mereka datang (Gambar 13.12). Generasi Pengurangan Daya



Agar bakteri ungu tumbuh sebagai fotoautotrof (Bagian 13.1), pembentukan ATP tidak cukup.Reducing power (NADH) juga diperlukan untuk mengurangi CO2 ke bahan sel.Pengurangan daya untuk bakteri ungu dapat berasal dari banyak sumber, khususnya senyawa sulfur yang berkurang seperti H2S. Ketika H2S adalah donor elektron pada bakteri sulfur ungu, gumpalan S0 disimpan di dalam sel (Gambar 13.1). Ketika S0 terbentuk, elektron berakhir di "kolam kuinon" (Gambar 13.12). Namun, E0 qu kuinon (sekitar 0 V) tidak cukup elektronegatif untuk mengurangi NAD + (−0,32 V). Oleh karena itu, elektron dari kumpulan kuinon harus dipaksa mundur (terhadap gradien elektrokimia) untuk mengurangi NAD + menjadi NADH (lihat Gambar 13.13). Proses pencarian energi ini, yang disebut transpor elektron terbalik, digerakkan oleh energi gaya gerak proton. Kita akan melihat nanti bahwa aliran elektron terbalik juga merupakan mekanisme dimana chemolithotrophs memperoleh daya reduksi untuk fiksasi CO2; dalam banyak kasus ini, elektron berasal dari donor elektron E0 quite yang cukup positif (Bagian 13.6–13.10).



Aliran Elektron Fotosintesis dalam Anoksigenik Lainnya Phototrophs Sejauh ini kami telah fokus pada aliran elektron pada bakteri ungu.Meskipun reaksi terkait membran analog mendorong fotofosforilasi dalam fototrof anoksi lainnya, ada perbedaan signifikan dalam detailnya.



Pusat reaksi bakteri nonsulfur hijau dan bakteri ungu secara



struktural sangat mirip tetapi berbeda dari pusat reaksi bakteri sulfur hijau dan heliobacteria, dan ini tercermin dalam perbedaan aliran elektron siklik. Gambar 13.13 kontras aliran elektron fotosintesis dalam bakteri ungu dan hijau dan heliobacteria. Perhatikan bahwa pada bakteri sulfur hijau dan heliobakteria, keadaan tereksitasi dari pusat reaksi, bakterioklorofil secara signifikan lebih elektro-negatif daripada bakteri ungu dan bahwa klorofil aktual (bakteri hijau) atau bentuk klorofil a yang dimodifikasi (hidroksi klorofil a) (heliobakteria) hadir di pusat reaksi. Dengan demikian, tidak seperti pada bakteri ungu, di mana molekul akseptor stabil pertama (kuinon) memiliki E0 about sekitar 0 V (Gambar 13.12a), akseptor pada bakteri hijau dan heliobacteria adalah protein besi-sulfur yang memiliki lebih banyak elektronegatif E0 ′ daripada NADH. Oleh karena itu, aliran elektron terbalik tidak diperlukan dalam bakteri sulfur hijau atau heliobacteria.Pada bakteri sulfur hijau, protein yang



disebut ferredoxin (E0 ′0.4V) adalah donor elektron langsung untuk fiksasi CO2 (Bagian 13.5).Ketika H2S adalah sumber daya reduksi pada belerang hijau atau bakteri belerang ungu, gumpalan S0 dihasilkan dari oksidasi H2S.Pada bakteri hijau, butiran tetap berada di luar sel tetapi pada bakteri belerang ungu mereka tetap di dalam sel (Gambar 13.1).Dalam kedua kasus, S0 akhirnya menghilang karena dioksidasi menjadi sulfat (SO42−) untuk menghasilkan daya reduksi tambahan untuk fiksasi CO2. 13.4 Fotosintesis Oksigen Berbeda dengan aliran elektron fotosintetik dalam fototrof anoksigenik, dalam elektron fototrof oksigen mengalir melalui dua sistem foto yang berbeda yang disebut sistem foto I (PSI, atau P700) dan sistem foto II (PSII, atau P680).Seperti dalam fotosintesis anoksigenik, reaksi cahaya dalam fotosintesis oksigen terjadi pada fotokompleks yang tertanam dalam membran.Dalam sel eukariotik, membran berada di kloroplas (Gambar 13.5), sedangkan di cyanobacteria, membran diatur dalam tumpukan di dalam sitoplasma (Gambar 13.10c). Aliran Elektron dan Sintesis ATP dalam Oxygenic Fotosintesis PSI dan PSII berinteraksi seperti yang ditunjukkan pada Gambar 13.14 dalam "skema Z" fotosintesis, dinamakan demikian karena jalurnya menyerupai huruf "Z" yang diputar di sisinya. Potensi reduksi molekul klorofil P680 dalam PSII sangat elektropositif, bahkan lebih positif daripada pasangan O2 / H2O.Hal ini diperlukan untuk memungkinkan langkah pertama dalam aliran elektron, pemisahan air menjadi oksigen dan elektron (Gambar 13.14). Energi cahaya mengubah P680 menjadi reduktor kuat yang mengurangi pheophytin a (klorofil minus atom magnesiumnya), sebuah molekul dengan E0 about sekitar −0.5 V. Sebuah elektron dari H2O kemudian disumbangkan ke molekul P680 teroksidasi untuk mengembalikannya ke potensi pengurangan kondisi dasar. Dari pheophytin, elektron bergerak melalui beberapa pembawa membran E0 ′ yang semakin positif termasuk kuinon, sitokrom, dan protein yang mengandung tembaga yang disebut plastocyanin; yang terakhir menyumbangkan elektron ke pusat reaksi PSI. Elektron diterima oleh P700 dari PSI, yang sebelumnya menyerap energi cahaya dan menyumbangkan elektron yang pada akhirnya akan mengarah pada pengurangan NADP +.



Elektron bergerak melalui beberapa perantara dalam terminasi PSI dengan reduksi NADP + menjadi NADPH (Gambar 13.14). Selain sintesis bersih NADPH, peristiwa penting lainnya terjadi saat elektron mengalir dari PSII ke PSI.Reaksi transpor elektron menghasilkan kekuatan motif proton dari mana ATP diproduksi oleh ATPase. Mekanisme sintesis ATP ini disebut fotofosforilasi non-siklik karena elektron tidak berputar kembali untuk mengurangi P680 teroksidasi, tetapi sebaliknya digunakan dalam pengurangan NADP +.



Namun, ketika daya reduksi berlimpah, ATP juga dapat



diproduksi dalam fototrof oksigenik oleh fotofosforilasi siklik.



Ini terjadi ketika, alih-alih



mengurangi NADP +, elektron dari PSI yang biasanya akan mengurangi ferredoxin dikembalikan untuk melakukan perjalanan rantai transpor elektron yang menghubungkan PSII ke PSI. Dengan demikian, elektron ini juga menghasilkan gaya motif proton yang mendukung sintesis ATP tambahan (garis putus-putus pada Gambar 13.14).



Fotosintesis Anoksigenik dalam Fototoks Oksigen Sistem Fotosintesis I dan II biasanya berfungsi bersama-sama dalam fotosintesis oksigenik.Namun, jika aktivitas PSII diblokir, beberapa fototrof oksigen dapat melakukan fotosintesis hanya menggunakan PSI.Dalam kondisi ini, fotofosforilasi siklik tetapi tidak non-siklik terjadi (Gambar 13.14), dan mengurangi daya untuk pengurangan CO2 berasal dari sumber selain air.Singkatnya, ini adalah fotosintesis anoksigenik yang terjadi pada fototrof oksigen. Banyak cyanobacteria dapat menggunakan H2S sebagai donor elektron dalam kondisi ini dan banyak ganggang hijau dapat menggunakan H2. Ketika H2S digunakan, ia dioksidasi menjadi sulfur unsur (S0), dan butiran sulfur mirip dengan yang diproduksi oleh bakteri sulfur hijau (Gambar 13.1) disimpan di luar sel sianobakteri. Gambar 13.15 menunjukkan ini dalam filamen cyanobacterium Oscillatoria limnetica. Organisme ini hidup di kolam garam anoksik di mana ia mengoksidasi sulfida dan melakukan fotosintesis anoksigenik bersama dengan bakteri hijau dan ungu. Dari sudut pandang evolusi, proses fotofosforilasi siklik dalam fototrof oksigenik dan anoksigenik adalah salah satu dari banyak indikasi hubungan dekat mereka. Bukti lebih lanjut dari hubungan evolusi antara fototrof dapat ditemukan pada kenyataan bahwa struktur pusat



reaksi fotosintesis bakteri dan ungu nonsulfur hijau menyerupai PSII, sedangkan struktur pusat reaksi bakteri sulfur hijau dan heliobacteria menyerupai PSI. Karena bukti kuat bahwa bakteri ungu dan hijau mendahului cyanobacteria di Bumi sekitar 0,5 miliar tahun (Bagian 12.2), jelas bahwa fotosintesis anoksigenik adalah bentuk fotosintesis pertama di Bumi. Penemuan kunci evolusi cyanobacteria adalah untuk menghubungkan dua bentuk pusat reaksi (seperti PSI dan PSII) dan mengembangkan kemampuan untuk menggunakan H2O sebagai donor elektron fotosintesis. 13.5 Persiapan Autotrophic SEBUAH utotrophysayas proses dimana bentuk energi miskin dan sangat teroksidasi karbonCO2 berkurang dan berasimilasi ke dalam bahan sel. Banyak mikroorganisme yang autotrophic, termasuk hampir semua phototrophs dan chemolithotrophs. Kita fokus di autotrophy di phototrophs, di mana keragaman metabolisme terbesar adalah pada layar. Siklus Calvin Several jalur autotrophic diketahui, tetapi siklus Calvin adalah yang paling luas di alam.Siklus Calvin hadir dalam bakteri ungu, cyanobacteria, ganggang, tanaman hijau, Bakteri yang paling chemolithotrophic, dan beberapa Archaea. siklus membutuhkan CO2, CO2-akseptor molekul, NAD (P) H, ATP, dan dua enzim kunci, ribulosa bifosfat karboksilase dan phosphoribulokinase. Siklus



dikatalisis



oleh



enzim



ribulosa



bifosfat



karboksilase,



singkatnya



RubisCO.RubisCO mengkatalisasi pembentukan dua molekul asam 3-fosfogliserat (PGA) dari ribulosa bifosfat dan CO2 seperti yang ditunjukkan pada Gambar 13.16.PGA kemudian difosforilasi dan direduksi menjadi perantara utama glikolisis, gliseraldehida 3-fosfat.Dari ini, glukosa dapat dibentuk oleh pembalikan langkah-langkah awal dalam glikolisis (Gambar 3.14). Alih-alih berfokus pada penggabungan molekul tunggal CO2, lebih mudah untuk mempertimbangkan reaksi siklus Calvin berdasarkan penggabungan 6 molekul CO2, karena inilah yang diperlukan untuk membuat satu heksosa (C6H12O6).



Agar RubisCO



menggabungkan 6 molekul CO2, 6 molekul ribulose bisphosphate (total,30 karbon) diperlukan; karboksilasi dari ini menghasilkan 12 molekul PGA (total, 36 atom karbon) (Gambar 13.17). Ini kemudian membentuk kerangka karbon untuk sintesis akhirnya dari 6 molekul ribulosa bifosfat (total, 30 karbon) ditambah satu heksosa (6 karbon) untuk biosintesis sel.Serangkaian penataan ulang biokimia antara berbagai gula mengikuti, menghasilkan 6 molekul ribulosa 5-fosfat (30



karbon).Langkah terakhir dalam siklus Calvin adalah fosforilasi masing-masing oleh enzim phosphoribulokinase (Gambar 13.16b dan 13.17) untuk meregenerasi 6 molekul dari molekul akseptor, ribulose bisphosphate.Semua berjumlah, 12 NADPH dan 18 ATP diperlukan untuk mensintesis satu glukosa dari 6 CO2 oleh siklus Calvin. Carboxysomes Beberapa autotrof siklus Calvin menghasilkan inklusi sel polihedral yang disebut karboksisom. Inklusi ini, berdiameter sekitar 100 nm, dikelilingi oleh membran protein tipis dan terdiri dari susunan kristal RubisCO (Gambar 13.18), dengan sekitar 250 molekul RubisCO hadir per karboksisme. Karboksisom adalah mekanisme untuk memekatkan CO2 dalam sel dan membuatnya mudah tersedia untuk RubisCO.Karbon anorganik yang dimasukkan ke dalam sel sebagai bikarbonat (HCO3) memasuki karboksisom sebagai CO2 melalui aktivitas enzim karboksisom kedua, karbonat anhidrase.CO2 (bukan HCO3−) adalah substrat aktual untuk RubisCO, dan begitu berada di dalam karboksisme, CO2 terperangkap dan siap untuk dimasukkan dalam langkah pertama siklus Calvin.Carboxysome juga berfungsi untuk membatasi akses RubisCO ke O2, substrat alternatif untuk enzim ini, dan ini memastikan bahwa RubisCO karboksilat daripada oksigenat ribulosa bifosfat (Gambar 13.16a).



Jika ribulosa 1,5-bifosfat dioksigenasi, lebih



banyak energi dan daya pereduksi yang diperlukan untuk memasukkannya ke jalur metabolisme sentral daripada jika itu karboksilasi Autotropi pada Bakteri Hijau Meskipun mereka autotrof, siklus Calvin tidak beroperasi pada bakteri sulfur hijau dan nonsulfur hijau. Alih-alih, dua jalur autotrofik baru hadir, satu di setiap kelompok. Bakteri sulfur hijau seperti Chlorobium (Gambar 13.1) memperbaiki CO2 dengan membalikkan langkahlangkah dalam siklus asam sitrat, jalur yang disebut siklus asam sitrat terbalik (Gambar 13.19a). Jalur ini membutuhkan aktivitas dua enzim terkait ferredoksin yang mengkatalisasi fiksasi reduktif CO2; ferredoxin diproduksi dalam reaksi cahaya bakteri sulfur hijau (Gambar 13.13). Ferredoksin adalah donor elektron dengan E0 very yang sangat elektronegatif, sekitar −0,4 V. Dua reaksi terkait ferredoksin mengkatalisasi (1) karboksilasi suksinil-KoA menjadi α-



ketoglutarat, dan (2) karbilasi asetil-KoA ke piruvat (Gambar 13.19a). Sebagian besar reaksi yang tersisa dari siklus asam sitrat terbalik dikatalisis oleh enzim yang bekerja secara terbalik dari arah oksidatif normal siklus.Satu pengecualian adalah sitrat lyase, enzim yang bergantung pada ATP yang memecah sitrat menjadi asetil-KoA dan oksaloasetat (Gambar 13.19a).Dalam arah oksidatif siklus, sitrat diproduksi oleh enzim sitrat sintase (Gambar 3.22). Siklus asam sitrat terbalik beroperasi di autotrof nonfototrofik tertentu juga. Sebagai contoh, Thermoproteus dan Sulfolobus hipertermofilik (Archaea; Bagian 16.10) dan Aquifex (Bakteri; Bagian 15.19) menggunakan siklus asam sitrat terbalik, seperti halnya bakteri chemolithotrophic sulfur tertentu, seperti Thiomicrospira. Dengan demikian, jalur ini, awalnya ditemukan pada bakteri sulfur hijau dan dianggap unik untuk fototrof ini, kemungkinan didistribusikan di antara beberapa kelompok prokariota autotrofik. Autotropi dalam Chloroflexus Phototroph hijau Chloroflexus nonsulfur (Bagian 14.7) tumbuh secara autotrof dengan H2 atau H2S sebagai donor elektron.Namun, baik siklus Calvin maupun siklus asam sitrat terbalik tidak beroperasi dalam organisme ini.Sebaliknya, dua molekul CO2 direduksi menjadi glioksilat oleh jalur hidroksipropionat.Jalur ini dinamai demikian karena hidroksipropionat, senyawa tigakarbon, adalah perantara utama (Gambar 13.19b). Pada bakteri fototrofik, jalur hidroksipropionat ditemukan di Chloroflexus, yang dianggap sebagai salah satu fototrof paling awal di Bumi.Ini menunjukkan bahwa jalur hidroksipropionat mungkin merupakan salah satu mekanisme paling awal, jika bukan yang paling awal, untuk autotropi dalam fototrof anoksi.



Selain Chloroflexus, jalur hidroksipropionat beroperasi di



beberapa Archaea hipertermofilik, termasuk Metallosphaera, Acidianus, dan Sulfolobus. Ini semua adalah chemolithotroph yang berada di dekat dasar pohon filogenetik Archaea (Bab 16).Akar evolusi dari jalur hidroksipropionat mungkin sangat dalam, dan mungkin jalur ini adalah upaya alami pertama kali dalam autotropi.



Kemolitotropi



Kami sekarang mengalihkan perhatian kami dari fototrof ke chemolithotroph, menyoroti strategi, masalah, dan keuntungan gaya hidup yang bergantung pada bahan kimia anorganik sebagai sumber energi. Dari sudut pandang evolusi, chemolithotrophy mungkin merupakan bentuk pertama konservasi energi yang berevolusi di Bumi, karena tersebar luas di antara garis silsilah yang terletak di dekat pangkal pohon filogenetik dari Bakteri dan Archaea (Gambar 1.6b, 12.13, dan 16.1) . 13.6 Senyawa Anorganik sebagai Donatur Elektron Organisme yang menghemat energi dari oksidasi senyawa anorganik disebut chemolithotrophs.Sebagian besar bakteri chemolithotrophic juga autotroph.Seperti yang telah kita catat dengan fototrof, untuk pertumbuhan pada CO2 sebagai satu-satunya sumber karbon yang dibutuhkan organisme (1) ATP dan (2) pengurangan daya.Beberapa chemolithotroph tumbuh sebagai mixotroph, yang berarti bahwa walaupun mereka dapat menghemat energi dari oksidasi senyawa anorganik, mereka memerlukan senyawa organik sebagai sumber karbonnya (yaitu, mereka bukan autotrof). Donor Anorganik dan Generasi ATP Chemolithotroph dapat memanfaatkan sumber alami dari donor elektron anorganik, termasuk geologi, biologi, dan antropogenik (hasil dari aktivitas manusia). Aktivitas vulkanik adalah sumber utama senyawa sulfur tereduksi, terutama H2S dan S0.



Operasi pertanian dan



pertambangan menambah donor elektron anorganik ke lingkungan, terutama nitrogen dan senyawa besi yang berkurang, seperti halnya pembakaran bahan bakar fosil dan input limbah industri.



Sumber biologis juga cukup luas, terutama dalam kasus H2S, H2, Fe2 +, dan



NH3.Keberhasilan ekologis dan keanekaragaman metabolisme chemolithotrophs merupakan indikasi yang baik bahwa sumber donor elektron anorganik yang beragam dan berlimpah tersedia di alam.Namun, hasil energi dari oksidasi donor ini sangat bervariasi (Tabel 13.1). Secara umum, pembentukan ATP dalam chemolithotrophs serupa dengan yang ada pada respirant chemoorganotrophs kecuali bahwa donor elektron bersifat anorganik daripada organik. Sama seperti untuk elektron dari oksidasi senyawa organik, elektron dari donor anorganik memberi makan ke dalam rantai transpor elektron dan menghasilkan gaya motif proton. Kemudian, sintesis ATP terjadi dari aktivitas ATPases (Bagian 3.11). Daya reduksi dalam



chemolithotrophs diperoleh dengan salah satu dari dua cara: langsung dari senyawa anorganik (jika memiliki potensi reduksi negatif yang cukup, seperti H2), atau dari reaksi transpor elektron balik (seperti yang dibahas dalam Bagian 13.3 untuk bakteri ungu fototrofik), elektron anorganik lebih elektropositif



dari NADH.



jika donor



Seperti yang akan kita lihat, dengan



sebagian besar chemolithotroph, transpor elektron balik diperlukan karena donor elektron mereka sangat lemah secara elektrokimia. Energetika Chemolithotrophy Tinjauan potensi reduksi yang tercantum dalam Tabel 13.1 mengungkapkan bahwa oksidasi sejumlah donor elektron anorganik dapat menyediakan energi yang cukup untuk sintesis ATP. Ingat dari Bab 3 bahwa semakin jauh dua reaksi setengah terjadi dalam hal E0 ′ pasangan redoks mereka, semakin besar jumlah energi yang dilepaskan (Gambar 3.9). Misalnya, perbedaan dalam potensi reduksi antara pasangan 2 H + / H2 dan pasangan 2O2> H2O adalah 1,23 V, yang setara dengan hasil energi bebas −237 kJ / mol (Lampiran 1 menunjukkan bagaimana nilai energi bebas dihitung). Di sisi lain, perbedaan potensial antara pasangan 2 H + / H2 dan pasangan NO3− / NO2− lebih kecil, 0,84 V, setara dengan hasil energi bebas −163 kJ / mol. Ini masih cukup untuk produksi ATP (ikatan fosfat kaya-energi ATP memiliki energi bebas −31,8 kJ / mol). Dengan demikian, berbagai donor elektron anorganik dan elektron terminal



Hydrogen(h2) oksidasi. Hidrogen (H2) adalah produk umum dari metabolisme mikroba,terutama dari beberapa fermentasi dan jumlah chemolithotroph aerob dapat menggunakan H sebagai electron donor energy metabolisme. Ini adalah klasik "hydrogen bakteri. "Selain itu, banyak anaerob H Bakteripengoksidasi dan Archea diketahui, yang berbeda dalam akseptor electron mereka menggunakan (misalnya, nitrat, sulfat, besi besi, CO2 ); ini organisme dibahas dalam Unit IV bab ini.



energik dari oksidasi h2 Sintesis ATP selama H22, membentuk air.oksidasi oleh O adalah hasil dari electron mengangkut reaksi bahwa menghasilkan sebuah proton kekuatan motif. sangat eksergonik dan dapat digabungkan dengan sintesis ATP. Direaksi ini, yang dikatalisis oleh enzim hidrogenase, the elektron dari H pada awalnya ditransfer ke akseptor kuinon. Dari situlah elektron menempuh serangkaian sitokrom yang menghasilkan kekuatan motif proton dan akhirnya mengurangi O2  ke air. Beberapa bakteri hidrogen mensintesis dua hidrogenase yang berbeda,satu sitoplasma dan satu terintegrasi membran. Yang terakhir Enzim berpartisipasi dalam energetika, sedangkan hidrogenase larut telah berbeda fungsi. Sebagai gantinya mengikat H2  untuk digunakan sebagai donor elektron dalam metabolisme energi, hidrogenase sitoplasma mengikat H2 dan mengkatalisasi pengurangan NAD ke NADH (potensi reduksi H cukup elektronegatif itu reaksi aliran elektron terbalik tidak perlu). Organisme Ralstonia eutropha telah menjadi model untuk mempelajari aerobik H2 oksidasi oleh spesies yang membuat dua hidrogenase, dan kami membahas beberapa sifat organisme ini dalam Bagian 14.16. Jenis yang mensintesis hanya satu hidrogenase hanya membuat membran terintegrasikan enzim, dan itu berfungsi di keduanya Energy konservasi dan autotropi dalam sel.



Autotropi dalam H2  Bakteri Meskipun



sebagian



besar



bakteri



hidrogen



juga



dapat



tumbuh



sebagai



chemoorganotrophs, saat tumbuh chemolithotrophically, mereka dapat memperbaiki siklua calvin. Namun, saat siap



senyawa organik yang dapat digunakan seperti glukosa , sintesis dari siklua calvin



dan



hidrogenase enzim oleh H2  bakteri ditekan Jadi, H22 Bakteri chemolithotrophs fakultatif. Tidak diragukan lagi ini memiliki nilai ekologis. Karenanya, bakteri hidrogen aerob harus memiliki metabolisme cadangan H  oksidasi, dan di alam mereka cenderung bergeser antara chemoorganotrophic dan chemolithotrophic gaya hidup sebagai nutrisi mengizinkan di habitat mereka . Bahkan, banyak aerobic H 222 bakteri tumbuh terbaik secara mikroba dan mungkin paling kompetitif sebagai H bakteri dalam antarmuka oksik-anoksik di mana H  mungkin lebih besar dan pasokan lebih berkelanjutan daripada di habitat sepenuhnya oksik.



Berkurangnya iksidasi senyawa belerang . Banyak senyawa sulfur yang berkurang dapat menjadi donor elektron untuk bakteri sulfur tak berwarna, disebut tak berwarna untuk membedakannya bakteri belerang hijau dan ungu berpigmen. Secara historis, konsep kemolitotropi muncul pada akhir abad ke-19 abad dari studi bakteri belerang oleh ahli mikrobiologi Rusia Sergei Winogradsky(  Bagian 1.9). Ini adalah jurusan konsep baru dalam mikrobiologi pada saat itu, dan sebagai pemahaman kita dari prokariotik perbedaan telah ditingkatkan, Itu telah menjadi bersih bahwa chemolithotrophy adalah utama metabolism gaya hidup dari banyak Bakteri dan Archaea.



Energita oksidasi belerang Senyawa belerang yang paling umum digunakan sebagai donor electron adalah hidrogen sulfida (H2S), unsur sulfur (S0), dan tiosulfat(S2HAI32−); sulfit (SO32−) juga dapat dioksidasi. Dalam kebanyakan kasus, produk oksidasi akhir adalah sulfat (BEGITU42−).Oksidasi sulfida terjadi secara bertahap, dengan oksidasi pertama langkah menghasilkan unsur belerang, S0.Beberapa pengoksidasi sulfide Bakteri, seperti Beggiatoa, menyimpan unsur sulfur ini di dalam sel, di mana belerang ada sebagai potensial cadangan energi (elektron). Ketika pasokan sulfida telah habis, energi tambahan kemudian dapat dilestarikan dari oksidasi sulfur menjadi sulfat. Kapan s0 hadir secara eksternal, organisme harus menempel pada partikel sulfur karena unsur sulfur agak tidak larut . Dengan mengikuti ke partikel, organisme dapat menghilangkan atom belerang untuk oksidasi untuk sulfat.Ini terjadi dengan cara membran atau periplasma protein bahwa melarutkan S0 dengan menguranginya menjadi HS ; yang terakhir kemudian diangkut ke dalam sel dan memasuki chemolithotrophic metabolisme (lihat Gambar 13.22).Salah satu produk dari oksidasi senyawa sulfur tereduksi adalah proton .Alhasil, salah satu hasil belerang chemolithotrophy adalah pengasaman lingkungan.Karena ini, banyak bakteri sulfur telah berevolusi menjadi toleran terhadap asam atau bahkan asidofilik.Acidithiobacillus thiooxidans, misalnya, tumbuh terbaik pada pH antara 2 dan 3.



Biokomia oksidasi belerang



Langkah biokimia dalam oksidasi senyawa sulfur adalah diringkas dalam Gambar 13.22. Setidaknya tiga jalur untuk oksidasi belerang adalah dikenal.Di dua dari itu sistem, itu mulai substrat, pertama kali dioksidasi menjadi sulfit (SO32−); mulai dari sulfida ini melepaskan enam elektron. Sulfit kemudian dioksidasi untuk sulfat plus dua elektron, dan ini bias terjadi di salah satu dari dua cara. Itu paling tersebar luas system mempekerjakan itu enzim sulfit oksidase. Ini enzim mengoksidasi sulfit dan transfer itu electron langsung untuk sitokrom c; ATP adalah dibuat selama selanjutnya electron mengangkut reaksi ditambah untuk pembentukan dari sebuah proton motif memaksa Sebaliknya, beberapa belerang chemolithotrophs mengoksidasi  melalui pembalikan aktivitas enzim adenosin fosfosulfat reduktase, enzim penting untuk metabolisme bakteri pereduksi sulfat.mproduksi oleh sulfur chemolithotrophs, menghasilkan satu energiIkatan fosfat kaya ketika AMP dikonversi menjadi ADP (Gambar13.22a). Ketika tiosulfat adalah donor elektron untuk chemolithotroph belerang (Meja13.2), benar pertama dibagi menjadiS0 dan sebagainya , keduanya yang akhirnya teroksidasi menjadi SO Tabel 13.2 Perbandingan energi oksidasi dari beberapa senyawa sulfur tereduksi yang umum Reaksi chemolithotrophic Elektron Stoichiometry Sulfida menjadi sulfat. sistem biokimia ini didistribusikan di kalangan prokariota itu mengoksidasi sulfida untuk alasan yang sangat berbeda adalah indikasi yang baik gen yang mengkode Sox telah ditransfer antar spesies oleh aliran gen horizontal.



Aspek Lain dari Oksidasi Sulfur Chemolithotrophic Elektron dari oksidasi senyawa sulfur tereduksi akhirnya mencapai itu electron mengangkut rantai sebagai ditampilkan dalam Gambar 13.22b. yang menghasilkan kekuatan motif proton yang membentuk ATP oleh ATPase. Elektron untuk CO autotrofik 2  fiksasi datang



dari terbalik aliran elektron (Bagian 13.3), akhirnya menghasilkan NADH. Autotropi adalah didorong oleh reaksi dari Calvin siklus atau beberapa lain autotrofik jalan (Bagian 13.5). Meskipun itu belerang chemolithotrophs adalah terutama aerobic kelompok, beberapa jenis bias tumbuh secara anaerob menggunakan nitrat sebagai sebuah electron akseptor. Itu belerang bakteri Thiobacillus orang denitrificans adalah sebuah klasik contoh, mengurangi nitrat untuk dinitrogen gas.



Besi(fe2) dan oksidasi Oksidasi aerobik dari besi besi (Fe2+2S jika S) untuk besi (Fe)mendukung pertumbuhan "bakteri besi" chemolithotrophic (Bagian 14.15). Pada pH asam, hanya sejumlah kecil energy tersedia dari reaksi ini (Tabel 13.1), dan untuk alasan ini bakteri besi harus memasangkan oksidasi besi dalam jumlah besar untuk menghasilkan hanya sejumlah kecil bahan sel. Besi itu besi diproduksi secara spontan formulir tidak larut besi hidroksida (Fe3+  + 3 H2O ® Fe (OH)3  + 3 H+) dan endapan besi lainnya dilingkungan akuatik, dan ini menurunkan pH (Gambar 13.23).Reaksi kimia yang tak terhindarkan ini mungkin menjelaskan mengapa banyak orang Bakteri pengoksidasi besi telah berevolusi menjadi sangat acidophilic. Baktteri pengoksidasi besi Bakteri besi paling terkenal, Acidithiobacillus ferrooxidans dan Leptospirillum ferrooxidans, keduanya dapat tumbuh menggunakan autotroph besi besi (Gambar 13.23) sebagai donor elektron pada nilai pH serendah 1; pertumbuhan optimal pada pH 2–3. Bakteri ini biasa ditemukan dalam acidpolluted lingkungan seperti itu sebagai pertambangan batubara limpasan perairan (Angka 13.23a).Ferroplasma, sebuah spesies dari Archaea, adalah sangat asidofilik besi



pengoksidasi dan dapat tumbuh di nilai pH di bawah 0 (Bagian16.3).jadi peluang untuk itu besi bakteri adalah terbatas untuk lokasi dimana Fe 2+  beralih dari kondisi anoksik ke oksik. Sebagai contoh,air tanah anoxic sering mengandung Fe2+, dan saat dirilis, seperti pada mata air yang kaya akan zat besi, ia menjadi terkena O203+. sebelum teroksidasi secara spontan. Gallionella ferruginea, Sphaerotilus natans, dan Leptothrix discophora adalah contoh bakteri yang hidup di sana antarmuka. Mereka biasanya terlihat bercampur dengan karakteristik besi besi deposito mereka bentuk.



Energy dari oksidasi besi. Bioenergi dari oksidasi besi besi oleh Acidithiobacillus ferrooxidans dan oksidator besi acidophilic lainnya cukup banyak bunga karena dari itu sangat elektropositif pengurangan potensi dari Fe 3+ / Fe 2+′ +0.77 V pada pH 2). Rantai pernapasan A. ferrooxidans mengandung sitokrom c dan aa 3 pasangan pada pH asam (E0  jenis dan protein yang mengandung tembaga periplasma disebut rusticyanin (Gambar 13.24). Ada juga zat pengoksidasi besi protein yang terletak di membran luar sel. Karena pengurangan potensi Fe3+/ Fe2+ pasangan begitu tinggi, langkah dalam transportasi elektron ke oksigen (12 ′ = +0.82V) jelas bisa sedikit. Oksidasi besi dimulai di membran luar dimana itu organisme kontak antara larut Fe HAI2/ H2O, E  atau tidak larut besi besi mineral. Fe 2+ dioksidasi menjadi Fe3+2+0, satu electron transisi (Tabel 13.1), oleh sitokrom membran luar c itu′= +0,68 V) adalah akseptor elektron. Ini termodinamika Reaksi yang sedikit tidak menguntungkan dianggap ditarik ke depan oleh mentransfer elektron ke dalam periplasma di mana rusticyanin .



Sifat kekuatan motif proton pada A. ferrooxidans adalah dari bunga. Dalam lingkungan yang sangat asam, gradien proton yang besar sudah ada seberang itu SEBUAH.ferrooxidans membran (itusel periplasma adalah pH 1–2, sedangkan itu sitoplasma adalah pH 5,5–6, Gambar13.24). Meskipun ini situasi mungkin membuat satu pikiran bahwa SEBUAH. Ferrooxidans bias membuat ATP di tidak energik biaya,ini adalah bukan kasus, sebagai itu organisme tidak bias membuat ATP dari ini alam proton motif memaksa dalam ketiadaan dari sebuah electron penyumbang. Ini adalah karena H2 yang memasuki sitoplasma melalui ATPase harus dikonsumsi secara berurutan untuk mempertahankan pH internal dalam batas yang dapat diterima. Konsumsi proton terjadi selama itu pengurangan dari O  dalam transpor electron rantai dan ini reaksi membutuhkan elektron; itu terakhir dating dari itu oksidasi dari Fe 2+  untuk Fe 3+ 2  (Gambar 13.24). Autotropi dalam A. ferrooxidans didukung oleh siklus Calvin (Bagian 13.5), dan karena tingginya potensi electron donor, banyak energi harus dikonsumsi dalam aliran elektron terbalik reaksi untuk mendapatkan kekuatan reduksi (NADH) yang diperlukan untuk drive CO2 Fe  fiksasi. NADH dibentuk oleh reduksi NAD oleh elektron yang diperoleh dari Fe sitokrom bc 2+Fe Balikkan e NAD + 1e-Q3+- mengalir cyt bc 2+  + 3 3 H 2 HAI.



Besi oksidasi dalam kondisi anoksid. Besi ferro dapat dioksidasi dalam kondisi anoksik oleh tertentu chemolithotrophs dan bakteri phototrophic anoxygenic (Gambar13.25). Dalam kasus ini, Fe2+ digunakan sebagai donor elektron di metabolisme energi (kemolitotrof) dan / atau sebagai reduktor untuk BERSAMA  fiksasi (fototrof). Poin penting untuk dipertimbangkan di sini adalah bahwa pada pH netral tempat organisme ini berkembang, E2/Fe2+0 pasangan secara signifikan lebih



elektronegatif daripada pada pH asam (+0.2 V versus +0.77 V, masing-masing).Karenanya, elektron dari Fe′ Dari Fe dapat mengurangi sitokrom c untuk memulai reaksi transpor elektron. Untuk chemolithotrophs, akseptor elektron adalah nitrat (NO), dengan nitrit (NO 2-) atau gas dinitrogen (N) menjadi finalproduk dari respirasi anaerob ini. Untuk Fe2+2- Mengoksidasi ungu dan bakteri hijau, baik Fe yang larut digunakan sebagai donor elektron. Dengan FeS, keduanya Fe2+  atau besi sulfida (FeS).



nitrifikasi dan Anammox Senyawa nitrogen anorganik nitrogen yang dikurangi (NH) dannitrit (TIDAK 2-) dioksidas secara aerobik oleh chemolithotrophic bakteri nitrifikasi dalam proses nitrifikasi (Bagian 14.13). Dalam kondisi anoksik, amonia juga dioksidasi oleh a kelompok bakteri unik dalam proses yang disebut anammox. Bakteri nitrifikasi dan anammox tersebar luas di Indonesia tanah, air, air limbah, dan lautan. Secara aerobik, nitrifikasiBakteri dan Archaea mengoksidasi NH   tetapi hanya untuk nitrit, sementara berbeda kelompok Bakteri , transfer delapan elektron, dengan demikian dilakukan oleh kooperatif kegiatan dua fisiologis kelompok dari organisme.



Bioenergetik dan Enzimologi Amonia dan oksidasi nitrit Bioenergi nitrifikasi didasarkan pada prinsip yang sama yang mengatur reaksi chemolithotrophic lainnya: elektron dari berkurangnya substrat anorganik (dalam hal ini, senyawa nitrogen tereduksi) memasukkan sebuah electron mengangkut rantai,dan electron



mengangkut reaksi mendirikan sebuah proton kekuatan motif bahwa drive ATP perpaduan. Itu electron donor untuk itu nitrifikasi bakteri adalah tidak terlalu kuat.Karena kebutuhan, potensi pengurangan ini memaksa bakteri nitrifikasi untuk menyumbang elektron ke akseptor elektron berpotensi tinggi, dan ini tentu saja membatasi jumlah energi yang dapat dilestarikan. Beberapa enzim kunci berpartisipasi dalam oksidasi berkurang senyawa nitrogen. Pada bakteri pengoksidasi amonia seperti Nitrosomonas, NH  dioksidasi oleh amonia monooxygenase (monooksigenase dibahas dalam Bagian 13.22), menghasilkan hidroksilamin (NH32 OH) dan HO (Gambar 13.26). Kunci kedua enzim, hidroksilamin oksidoreduktase, kemudian mengoksidasi NH2 OH ke TIDAK2-, menghilangkan empat elektron dalam proses.Ammonia monooxygenase



adalah



sebuah



integral



protein



membran,



sedangkan



hidroksilamin



oksidoreduktase adalah periplasma (Angka13.26).Di itu reaksi dilakukan oleh ammonia monooksigenase.diperlukan dua elektron dan proton untuk mengurangi satu atom (Oke H2O. Elektron-elektron ini berasal dari oksidasi hidro ylamine dan dipasok ke ammonia monooxygenase dari hdroxylamine oxidoreductase melalui cytochrome c dan ubiquinone (Gambar 13.26). Jadi, untuk setiap empat elektron dihasilkan dari keracunan NH3  untuk TIDAK2- , hanya dua yang benar-benar mencapai cytochromeaa 3 , terminal oksidase yang berinteraksi dengan O 2  untuk membentuk H2o. Sitokrom dari tipe a dan c hadir dalam rantai transpor elektron pengoksidasi nitrit, dan aktivitas sitokrom a  menghasilkan kekuatan motif proton (Gambar 13.27).Seperti halnya dengan bakteri besi.



Amonia-Oksidasi Archaea



Dari sudut pandang filogenetik, Nitrosomonas dan Nitrobacter adalah Bakteri.Namun, beberapa Archaea juga merupakan pengoksidasi amonia.Untuk contoh, Nitrosopumilus adalah seorang mariner pengoksidasi ammonia.chemolithotroph dari filum archaeal Thaumarchaeota (Bagian 16.6 dan halaman pembukaan bab Bab 6). Gen dalam Nitrosopumilus yang menyandikan amonia monooxygenase serupa untuk orang-orang di Nitrosomonas, dan dengan demikian biokimia ammonia oksidasi cenderung memiliki mekanisme yang sama di kedua domain. Namun, satu perbedaan utama adalah tidak seperti oksidasi ammonia Bakteri, pengoksidasi ammonia Archaea bias mengoksidasi ammonia di itu lenyap tingkat kecil ditemukan dalam Buka lautan Jadi,kuno nitrifier mungkin mendominasi laut nitrifikasi dan mungkin juga bermain penting peran di lainnya habitat bahwa berisi hanya rendah level dari amonia. Di dalam koneksi, itu nitrifikasi archaeon Nitrososphaera mendiami tanah sebagai gantinya dari lautan dan mungkin menjadi Sebuah utama ammonia pengoksidasi di terrestrial habitat.Jadi jauh, nitritoksidasi Archaea adalah tidak diketahui.



Metabolisme Karbon dan Ekologi Bakteri Nitrifikasi Seperti chemolithotroph belerang dan pengoksidasi besi, nitrifikasi aerob Bakteri mempekerjakan itu Calvin siklus untuk BERSAMA  fiksasi. ATP dan mengurangi kebutuhan daya dari tempat siklus Calvin tambahan beban pada pembangkit energy system bahwa sudah telah Sebuahrelatif hasil rendah.mekanisme konservasi energi alternatif, mampu tumbuh chemoorganotrophically pada glukosa dan beberapa substrat organik lainnya. Oleh kontras,jenis dari pengoksidasi ammonia bakteri adalah antara mewajibkan chemolithotrophs atau mixotrophs. Autotropi



di



pengoksidasi



ammonia



Archaea



didukung



oleh



variasi



dari



siklus



hidroksipropionat.Prokariota nitrifikasi memainkan peran ekologis kunci dalam nitrogen siklus, mengkonversi ammonia ke nitrat, sebuah kunci menanam gizi. Nitrifiers adalah juga penting dalam limbah dan air limbah pengobatan, menghapus racun amina dan ammonia dan melepaskan kurang racun nitrogen senyawa(  Bagian 21.6). Nitrifiers memainkan hal serupa berperan dalam kolom air danau, di mana amonia diproduksi di sedimen dari dekomposisi nitrogen organic senyawa dioksidasi menjadi nitrat, nitrogen yang lebih menguntungkan sumber untuk ganggang dan cyanobacteria.



Anammox Meskipun prokariota pengoksidasi amonia baru saja dibahas adalah aerobik yang ketat, NH 3   juga dapat dioksidasi di bawah disions. Proses ini disebut anammox (untuk amonia anoksik oksidasi) dan dikatalisis oleh kelompok yang tidak biasa dari wajib Bakteri anaerob. Organisme anammox utama, Brocadia anammoxidans, adalah cies dari filum Planctomycetes dari Bakteri (   Bagian 15.16).Planctomycetes adalah Bakteri yang tidak biasa karena mereka kekurangan peptidoglikan dan sitoplasma mereka mengandung kompartemen yang tertutup membrane berbagai jenis (Gambar 13.28).Dalam sel B. anammoxidans ini kompartemen adalah anammoxosome, dan itu berada dalam struktur ini bahwa reaksi anammox terjadi (Gambar 13.28c).Sebagai tambahannya. Brocadia, beberapa genus bakteri anammox lainnya diketahui, termasuk Kuenenia, Anammoxoglobus, Jettenia,dan Scalindua, semua yang adalah terkait untuk Brocadia dan juga berisi anammoxosomes. Suka aerobic ammonia pengoksidasi, anammox bakteri adalah juga autotrof, tapi mereka jangan perbaiki BERSAMA2   menggunakan jalur yang digunakan oleh pengoksidasi amonia aerobik.Sebaliknya, bakteri anammox memperbaiki CO 2



melalui jalur asetil-KoA, jalur autotrofik tersebar luas di antara beberapa wajib anaerob autotrofik Bakteri dan Archaea (Bagian 13.19).Anammoxosome adalah struktur unit yang tertutup membrane (Angka 13.28b) dan dalam hal ini menghormati adalah secara teknis sebuah organel di itu eukariotik merasakan dari istilah. Lemak bahwa bentuk itu membran anammoxosome bukan lipid khas Bakteri melainkan terdiri dari lemak asam dibangun beberapa Cyclobutane (C ) cincin terikat pada gliserol oleh ester dan eter obligasi. Lipid ladderane ini, demikian sebutannya, agregat dalam membran untuk membentuk struktur membran padat luar biasa itu mencegah difusi zat dari anammoxosome ke sitoplasma. Membran anammoxosome yang kuat diperlukan untuk melindungi sel dari zat antara yang diproduksi selama anammox reaksi.Ini termasuk, khususnya, senyawa hidrazin (N 2H44), reduktor yang sangat kuat. Dalam reaksi anammox,TIDAK2-  pertama kali direduksi menjadi nitrit oksida (NO) oleh nitrit reduktase,dan kemudian TIDAK bereaksi dengan amonium (NH4+) untuk menghasilkan N  olehaktivitas enzim hidrazin hidrolase (Gambar 13.28c).N2H4  kemudian dioksidasi menjadi N   ditambah elektron oleh enzim hidrazin dehidrogenase. Beberapa elektron dihasilkan di langkah ini memasuki rantai transpor elektron anammoxosome, dan reaksi transpor elektron menghasilkan gaya motif proton; elektron-elektron lain memberi umpan balik ke sistem untuk mendorong anammox sebelumnya reaksi(Angka13.28c). ATP terbentukdari itu proton motif memaksa oleh ATPases dalam anammoxosome selaput.



Ekologi Anammox Di alam sumber NO2-2  untuk reaksi anammox mungkin aerobic pengoksidasi ammonia Bakteri dan Archaea. Ini organisme hidup bersama dengan anammox bakteri di kaya ammonia



habitat seperti itu sebagai penyaluran pecomberan dan lainnya wastewaters. Itu tergantung partikel bahwa bentuk di ini habitat berisi kedua oxic dan anoxic zona di mana ammonia pengoksidasi berbeda fisiologi bias hidup bersama di dekat asosiasi. Dalam campuran laboratorium budaya, tinggi level oksigen menghambat anammox dan nikmat klasik nitrifikasi, dan jadi ini mungkin bahwa di alam, itu pecahan dari ammonia oksidasi dikatalisasi oleh anammox bakteri adalah diatur oleh konsentrasi dari O   di habitatnya. Dari sudut pandang lingkungan, anammox sangat bermanfaat proses dalam pengobatan dari air limbah. Itu anoxic pemindahan dari NH23   dan amina dengan pembentukan N (Angka13.28c) membantu mengurangi input nitrogen tetap dari air limbah pengobatan fasilitas ke Sungai dan mengalir, dengan demikian memelihara lebih tinggi air kualitas dari akan sebaliknya menjadi bisa jadi.Itu kegiatan laut anammox organisme mungkin Akun untuk itu penting pecahan (> 50%) dari NH   diketahui menghilang dari sedimen laut, suatu proses yang sebelumnya telah tidak dijelaskan. Setidaknya beberapa sedimen danau air tawar kaya ammonia juga dukunganammox, dan dengan demikian itu muncul bahwa anammox bias terjadi di manapun anoxic lingkungan Hidup di mana NH3   dan hidup bersama



Kami sejauh ini mempertimbangkan fototropi dan chemolithotrophy, strategi untuk konservasi energi yang tidak memerlukan senyawa organik sebagai donor elektron. Dalam tiga unit berikutnya kami fokus pada senyawa organik sebagai donor elektron dan banyak cara di



mana chemoorganotroph menghemat energi. Kita mulai dengan fermentasi, bentuk utama konservasi energi anaerob. 13.11 Pertimbangan Energetik dan Redoks Banyak habitat mikroba anoksik (bebas oksigen), dan dalam lingkungan seperti itu, penguraian bahan organik terjadi secara anaerob. Jika sulfat (SO42−), nitrat (NO3−), besi besi (Fe3 + BAB 13 • Keanekaragaman Metabolisme Mikroorganisme 401 UNIT 3 Senyawa organik), dan akseptor elektron lain tidak ada di habitat ini, senyawa organik dikatabolisme dengan fermentasi. Ingat dari Bab 3 bahwa kami menekankan bagaimana keseimbangan redoks dicapai dalam fermentasi dengan membuat substrat berfungsi sebagai donor elektron dan akseptor elektron dan ATP disintesis oleh fosforilasi substratelevel.Kami mengambil dua fitur penting dari fermentasi di sini (Gambar 13.29). Senyawa yang Kaya Energi dan Fosforilasi Tingkat-Substrat Energi dapat dilestarikan dengan fosforilasi tingkat-substrat dari banyak senyawa yang berbeda.Namun, pusat pemahaman fosforilasi tingkat-substrat adalah konsep senyawa yang kaya energi.Ini adalah senyawa organik yang mengandung ikatan fosfat kaya energi atau molekul koenzim A. Ikatan itu "kaya energi" karena hidrolisisnya sangat eksergonik. Tabel 13.3 mencantumkan beberapa senyawa kaya energi yang terbentuk selama metabolisme; hidrolisis sebagian besar menghasilkan energi bebas yang cukup untuk digabungkan dengan sintesis ATP (ΔG 0 ′ = −31,8kJ / mol). Jika suatu organisme dapat membentuk salah satu dari senyawa ini selama metabolisme fermentasi, kemungkinan dapat membuat ATP dengan fosforilasi tingkat-substrat. Keseimbangan Redoks dan Produksi H2 dan Asetat Dalam setiap fermentasi harus ada keseimbangan atom dan redoks. Yaitu, jumlah total setiap jenis atom dan elektron dalam produk



reaksi harus menyeimbangkan yang ada dalam reaktan (substrat). Keseimbangan redoks dicapai dalam fermentasi melalui ekskresi dari sel produk fermentasi, reduksi zat-zat seperti asam atau alkohol yang dihasilkan sebagai produk akhir dari katabolisme zat yang dapat difermentasi asli (Gambar 13.29).Dalam beberapa fermentasi, keseimbangan redoks difasilitasi oleh produksi molekul hidrogen (H). Produksi H 22 dikaitkan dengan aktivitas ferredoxin protein sulfur besi, pembawa elektron yang sangat potensial, dan dikatalisis oleh enzim hidrogenase. H juga dapat diproduksi dari format asam lemak C1 2 (Gambar 13.30).Meskipun H tidak lagi dapat digunakan oleh fermentor dan diekskresikan, H adalah donor elektron yang sangat kuat dan dapat dioksidasi oleh berbagai prokariota pernapasan.Memang, dengan E ′ yang sangat elektronegatif (membuatnya cocok sebagai donor elektron untuk segala bentuk respirasi), H tidak pernah terbuang dalam ekosistem mikroba. Banyak bakteri anaerob menghasilkan asetat atau asam lemak lainnya sebagai produk fermentasi besar atau kecil. Produksi energi ini dilestarikan karena ia menawarkan peluang bagi organism membuat ATP dengan fosforilasi substrat-leveL. Kunci 2 perantara yang dihasilkan adalah turunan koenzim-A dari setiap asam atty, karena ini adalah senyawa yang kaya energi (Tabel 13.3).Sebagai contoh, asetil-KoA dapat dikonversi menjadi asetil fosfat (Gambar 13.30) dan kelompok fosfat selanjutnya ditransfer ke ADP, menghasilkan ATP.Produksi asam lemak umum terjadi dalam fermentasi dan jika asam lemak dimetabolisme melalui zat antara Co-A, potensi untuk sintesis ATP oleh fosforilasi tingkat-substrat adalah suatu kemungkinan. 13.12 Fermentasi Laktat dan Campuran Asam Fermentasi diklasifikasikan oleh substrat yang difermentasi atau produk yang terbentuk.Tabel 13.4 mencantumkan beberapa fermentasi utama yang diklasifikasikan



berdasarkan produk yang terbentuk.Perhatikan beberapa kategori luas, seperti alkohol, asam laktat, asam propionat, asam campuran, asam butirat, dan asetogenik.Fermentasi lainnya diklasifikasikan oleh substrat yang difermentasi daripada produk fermentasi; misalnya, asam amino, purin / pirimidin, atau suksinat / fermentasi oksalat.Beberapa anaerob bahkan memfermentasi senyawa aromatik dan substrat yang tidak biasa lainnya (Tabel 13.5).Jelas, berbagai macam senyawa organik dapat difermentasi, dan dalam beberapa kasus, hanya kelompok anaerob yang sangat terbatas yang dapat melakukan fermentasi. Banyak dari ini adalah spesialis metabolisme, setelah berevolusi kapasitas untuk memfermentasi substrat tidak dikatabolisme oleh bakteri lain. Kita mulai dengan dua fermentasi gula yang sangat umum terjadi dimana asam laktat adalah satu-satunya produk utama. Fermentasi Asam Laktat Bakteri asam laktat adalah bakteri nonsporulasi gram positif yang menghasilkan asam laktat sebagai produk fermentasi utama atau tunggal dari fermentasi gula (Bagian 15.6).Dua pola fermentasi diamati.Satu, yang disebut homofermentatif, menghasilkan produk fermentasi tunggal, asam laktat. Yang lain, yang disebut heterofermentatif, menghasilkan produk selain laktat, terutama etanol plus CO 2. Gambar 13.31 merangkum jalur untuk fermentasi glukosa oleh bakteri asam laktat homofermentatif dan heterofermentatif.Perbedaan yang diamati dapat ditelusuri ke ada atau tidak adanya enzim aldolase, enzim utama glikolisis (Gambar 3.14).Bakteri asam laktat homofermentatif mengandung aldolase dan menghasilkan dua molekul laktat dari glukosa oleh jalur glikolitik (Gambar 13.31a).Heterofermenter kekurangan aldolase dan karenanya tidak dapat memecah fruktosa bifosfat menjadi triosa fosfat.Sebaliknya, mereka



mengoksidasi glukosa 6-fosfat menjadi 6-fosfoglukonat dan kemudian mendekarboksilasi ini menjadi pentosa fosfat.Senyawa yang terakhir kemudian dikonversi menjadi triose fosfat dan asetil fosfat oleh enzim kunci phosphoketolase (Gambar 13.31b).Langkah awal katabolisme oleh bakteri asam laktat heterofermentatif adalah dari jalur pentosa fosfat (Gambar 3.26). Dalam heterofermenter, triose fosfat dikonversi menjadi asam laktat dengan produksi ATP (Gambar 13.31b).Namun untuk mencapainya redoks keseimbangan asetil fosfat yang dihasilkan digunakan sebagai akseptor elektron dan dikurangi oleh NADH (dihasilkan selama produksi pentosa fosfat) menjadi etanol.Ini terjadi tanpa sintesis ATP karena ikatan CoA yang kaya energi hilang selama pembentukan etanol.Karena itu, heterofermenter hanya menghasilkan satu ATP / glukosa daripada dua ATP / glukosa yang diproduksi. oleh



homofermenter.



Selain



itu,



karena



heterofermenter



mendekarboksilat



6-



fosfoglukonat, mereka menghasilkan CO sebagai produk fermentasi; homofermenter tidak menghasilkan CO2. Jadi cara mudah untuk membedakan homofermenter dari heterofermenter adalah dengan mengamati produksi CO2 dalam biakan laboratorium. Entner – Doudoroff Pathway Varian dari jalur glikolitik, yang disebut Entner – Doudoroff jalur, didistribusikan secara luas pada bakteri, terutama di antara spesies dari kelompok pseudomonad.Di jalur glukosa ini 6fosfat dioksidasi menjadi asam 6-fosfoglukonat dan NADPH; asam 6-fosfoglukonat didehidrasi dan dipecah menjadi piruvat dan gliseraldehida 3-fosfat (G-3-P), zat antara utama jalur glikolitik.G-3-P kemudian dikatabolisme seperti pada glikolisis, menghasilkan NADH dan dua ATP, dan digunakan sebagai akseptor electron untuk menyeimbangkan reaksi redoks (Gambar 13.31a).



Karena piruvat dibentuk langsung di jalur Entner-Doudoroff dan tidak dapat menghasilkan ATP seperti halnya G-3-P (Gambar 13.31), jalur Entner Doudoroff menghasilkan hanya setengah ATP dari jalur glikolitik.Karenanya, organisme yang menggunakan jalur Entner – Doudoroff berbagi ini karakteristik fisiologis dengan bakteri asam laktat heterofermentatif (Gambar 13.31b). Zymomonas, pseudomonad fermentatif yang diwajibkan, dan Pseudomonas, bakteri pernafasan yang ketat (Bagian 15.4), adalah genera utama yang menggunakan jalur Entner-Doudoroff untuk katabolisme glukosa. Fermentasi Asam Campuran Pada fermentasi asam campuran (Tabel 13.4), karakteristik enteric bakteri (Bagian 15.3), tiga asam berbeda — asetat, laktat, dan suksinat — terbentuk dari fermentasi glukosa atau lainnya gula yang dapat diubah menjadi glukosa.Etanol, CO juga biasanya dibentuk sebagai produk fermentasi.Glikolisis adalah jalur yang digunakan oleh fermentor asam campuran, seperti Escherichia coli, dan kami menguraikan langkah-langkah di jalur tersebut pada Gambar 3.14. Beberapa bakteri enterik menghasilkan produk asam dalam jumlah yang lebih rendah dari E. coli dan menyeimbangkan redoks dalam fermentasi mereka dengan menghasilkan produk netral dalam jumlah yang lebih besar.Salah satu produk netral utama adalah butanediol alkohol empat karbon. Dalam variasi fermentasi asam campuran ini, butanediol, etanol, CO adalah produk utama yang diamati (Gambar 13.32). Dalam fermentasi asam campuran E. coli, jumlah CO2 dan H yang sama dihasilkan, sedangkan dalam fermentasi butanadiol, jauh lebih banyak CO2 daripada H yang dihasilkan. Ini karena fermentor asam campuran hanya menghasilkan CO2 dari asam format melalui enzim formate hydrogenlyase (Gambar 13.32).



Sebaliknya, produsen butanediol, seperti Enterobacter aerogenes, menghasilkan CO2 dan H dari asam format tetapi juga menghasilkan dua molekul tambahan CO2 selama pembentukan masing-masing molekul butanediol (Gambar 13.32). Namun, karena produksi butanediol hanya mengkonsumsi setengah dari NADH yang dihasilkan dalam glikolisis (Gambar 13.32), lebih banyak etanol dihasilkan oleh organisme ini daripada oleh fermentor non-butanediol untuk mencapai keseimbangan redoks. 13.13 Fermentasi Clostridial dan Propionate Spesies dari genus Clostridium adalah anaerob fermentasi wajib (Bagian15.7).Gula fermentasi clostridia yang berbeda, amino asam, purin dan pirimidin, dan beberapa senyawa lainnya.Dalam semua kasus, sintesis ATP terkait dengan fosforilasi tingkat-substrat baik di jalur glikolitik atau dari hidrolisis perantara CoA (Tabel 13.3).Kita mulai dengan fermentasi gula, atau sakarolitik, clostridia. Fermentasi Gula oleh Spesies Clostridium Sejumlah gula fermentasi clostridia, menghasilkan asam butirat sebagai produk fermentasi utama.Beberapa spesies juga menghasilkan produk netral aseton dan butanol; Clostridium acetobutylicum adalah contoh klasik dari pola ini.Langkah-langkah biokimiawi dalam pembentukan asam butirat dan produk netral dari gula ditunjukkan pada Gambar 13.33.Dalam klostridia saccharolytic, glukosa dikonversi menjadi piruvat dan NADH melalui jalur glikolitik, dan piruvat dipecah untuk menghasilkan asetil-KoA, CO 2, dan H2 (melalui ferredoksin) oleh reaksi fosforoklastik (Gambar 13.30).Sebagian besar asetil-KoA kemudian direduksi menjadi butirat atau produk fermentasi lainnya menggunakan NADH yang berasal dari reaksi glikolitik sebagai donor elektron.Produk aktual yang diamati dipengaruhi oleh durasi dan



kondisi fermentasi.Selama tahap awal butyric fermentasi, butirat dan sejumlah kecil asetat dan etanol diproduksi.Tetapi ketika pH medium turun, produksi asam menurun dan aseton dan butanol mulai muncul.Jika pH medium dijaga netral dengan buffering, ada sangat sedikit pembentukan aseton dan butanol; alih-alih, produksi asam butirat berlanjut, dan ini untuk alasan yang bagus. Ketika C. acetobutylicum mensintesis butirat, ATP ekstra diproduksi (Gambar 13.33 dan Tabel 13.3) dan organisme akan terus membuat butirat kecuali kondisi menjadi terlalu asam. Namun, organisme ini peka terhadap asam, dan jika pH turun di bawah sekitar pH 5, gen yang mengkode enzim yang membuat produk netral menjadi tertekan dan fermentasi bergeser ke produksi pelarut. Menariknya, produksi butanol adalah bagian dari konsekuensi dari produksi aseton.Untuk setiap aseton yang dibuat, dua NADH yang dihasilkan selama glikolisis tidak dioksidasi ulang seperti jika butirat diproduksi.Untuk mencapai keseimbangan redoks, sel kemudian menggunakan butyrate sebagai akseptor elektron dengan butanol menjadi produk fermentasi akhir (Gambar 13.33).Butirat yang sebelumnya diekskresikan juga dapat digabungkan kembali



dengan



sel



dan



direduksi



menjadi



butanol



dan



kemudian



diekskresikan



kembali.Meskipun pembentukan produk netral membantu C. acetobutylicum menjaga lingkungannya dari menjadi terlalu asam, ada harga yang energik untuk membayarnya.Dalam memproduksi butanol, sel kehilangan kesempatan untuk mengubah butyryl-CoA menjadi butirat dan mendapatkan ATP (Gambar 13.33 dan Tabel 13.3). Fermentasi Asam Amino oleh Spesies Clostridium dan Reaksi Stickland Beberapa spesies Clostridium memfermentasi asam amino.Ini adalah clostridia proteolitik, organisme yang mendegradasi protein yang dilepaskan dari organisme mati.



Beberapa di antaranya, seperti patogen hewan Clostridium tetani (tetanus), bersifat proteolitik, sedangkan spesies lain bersifat sakarolitik dan proteolitik. Tergantung pada spesies, beberapa clostridia proteolitik memfermentasi asam amino individu, biasanya glutamat, glisin, alanin, sistein, histidin, serin, atau treonin.Biokimia di balik fermentasi ini cukup kompleks, tetapi strategi metaboliknya sederhana.Dalam hampir semua kasus, asam amino dikatabolisme sedemikian rupa sehingga pada akhirnya menghasilkan turunan asam lemak-CoA, biasanya asetil (C2), butyryl (C4), atau caproyl (C).Dari ini, ATP diproduksi oleh fosforilasi tingkat-substrat (Tabel 13.3). Produk khas lain dari fermentasi asam amino termasuk amonia (NH3) dan CO2. Beberapa fermentasi clostridia hanya merupakan pasangan asam amino.Dalam situasi ini satu asam amino berfungsi sebagai donor elektron dan teroksidasi, sedangkan asam amino lainnya adalah akseptor elektron dan berkurang.Fermentasi asam amino yang digabungkan ini disebut reaksi Stickland, dinamai untuk ilmuwan yang menemukannya.Sebagai contoh, Clostridium sporogenes memfermentasi glisin dan alanin, dan dalam reaksi ini, alanin adalah donor elektron dan glisin adalah akseptor elektron (Gambar 13.34).Produk dari reaksi Stickland adalah selalu NH3, CO, dan asam karboksilat dengan satu karbon lebih sedikit daripada asam amino yang dioksidasi (Gambar 13.34). Banyak produk fermentasi asam amino oleh clostridia adalah zat berbau busuk, dan bau yang dihasilkan dari pembusukan terutama merupakan hasil dari aktivitas clostridial.Tambahan untuk asam lemak, senyawa odoriferous lain yang dihasilkan termasuk hidrogen sulfida (H2S), metilmerkaptan (CHSH, yang berasal dari asam amino yang mengandung sulfur), kadaverin (dari lisin), putresin (dari ornithine), dan NH3. Purin dan pirimidin, dilepaskan dari degradasi



asam nukleat, menyebabkan banyak produk fermentasi yang sama dan menghasilkan ATP oleh fosforilasi tingkat-substrat dari hidrolisis turunan asam lemak-CoA (Tabel 13.3) diproduksi di jalur fermentasi masing-masing. Fermentasi Clostridium kluyveri Spesies Clostridium lain juga memfermentasi campuran substrat di mana satu adalah donor dan satu adalah akseptor, seperti pada reaksi Stickland. Namun, organisme ini, C. kluyveri, memfermentasi bukan asam amino melainkan etanol plus asetat.Dalam fermentasi ini, etanol adalah donor elektron dan asetat adalah akseptor elektron.Reaksi keseluruhan ditunjukkan pada Tabel 13.4. Hasil ATP dalam fermentasi caproate / butyrate rendah, 1 ATP / 6 etanol difermentasi. Namun, C. kluyveri memiliki keunggulan selektif atas semua fermentor lain dalam kemampuannya yang tampaknya unik untuk mengoksidasi produk fermentasi yang sangat berkurang dari anaerob lain (etanol) dan memasangkannya ke pengurangan produk fermentasi umum lainnya (asetat), mengurangi yang terakhir menjadi asam lemak rantai panjang, reaksi yang mengonsumsi NADH (lihat Gambar 13.33). ATP tunggal yang diproduksi per 6 etanol teroksidasi berasal dari fosforilasi tingkat-substrat selama konversi turunan asam lemak-CoA yang terbentuk selama fermentasi.Fermentasi C. kluyveri adalah contoh dari fermentasi sekunder, yang dapat dilihat sebagai fermentasi produk fermentasi. Kita melihat contoh lain dari ini selanjutnya.



Fermentasi Asam Propionat



Bakteri gram positif Propionibacterium dan beberapa bakteri terkait menghasilkan asam propionat sebagai produk fermentasi utama baik dari glukosa atau laktat.Laktat, produk fermentasi dari bakteri asam laktat, mungkin merupakan substrat utama untuk bakteri asam propionat di alam, di mana kedua kelompok ini hidup dalam hubungan erat.Propionibacterium adalah agen penting dalam pematangan keju Swiss (Emmentaler), yang mendapatkan rasa pahit dan pedas yang unik dari asam propionat dan asam asetat yang dihasilkan, dan CO yang dihasilkan selama fermentasi membentuk gelembung yang meninggalkan lubang khas (mata) pada keju.Gambar 13.35 menunjukkan reaksi yang mengarah dari laktat ke propionat. Ketika glukosa adalah substrat awal, pertama-tama katabolisasi menjadi piruvat oleh jalur glikolitik. Kemudian piruvat, yang dihasilkan dari glukosa atau dari oksidasi laktat, dikonversi menjadi asetat plus CO atau dikarboksilasi untuk membentuk metilmalonil-KoA; yang terakhir diubah menjadi oksaloasetat dan, akhirnya, propionil-CoA (Gambar 13.35). Propionil-CoA bereaksi dengan suksinat dalam langkah yang dikatalisis oleh enzim CoA transferase, menghasilkan suksinil-KoA dan propionat.Ini menghasilkan peluang yang hilang untuk produksi ATP dari propionil-CoA (Tabel 13.3) tetapi menghindari biaya energi karena harus mengaktifkan succinate dengan ATP untuk membentuk succinylCoA.Suksinil-KoA kemudian diisomerisasi menjadi metilmalonil-KoA dan siklusnya lengkap; propionat terbentuk dan CO2 diregenerasi (Gambar 13.35). NADH teroksidasi dalam langkah-langkah antara oksaloasetat dan suksinat.Reduksi fumarat menjadi suksinat (Gambar 13.35) terkait dengan reaksi transpor elektron dan pembentukan kekuatan motif proton; ini menghasilkan satu ATP dengan fosforilasi oksidatif (Bagian 13.21).Jalur propionat juga mengubah beberapa laktat menjadi asetat plus CO, yang



memungkinkan ATP tambahan dibuat oleh fosforilasi tingkat-substrat (Gambar 13.35).Jadi, dalam fermentasi propionat, terjadi fosforilasi tingkat-substrat dan oksidatif. Propionat juga terbentuk dalam fermentasi suksinat oleh bakteri Propionigenium, tetapi dengan mekanisme yang sama sekali berbeda dari yang dijelaskan di sini untuk Propionibacterium. Propionigenium, menjadi dipertimbangkan selanjutnya, secara filogenetik dan ekologis tidak terkait dengan Propionibacterium, tetapi aspek metabolisme energinya sangat menarik dari sudut pandang keanekaragaman metabolik dan batas energetik untuk kehidupan. 13.14 Fermentasi tanpa Fosforilasi Tingkat Substrat Fermentasi tertentu menghasilkan energi yang tidak cukup untuk mensintesis ATP dengan fosforilasi tingkat-substrat (yaitu, kurang dari −32 kJ, Tabel 13.3), namun masih mendukung pertumbuhan anaerob tanpa penambahan akseptor elektron. Dalam kasus ini, katabolisme senyawa terkait dengan pompa ion yang membentuk gaya gerak proton atau gaya gerak natrium melintasi membran sitoplasma. Contohnya termasuk fermentasi suksinat dengan Propionigenium modestum dan fermentasi oksalat oleh Oxalobacter formigenes.



Propionigenium modestum Propionigenium modestum pertama kali diisolasi dalam kultur pengayaan anoksik yang kekurangan akseptor elektron dan diberi makan suksinat sebagai donor elektron. Propionigenium menghuni sedimen laut dan air tawar dan juga dapat diisolasi dari rongga mulut manusia.Organisme ini adalah batang pendek gram negatif dan, secara filogenetik, adalah spesies



Fusobacteria (Bagian 15.21). Selama studi fisiologi P. modestum, terbukti membutuhkan natrium klorida (NaCl) untuk pertumbuhan dan katabolisasi suksinat dalam kondisi yang sangat anoksik:



Dekarboksilasi ini melepaskan energi bebas yang tidak mencukupi untuk mendukung sintesis ATP oleh fosforilasi tingkat-substrat (Tabel 13.3) tetapi energi bebas yang cukup untuk memompa



ion



natrium



(Na)



dari



sitoplasma



ke



periplasma



melintasi



membran



sitoplasma.Konservasi energi dalam Propionigenium kemudian dikaitkan dengan kekuatan motif natrium yang dihasilkan; ATPase natrium-translokasi (alih-alih proton-translokasi) ada dalam membran organisme ini yang menggunakan kekuatan motif natrium untuk menggerakkan sintesis ATP (Gambar 13.36a). Oxalobacter formigenes Oxalobacter formigenes adalah bakteri yang ada di saluran usus hewan, termasuk manusia.Ini katabolisasi asam oksalat C dikarboksilat, menghasilkan format ditambah CO2.Degradasi oksalat oleh O. formigenes dianggap penting dalam usus manusia untuk mencegah akumulasi oksalat, suatu zat yang dapat membentuk batu ginjal kalsium oksalat. O. formigenes adalah gram negatif yang ketat anaerobe yang melakukan reaksi berikut:



Seperti dalam katabolisme suksinat oleh P. modestum, energi yang tidak cukup tersedia dari reaksi ini untuk mendorong sintesis ATP oleh fosforilasi tingkat-substrat (Tabel 13.3). Namun, reaksi mendukung pertumbuhan organisme karena dekarboksilasi oksalat adalah bentuk eksergonik dan bentuk, yang diekskresikan dari sel. Ini adalah karena konsumsi internal proton



selama oksidasi oksalat dan produksi format, pada dasarnya, adalah pompa proton; molekul divalen (oksalat) memasuki sel sementara molekul univalent (format) diekskresikan. Pertukaran oksalat yang berkelanjutan dengan formate menetapkan motif proton



Gambar 13.36 Fermentasi Unik Succinate dan Oxalate. (a) Fermentasi suksinat oleh Propionigentum modestum. Ekspor natrium terkait dengan energi yang dilepaskan oleh dekarboksilasi suksinat, dan ATPase yang mentranslokasi natrium menghasilkan ATP. (B) Fermentasi oksalat oleh Oxalobacter formigenes. Impor oksalat dan ekspor format oleh antiporter format-oksalat (Gambar 2.21) mengonsumsi proton sitoplasma.Sintesis ATP dikaitkan dengan ATPase yang digerakkan oleh proton.Semua media dan produk ditampilkan dalam huruf tebal.



Apa yang Dapat Dipelajari dari Jenis Fermentasi Dekarboksilasi? Aspek unik dari semua fermentasi "tipe dekarboksilasi" ini adalah ATP dibuat tanpa fosforilasi tingkat-substrat atau fosforilasi oksidatif yang digerakkan oleh reaksi transpor elektron.Alih-alih, sintesis ATP digerakkan oleh pompa ion yang digabungkan dengan sejumlah kecil energi yang dilepaskan dari reaksi dekarboksilasi. Organisme seperti Propionigenium, Malonomonas, atau Oxalobacter dengan demikian menawarkan pelajaran penting dalam bioenergi mikroba: sintesis ATP dari reaksi yang menghasilkan kurang dari −32 kJ masih dimungkinkan jika reaksi digabungkan ke pompa ion. Paling tidak, maka, reaksi penghematan energi harus menghasilkan energi bebas yang cukup untuk memompa setidaknya satu ion.Kebutuhan energi ini diperkirakan mendekati −12 kJ.Reaksi yang melepaskan energi bebas lebih sedikit dari ini seharusnya tidak mampu menggerakkan pompa ion dan karenanya tidak boleh berupa reaksi penghematan energi yang potensial. Namun, seperti yang akan kita lihat di bagian selanjutnya, bakteri diketahui yang mendorong batas teoretis ini lebih rendah dan energetiknya, akibatnya, masih belum sepenuhnya dipahami. Ini adalah syntrophs, bakteri yang hidup di tepi keberadaan yang energik. 13.15 Syntrophy atau cross-feeding (interaksi antara dua populasi atau lebih untuk menyuplai kebutuhan nutrisi satu sama lain) Ada banyak contoh dalam mikrobiologi syntrophy, situasi di mana dua organisme yang berbeda bekerja sama untuk menurunkan zat yang tidak dapat didegradasi sendirian. Sebagian besar reaksi syntrophic adalah fermentasi sekunder di mana organisme memfermentasi produk fermentasi anaerob lainnya. Kita akan melihat di Bab 20 bagaimana syntrophy sering merupakan langkah kunci dalam katabolisme anoksik yang mengarah pada produksi metana (CH4) di alam.



Di sini kami mempertimbangkan aspek mikrobiologi dan energetik dari syntrophy.Tabel 13.6 mencantumkan



beberapa



kelompok



utama



syntrophs



dan



senyawa-senyawa



yang



terdegradasinya.Banyak senyawa organik dapat terdegradasi secara sintaksis, termasuk hidrokarbon aromatik dan alifatik.Tetapi senyawa utama yang menarik dalam lingkungan syntrophic adalah asam lemak dan alkohol. Konsumsi H2 dalam Syntrophy: Hubungan Metabolik Inti dari reaksi-reaksi syntrophic adalah perpindahan H 2 antarspesies — produksi H2 oleh satu pasangan, syntroph, terkait dengan konsumsi H2 oleh yang lain. Konsumen H2 dapat menjadi salah satu dari sejumlah organisme yang berbeda secara fisiologis: bakteri denitrifikasi, bakteri pereduksi besi, bakteri pereduksi sulfat, asetogen, atau metanogen, kelompok yang akan kita bahas dalam unit berikutnya bab ini. Pertimbangkan fermentasi etanol menjadi asetat plus H2 oleh Pelotomaculum syntroph yang digabungkan dengan produksi metana (Gambar 13.37). Seperti dapat dilihat, syntroph melakukan reaksi yang perubahan energi bebas standarnya (ΔG 0′ ) adalah positif. Karenanya, dalam kultur murni, organisme tidak akan tumbuh. Namun, H 2 yang diproduksi oleh Pelotomaculum dapat digunakan sebagai donor elektron oleh methanogen untuk menghasilkan metana, suatu reaksi eksergonik.Ketika dua reaksi dijumlahkan, reaksi keseluruhan adalah eksergonik (Gambar 13.37), dan ketika Pelotomaculum dan methanogen dikultur bersama (cocultured), kedua organisme tumbuh dengan sangat baik.



a)seluruh syntrophs adalah anaerob obligat b)lihat bab 14 dan 15 c)tidak semua spesies dapat digunakan pada semua substrat yang terdaftar Contoh kedua dari syntrophy adalah oksidasi asam lemak seperti butyrate menjadi acetate plus H2 oleh bakteri pengoksidasi asam lemak Syntrophomonas (Gambar 13.38): Butyrate-- + 2 H2O  2 asetat-- + H+ + 2 H2



ΔG0’ = +48.2 kJ



Perubahan energi bebas dari reaksi ini bahkan lebih tidak menguntungkan daripada oksidasi etanol (Gambar 13.37), dan dalam kultur murni Syntrophomonas jelas tidak akan tumbuh pada butirat. Namun, seperti halnya fermentasi etanol oleh Pelotomaculum, jika H 2 yang diproduksi oleh Syntrophomonas dikonsumsi oleh organisme mitra, Syntrophomonas akan tumbuh pada butirat dalam kultivasi dengan mitra konsumsi H2. Bagaimana ini terjadi? Energetika Transfer H2



Dalam hubungan syntrophic, penghapusan H2 oleh organisme mitra menggeser keseimbangan seluruh reaksi dan menariknya ke arah pembentukan produk; ini dapat sangat memengaruhi energi reaksi.Tinjauan prinsip energi gratis yang diberikan dalam Lampiran 1 menunjukkan bahwa konsentrasi reaktan dan produk dalam suatu reaksi dapat memiliki efek besar pada energetika.Ini biasanya tidak berlaku untuk sebagian besar produk fermentasi karena tidak dikonsumsi pada tingkat yang sangat rendah.H 2, sebaliknya, dapat dikonsumsi hingga tingkat yang hampir tidak terdeteksi, dan pada konsentrasi yang sangat kecil ini, energi reaksi dapat dipengaruhi secara dramatis. Mudahnya, ΔG0′ dari suatu reaksi dihitung berdasarkan kondisi standar - satu konsentrasi produk dan reaktan satu molar (Bagian 3.4). Sebaliknya, istilah terkait ΔG dihitung berdasarkan konsentrasi aktual produk dan reaktan yang ada (Lampiran 1 menjelaskan cara menghitung ΔG). Pada tingkat H2 yang sangat rendah, energi oksidasi etanol atau asam lemak menjadi asetat plus H2, reaksi yang bersifat endergonik dalam kondisi standar, menjadi eksergonid.Misalnya, jika konsentrasi H2 dijaga sangat rendah dari konsumsi oleh organisme mitra, ΔG untuk oksidasi butirat oleh Syntrophomonas menghasilkan - 18 kJ (Gambar 13.38 a).Seperti yang kita pelajari di Bagian 13.14, hasil energi yang relatif rendah ini masih dapat mendukung pertumbuhan bakteri. Energetika dalam Syntrophs Konservasi energi dalam syntrophs didasarkan pada tingkat substrat dan fosforilasi oksidatif.Dari studi biokimiawi katabolisme butirat syntrophic, fosforilasi tingkat-substrat telah terbukti terjadi selama konversi asetil-KoA menjadi asetat (Gambar 13.38a) meskipun secara teori 018kJ energi yang dilepaskan (ΔG) secara teori tidak cukup untuk hal ini.Namun, energi yang dilepaskan



cukup untuk menghasilkan sebagian kecil dari ATP, sehingga ada kemungkinan bahwa dalam beberapa hal Syntrophomonas dapat memasangkan dua atau lebih putaran oksidasi butirat ke sintesis satu ATP dengan fosforilasi tingkat-substrat. Selain gaya hidup syntrophic, banyak syntrphs juga dapat melakukan respirasi anaerob (Bagian 13.16) dalam kultur murni dengan disproporsionasi asam lemak tak jenuh (disproporsionasi adalah proses di mana satu molekul substrat dioksidasi sementara yang lain dikurangi). Sebagai contoh, crotonate, zat antara dalam metabolisme butyrate syntrophic (Gambar 13.38a), mendukung pertumbuhan kultur murni Syntrophomonas. Dalam kondisi ini beberapa puring dioksidasi menjadi asetat dan beberapa dikurangi menjadi butirat (Gambar 13.38b). Karena reduksi puring oleh Syntrophomonas digabungkan dengan pembentukan gaya motif proton, seperti yang terjadi pada respirasi anaerob lain yang menggunakan akseptor elektron organik (seperti reduksi fumarat untuk suksinat, Bagian 13.21), ada kemungkinan beberapa langkah dalam syntrophic metabolisme menghasilkan kekuatan motif proton juga. Memompa proton atau ion lain hampir pasti diperlukan untuk sintaksis benzoat dan fermentasi propionat, yang menghasilkan energi bebas (ΔG) semakin rendah, hanya sekitar -5 kJ per reaksi.



Gambar 13.37 Syntrophy: Transfer H2 antarspesies. Yang ditunjukkan adalah fermentasi etanol menjadi metana dan asetat oleh asosiasi sintaksis dari sintaksis pengoksidasi etanol dan mitra pemakai H2 (dalam hal ini, sebuah methanogen). (a) Reaksi yang terlibat. Kedua organisme berbagi energi yang dilepaskan dalam reaksi berpasangan. (B) Sifat transfer syntrophic H2.



Gambar 13.38 Energetika Pertumbuhan Syntrophomonas dalam Budaya Syntrophic dan Dalam Budaya Murni. (a) Dalam kultur syntrophic, pertumbuhan membutuhkan organisme yang mengonsumsi H2, seperti methanogen. Produksi H2 didorong oleh aliran elektron terbalik karena nilai E0 'dari pasangan FADH dan NADH lebih elektropositif daripada 2H + / H2. (B) Dalam kultur murni, konservasi energi terkait dengan respirasi anaerob dengan reduksi crotonate menjadi butirat. Inset: photomicrograph sel dari bakteri syntrophic yang merendahkan asam lemak (merah) dalam hubungannya dengan methanogen (hijau-kuning). Terlepas dari bagaimana ATP dibuat selama pertumbuhan syntrophic, suatu masalah energik tambahan berdens syntrophs. Selama metabolisme syntrophic, syntrophs menghasilkan H2 (E0 '-0.42 V) dari donor elektron yang lebih elektropositif seperti FADH (E 0' -0.22 V) dan NADH (E0 '-0.32 V), dihasilkan selama reaksi oksidasi asam lemak (Gambar 13.38a) ; tidak mungkin hal ini terjadi tanpa input energi. Dengan demikian, beberapa fraksi ATP yang sedikit dihasilkan oleh Syntrophomonas selama pertumbuhan suntrofik mungkin dikonsumsi untuk mendorong reaksi aliran elektron terbalik (Bagian 13.3) untuk menghasilkan H 2.Menggabungkan aliran energi ini dengan hasil energik yang rendah dari reaksi syntrophic, seharusnya jelas bahwa bakteri syntrophic berkembang pada ekonomi energi yang sangat marjinal.



Ekologi Syntrophs Secara ekologis, bakteri syntrophic adalah penghubung utama dalam langkah anoksik dari siklus karbon (Bagian 20.2).Syntrophs mengkonsumsi produk fermentasi yang sangat berkurang dan melepaskan produk utama, H2, untuk respirasi anaerob. Tanpa syntrophs, leher botol akan berkembang di lingkungan anoksik di mana akseptor elektron (selain CO2) membatasi. Sebaliknya, ketika kondisinya oksik atau akseptor elektron alternatif berlimpah, hubungan sintaksis tidak diperlukan.Misalnya, jika O2 atau NO3- tersedia sebagai akseptor elektron, energi respirasi asam lemak atau alkohol sangat menguntungkan sehingga hubungan sintaksis tidak diperlukan. Dengan demikian, berjemur adalah karakteristik katabolisme anoksik di mana terutama metanogenesis atau asetogenesis adalah proses terminal dalam ekosistem. Metanogenesis adalah proses utama dalam biodegradasi air limbah anoksik, dan studi mikrobiologis butiran lumpur yang terbentuk dalam sistem tersebut telah menunjukkan hubungan fisik yang erat yang berkembang antara produsen H2 dan konsumen H2 di habitat tersebut (Gambar 13.38a inset). IV. Respirasi Anaerob Kami memeriksa proses respirasi aerobik pada Bab 3. Seperti yang telah kami catat di sana, O 2 berfungsi sebagai akseptor elektron terminal, yang menerima elektron yang telah melintasi rantai transpor elektron. Namun, kami juga mencatat bahwa akseptor elektron lain dapat digunakan sebagai pengganti O2, dalam hal ini prosesnya disebut respirasi anaerob. Di sini kami mempertimbangkan reaksi-reaksi ini secara lebih rinci. 13.16 Prinsip-prinsip Pernafasan Anaerob



Bakteri yang melakukan respirasi anaerob memiliki rantai transpor elektron yang mengandung protein transpor elektron khas yang telah kita lihat dalam respirasi aerob, fotosintesis, dan chemolithotrophy - chytochromes, quinone, protein besi-sulfur, dan sejenisnya.Pada beberapa organisme, seperti bakteri denitrifikasi, respirasi anaerob bersaing dengan respirasi aerob. Dalam kasus seperti itu, jika O2 ada, organisme akan secara istimewa bernafas aerobik. Banyak organisme lain yang menghemat energi melalui respirasi anaerob adalah anaerob yang wajib, yang tidak dapat bernafas O2 dan bahkan dapat dibunuh olehnya.



Akseptor Elektron Alternatif dan Menara Redox Energi yang dilepaskan dari oksidasi donor elektron menggunakan O2 sebagai akseptor elektron lebih besar daripada jika senyawa yang sama dioksidasi dengan akseptor elektron alternatif (Gambar 3.9). Perbedaan energi ini jelas terlihat dari potensi reduksi masing-masing akseptor (Gambar 13.39). Karena pasangan O2 / H2O paling elektropositif, lebih banyak energi tersedia ketika O2 digunakan sebagai akseptor elektron terminal daripada ketika akseptor lain digunakan. Inilah sebabnya mengapa respirasi aerobik adalah proses yang dominan dan terjadi dengan mengesampingkan respirasi anaerob dalam suatu organisme di mana kedua proses tersebut dimungkinkan. Akseptor elektron lain yang cukup dekat dengan pasangan O2 / H2O adalah ion mangan (Mn4+), besi besi (Fe3+), nitrat (NO3-), dan nitrit (NO2-). Contoh akseptor yang lebih elektronegatif adalah sulfat (SO42-), unsur sulfur (S0), dan karbon dioksida (CO2); organisme yang menggunakan akseptor ini biasanya bukan aerob fakultatif dan dengan demikian terkunci ke dalam gaya hidup anaerob. Ringkasan jenis respirasi anaerob yang paling umum diberikan pada Gambar 13.39.



Pengurangan Asimilatif dan Dissimilatif Senyawa anorganik seperti NO3-, SO42-, dan CO2 direduksi oleh banyak organisme sebagai sumber nitrogen seluler, belerang, dan karbon.Produk akhir dari pengurangan tersebut adalah gugus amino (--NH2) dari asam amino dan zat nitrogen lainnya, gugus sulfhidril (--SH) dari beberapa senyawa yang mengandung belerang dalam sel, dan karbon organik ditemukan di



semua konstituen sel masing-masing. Ketika NO3-, SO42-, atau CO2 dikurangi untuk tujuan ini, dikatakan berasimilasi, dan proses reduksi disebut reduksi asimilatif. Metabolisme asimilatif secara konseptual dan fisiologis sangat berbeda dari pengurangan NO 3-, SO42-, dan CO2 selama konservasi energi dalam metabolisme anaerob.Untuk membedakan kedua jenis reduksi ini, penggunaan senyawa ini sebagai akseptor elektron untuk keperluan energi disebut reduksi disimilatif. Metabolisme asimilatif dan disimilatif sangat berbeda.Dalam metabolisme asimilatif, hanya cukup senyawa (NO3-, SO42-, atau CO2) dikurangi untuk memenuhi kebutuhan biosintesis, dan produk akhirnya dikonversi menjadi bahan sel dalam bentuk makromolekul dan biomolekul lainnya.Sebaliknya, dalam metabolisme disimilatif, sejumlah besar akseptor elektron berkurang, dan produk tereduksi tetap menjadi molekul kecil (N2, H2S, atau CH4, misalnya) dan diekskresikan dari sel. Sebagian besar organisme melakukan bermacam-macam metabolisme asimilatif, sedangkan kelompok yang lebih terbatas mengkatalisasi metabolisme disimilatif.Adapun donor elektron, hampir semua senyawa organik yang dapat terdegradasi secara aerobik juga dapat terdegradasi dalam kondisi anoksik oleh satu atau lebih bentuk respirasi anaerob.Selain itu, beberapa zat anorganik juga dapat menjadi donor elektron selama E0 'dari pasangan redoks mereka lebih elektronegatif daripada pasangan akseptor dalam respirasi anaerob (Gambar 13.39). 13.17 Pengurangan Nitrat dan Denitrifikasi Senyawa nitrogen anorganik adalah beberapa akseptor elektron yang paling umum dalam respirasi anaerob.Tabel 13.7 merangkum bentuk nitrogen anorganik yang relevan dengan bilangan oksidasi mereka. Salah satu akseptor elektron alternatif yang paling umum untuk tujuan



disimilatif adalah nitrat (NO3-), yang dapat direduksi dengan dua elektron menjadi nitrit (NO 2-), atau direduksi lebih lanjut menjadi oksida nitrat (NO), nitro oksida (N 2O), dan dinitrogen (N2). Karena NO, N2O, dan N2 semuanya adalah gas, mereka dapat hilang dari lingkungan, dan produksi biologis mereka disebut denitrifikasi (Gambar 13.40). Untuk tujuan pertanian denitrifikasi adalah proses yang merugikan, karena menghilangkan nitrat - sering ditambahkan dalam pupuk - dari tanah. Namun, untuk proses seperti pengolahan limbah, denitrifikasi bermanfaat karena menghilangkan nitrogen tetap, pemicu utama pertumbuhan alga di sungai atau danau, dari limbah cair (Bagian 19.8, 21.6, dan 21.7).



Gambar 13.40 Langkah-langkah dalam reduksi nitrat disimilatif.Beberapa organisme hanya dapat melakukan langkah pertama.Semua enzim yang terlibat dihentikan oleh kondisi anoksik.Juga, beberapa prokariota diketahui dapat mengurangi NO3- menjadi NH4 + dalam metabolisme disimilatif.Perhatikan bahwa warna yang digunakan di sini cocok dengan yang digunakan pada Gambar 13.41.



Gambar 13.41 Respirasi dan respirasi anaerob berbasis nitrat. Proses transpor elektron dalam membran E.coli ketika (a) O2 atau (b) NO3- digunakan sebagai akseptor elektron dan NADH adalah donor elektron. Fp, flavoprotein; Q, ubiquinone.Di bawah kondisi oksigen tinggi, urutan pembawa adalah cytb556 -> cyt 0 -> O2. Namun, dalam kondisi oksigen rendah (tidak



ditampilkan), urutannya adalah cyt b568 -> cyt d -> O2. Perhatikan bagaimana lebih banyak proton yang ditranslokasi per dua elektron teroksidasi secara aerobik selama reaksi transpor elektron daripada secara anaerob dengan NO3- sebagai akseptor elektron, karena terminal oksidase aerob (cyt 0) memompa dua proton. (C) Skema untuk transportasi elektron dalam membran stutzeri Pseudomonal selama denitrifikasi. Reduktase nitrat dan nitrat oksida adalah protein membran integral, sedangkan nitrat dan reduktase oksida nitrat adalah enzim periplasmik.



Mikroorganisme Denitrifikasi Bakteri yang paling denitrifikasi adalah Proteobacteria filogenetik dan aerob fakultatif secara fisiologis.Respirasi aerobik terjadi ketika O2 hadir, bahkan jika NO3- juga ada dalam medium. Banyak bakteri denitrifikasi juga mengurangi akseptor elektron lainnya secara anaerob, seperti Fe3



+



dan akseptor elektron organik tertentu (Bagian 13.21), dan beberapa denitrifiers bahkan



dapat berfermentasi. Dengan demikian, bakteri denitrifikasi secara metabolik beragam dalam hal mekanisme penghasil energi alternatif.Beberapa spesies Archaea dapat tumbuh secara anaerob dengan reduksi nitrat menjadi nitrit, dan beberapa juga dapat denitrifi.Menariknya, setidaknya satu eukariota juga telah terbukti sebagai denitrifier.Protista Globobulimina pseudospinescens, amuba yang dikupas (bagian foraminiferan, Bagian 17.7), dapat melemahkan dan kemungkinan menggunakan bentuk metabolisme ini di habitatnya, sedimen laut anoksik. Biokimia Pengurangan Nitrat Dissimilatif Jalur transportasi elctron dari respirasi aerobik, respirasi nitrat, dan denitrifikasi dibandingkan pada Gambar 13.41.Enzim yang mengkatalisis langkah pertama reduksi nitrat disimilatif adalah



nitrat reduktase, enzim yang terintegrasi membran yang mengandung molibdenum yang sintesisnya ditekan oleh O2.Semua enzim jalur selanjutnya diatur secara terkoordinasi dan dengan demikian juga ditekan oleh O2.Tetapi, selain kondisi anoksik, nitrat juga harus ada sebelum enzim ini diekspresikan sepenuhnya. Produk pertama reduksi nitrat adalah NO2-, dan enzim nitrit reduktase mengurangi ini menjadi NO (Gambar 13.41c). Beberapa organisme dapat mereduksi NO 2- menjadi amonia (NH3) dalam proses disimilatif, tetapi produksi produk-produk gas -dengan desrifikasi- adalah yang paling penting secara global. Ini karena beberapa produk dari denitrifikasi, khususnya N2O dan NO, memiliki keunggulan lingkungan.N2O dapat dikonversi menjadi NO oleh sinar matahari, dan NO bereaksi dengan dan mengkonsumsi ozon (O3) di atmosfer atas untuk membentuk NO2-.Saat hujan, NO2- kembali ke Bumi sebagai asam nitrat (HNO 2) dalam hujan asam. Biokimia reduksi nitrat disimilatif telah dipelajari secara terperinci dalam E. coli, di mana NO3 direduksi hanya menjadi NO2-, dan Paracoccus denitrificans dan Pseudomonas stutzeri, di mana terjadi denitrifikasi. E.coli nitrat reduktase menerima elektron dari sitokrom tipe-b, dan perbandingan rantai transpor elektron dalam sel aerob versus nitrat respirator E.coli ditunjukkan pada Gambar 13.41a, b. Karena potensi reduksi pasangan NO 3- / NO2- (+0,43 V), lebih sedikit proton yang dipompa selama reduksi nitrat daripada respirasi aerobik (O2 / H2O, + 0,82 V). Dalam P. denitrificans dan P. stutzeri, nitrogen oksida terbentuk dari NO 2- oleh enzim nitrit reduktase, nitrat oksida reduktase, dan nitrat oksida reduktase. Selama reaksi transpor elektron ini, kekuatan motif proton terbentuk, dan ATPase memasangkan ini ke sintesis ATP (Gambar 13.41c).



13.18 Reduksi Sulfat dan Sulfur Beberapa senyawa sulfur anorganik adalah akseptor elektron penting dalam respirasi anaerob. Ringkasan keadaan oksidasi senyawa sulfur utama diberikan pada Tabel 13.8. Sulfat (SO 42-), bentuk sulfur yang teroksidasi, direduksi oleh bakteri pereduksi sulfat, suatu kelompok yang sangat beragam dari bakteri anaerob yang wajib didistribusikan secara luas di alam. produk akhir reduksi sulfat adalah hidrogen sulfida, H2S, produk alami penting yang berperan serta dalam banyak proses biogeokimia (Bagian 20.4 dan 21.10). Spesies dalam genus Desulfovibrio, khususnya D. desulfuricans, telah banyak dipelajari, dan sifat umum bakteri pereduksi sulfat dibahas dalam Bagian 14.9. Seperti nitrat (Bagian 13.17), perlu dibedakan antara metabolisme sulfat asimilatif dan disimilatif.Banyak organisme, termasuk tanaman, ganggang, jamur, dan sebagian besar prokariota, menggabungkan sulfat untuk kebutuhan sulfur biosintetik; ini adalah metabolisme asimilatif.Sebaliknya, kemampuan untuk menggunakan sulfat sebagai akseptor elektron untuk konservasi energi membutuhkan reduksi skala besar dan terbatas pada bakteri pereduksi sulfat.H2S diproduksi dalam skala yang sangat besar oleh organisme ini dan dikeluarkan dari sel, bebas untuk dioksidasi oleh udara, digunakan oleh organisme lain, atau dikombinasikan dengan logam untuk membentuk logam sulfida.



Biokimia dan Energetika Pengurangan Sulfat Seperti yang ditunjukkan oleh potensi reduksi pada Tabel A1.2 dan Gambar 13.39, SO 42- adalah akseptor elektron yang jauh lebih tidak disukai daripada O2 atau NO3-.Namun, energi bebas yang cukup untuk membuat ATP tersedia dari reduksi sulfat ketika donor elektron teroksidasi yang menghasilkan NADH atau FADH.Tabel 13.8 memuat daftar beberapa donor elektron yang digunakan oleh bakteri pereduksi sulfat. Hidrogen (H2) digunakan oleh hampir semua spesies, sedangkan penggunaan donor lain lebih terbatas. Misalnya, laktat dan piruvat banyak digunakan oleh spesies yang ditemukan di lingkungan anoksik air tawar, sedangkan asam lemak asetat dan rantai panjang banyak digunakan oleh bakteri pereduksi sulfat laut. Banyak tipe morfologis dan fisiologis dari bakteri pereduksi sulfat yang diketahui, dan dengan pengecualian Archaeoglobus (Bagian 16.5), genus Archaea, semua reduksi sulfat yang dikenal adalah Bakteri (Bagian 14.9).



Pengurangan SO42- menjadi H2S membutuhkan delapan elektron dan hasil melalui sejumlah tahap menengah.Pengurangan SO42- mengharuskan pertama diaktifkan dalam reaksi yang membutuhkan ATP.Enzim ATP sulfurylase mengkatalisis perlekatan SO 42- ke fosfat ATP, membentuk adenosin fosfosulfat (APS) seperti yang ditunjukkan pada Gambar 13.42a. Aktivasi meningkatkan E0 'yang sangat elektronegatif dari pasangan SO 42- / SO32- (-0,52 V) hingga mendekati 0 V, memungkinkan pengurangan jumlah sulfat dengan donor elektron seperti NADH (-0,32 V). Dalam reduksi sulfat disimilatif, SO4



2-



dalam APS direduksi langsung menjadi sulfit



(SO32-) oleh enzim APS reduktase dengan pelepasan AMP. Dalam reduksi asimilatif, fosfat lain ditambahkan ke APS untuk membentuk fosfoadenosin fosfosulfat (PAPS) (Gambar 13.42a), dan hanya SO42- yang dikurangi. Namun, dalam kedua kasus produk reduksi sulfat adalah sulfit (SO32-). Begitu SO32- terbentuk, ia direduksi menjadi H2S oleh aktivitas enzim sulfit reduktase (Gambar 13.42 dan 13.43). Selama reduksi sulfat dissimilatif, reaksi transpor elektron mengarah pada gaya motif proton dan ini mendorong sintesis ATP oleh ATPase. Pembawa elektron utama dalam proses ini adalah sitokrom c3, sitokrom berpotensi rendah periplasma (Gambar 13.43). Sitokrom c3 menerima elektron dari hidrogenase periplasmik dan mentransfer elektron ini ke kompleks protein yang terkait membran.Kompleks ini, yang disebut Hmc, membawa elektron melintasi membran sitoplasma dan mentransfernya ke APS reduktase dan sulfit reduktase, enzim sitoplasma yang masing-masing menghasilkan sulfit dan sulfida (Gambar 13.43). Enzim hidrogenase memainkan peran sentral dalam reduksi sulfat apakah Desufovibrio tumbuh pada H2, per se, atau pada senyawa organik seperti laktat.Ini karena laktat dikonversi



melalui piruvat menjadi asetat (banyak dari yang terakhir diekskresikan atau berasimilasi menjadi bahan sel karena Desulfovibrio tidak dapat mengoksidasi asetat menjadi CO 2) dengan produksi H2.H2 ini melintasi membran sitoplasma dan dioksidasi oleh hidrogenase periplasma menjadi elektron, yang diumpankan kembali ke dalam sistem, dan proton yang membentuk kekuatan motif proton (Gambar 13.43). Jaring satu ATP diproduksi untuk setiap SO 42- dikurangi menjadi HS- oleh H2, dan reaksinya adalah



Ketika laktat atau piruvat adalah donor elektron, ATP dihasilkan tidak hanya dari gaya motif proton, tetapi juga oleh fosforilasi tingkat-substrat selama oksidasi piruvat (melalui asetilKoA dan asetil fosfat, Tabel 13.3) menjadi asetat plus CO2 (Gambar 13.43).



Gambar 13.42 Biokimia reduksi sulfat: Activate sulfate. (a) Dua bentuk sulfat aktif dapat dibuat, adenosin 5 '-fosfosulfat (APS) dan fosfoadenosin 5' -fosfosulfat (PAPS). Keduanya adalah turunan dari adenosin difosfat (ADP), dengan fosfat kedua ADP digantikan oleh SO42-. (B) Skema pengurangan sulfat asimilatif dan disimilatif. Spesies laut tetapi bukan air tawar dari bakteri pereduksi sulfat dapat menyandingkan oksidasi asam lemak asetat dan rantai panjang menjadi CO2 dan reduksi sulfat:



Mekanisme oksidasi asetat di sebagian besar spesies ini adalah jalur asetil-KoA, serangkaian reaksi yang dapat dibalik yang digunakan oleh banyak anaerob untuk sintesis asetat atau oksidasi asetat (Bagian 13.19).Beberapa bakteri pereduksi sulfat juga dapat tumbuh secara



autotrof dengan H2.Dalam kondisi ini, organisme menggunakan jalur asetil-KoA untuk membuat asetat sebagai sumber karbon.Spesies tersebut dapat dibudidayakan dalam media yang benarbenar bebas-organik yang hanya mengandung garam mineral, sulfat, CO2, dan H2.



Gambar 13.43 Transportasi elektron dan konservasi energi pada bakteri pereduksi sulfat.Selain H2 eksternal, H2 yang berasal dari katabolisme senyawa organik seperti laktat dan piruvat dapat memicu hidrogenase.Enzim hidrogenase (H2ase), sitokrom (sit) c3, dan kompleks sitokrom (Hmc) adalah protein perplasmik.Protein yang terpisah mengangkut elektron melintasi membran sitoplasmmik dari Hmc ke protein sulfur-besi sitoplasma (FeS) yang memasok elektron ke APS reduktase (membentuk SO32-) dan sulfit reduktase (membentuk H2S, Gambar 14.14b).LDH, dehydrogenase laktat.



Metabolisme Khusus Bakteri Pengurangan Sulfat Spesies tertentu dari bakteri sulfat-redukin g dapat mengkatalisasi reaksi tidak biasa yang tidak khas semua spesies. Ini termasuk disproporsionasi , oksidasi fosfit , dan pengurangan sulfur . Disproportionation adalah proses di mana satu molekul zat teroksidasi sementara molekul kedua berkurang, akhirnya membentuk dua produk yang berbeda. Misalnya, Desulfovibrio sulfodismutans  dapat membagi tiosulfat secara tidak proporsional (S − SO 3 2−) sebagai berikut: S − SO 3 2 + H2O® SO 4 2− + H2S Δ G 0 ′ = −21.9 kJ / reaksi Perhatikan bahwa dalam reaksi ini, t ia atom sulfur kanan dari S- SO 3 2- teroksidasi (membentuk SO 4 2- ), sedangkan atom kiri yang berkurang (membentuk H2S). The ener bebas gy tersedia dari oksidasi dari tiosulfat oleh D. sulfodismutans  tidak cukup untuk beberapa untuk phosphorylati tingkat substrat dan begitu sebaliknya digabungkan ke pompa proton yang menetapkan pro ton kekuatan motif. Berkurang lainnya sulfur senyawa seperti sulfit (SO 3 2-) dan sulfur (S0 ) juga dapat disproportionated . T hese bentuk metabolisme sulfur memungkinkan sulfat-mengurangi bacteri untuk memulihkan energi dari sulfur intermediet yang dihasilkan dari oksidasi H2 S oleh belerang chemolithotrophs yang hidup berdampingan dengan mereka di alam dan juga dari intermediet Gener diciptakan dalam metabolisme mereka sendiri selama SO 4 2- pengurangan ( Gambar 13.42 b ). Setidaknya satu sulfat-mengurangi bakteri dapat beberapa fosfit (HPO 3 -) oksidasi SO 4 2- re duksi. Reaksi chemolithotrophic ini menghasilkan fosfat dan sulfida: 4 HPO 3 - + SO 4 2− + H + ® 4 HPO 4 2− + HS− Δ G 0 ′ = −364 kJ Bakteri ini, Desulfotignum phosphitoxidans , adalah autotrof dan anaerob yang ketat, yang karena itu pasti karena fosfit teroksidasi secara spontan di udara. N sumber atural dari fosfit yang mungkin organophosphorous senyawa yang disebut fosfonat yang dihasilkan dari anoxic degradasi berbagai organik senyawa fosfor. Seiring dengan disproporsionasi sulfur (juga chemolithotrophic proses) dan H2 pemanfaatan, fosfit oksidasi menggarisbawahi keragaman dari chemolithotrophic reaksi yang dilakukan oleh bakteri sulfat-mengurangi. Pengurangan Belerang Selain sulfat, sebagian besar bakteri pereduksi sulfat juga dapat menghemat energi dari pengurangan unsur sulfur menjadi sulfida (S0 + 2 H ® H2S). Selain itu, bagaimanapun, berbagai Bakteri dan Archaea yang tidak mengurangi pereduksi juga dapat mengurangi ulfur dalam respirasi anaerob. Ini adalah prokariota pereduksi belerang , kelompok besar yang biasanya hidup berdampingan dengan bakteri pereduksi sulfa di habitat anoksik, kaya sulfur.



Elektron untuk reduksi belerang berasal dari H2 atau sejumlah senyawa organik. Sebagai contoh, Desulfuromonas  acetoxidans dapat mengoksidasi asetat atau etanol menjadi CO2 ditambah dengan pengurangan S0 menjadi H2S. Belerang peredam s tidak memiliki kapasitas untuk mengaktifkan sulfat ke APS (Gambar 13.4 2), dan mungkin ini adalah apa yang tidak termasuk mereka dari menggunakan SO 4 2sebagai akseptor elektron. Desulfuromonas berisi beberapa cyto Chromes, termasuk analog dari sitokrom c 3, sebuah carrie elektron kunci r pada bakteri sulfat-mengurangi. Dalam kultur beberapa peredam belerang termasuk Desulfuromonas juga dapat menggunakan Fe3 + sebagai akseptor elektron sebagai pengganti belerang, tetapi belerang mungkin merupakan akseptor elektron utama yang digunakan di alam. Ini adalah reduksi senyawa sulfur teroksidasi dan produksi H2S yang menghubungkan bakteri pereduksi sulfur dan sulfat dalam arti ekologis. 13.19 Asetogenesis Karbon dioksida (CO2) adalah typica lly melimpah di anoxic habitat becau se itu adalah produk utama dari metabolisme energi anaerobik chemoorganotrophs . Dua mayor atau kelompok prokariota anaerobik ketat menggunakan CO2 sebagai akseptor elektron untuk konservasi energi. Salah satunya adalah asetogen , dan kami membahasnya di sini. Kelompok lain , metanogen , dipertimbangkan di bagian selanjutnya. Hidrogen (H2) adalah donor elemen utama untuk kedua organisme ini, dan sebagian besar dari metabolisme energi mereka, asetogenesis dan metanogenesis , ditunjukkan pada Gambar 13.44 . Kedua proses yang terkait dengan pompa ion, baik proton (H + ) atau ion natrium (Na +), sebagai mekanisme energi konservasi, dan ini pompa bahan bakar ATPas es di membran. Jalur dari asetogenesis juga menghemat energi dalam fosforilasi tingkat substrat reaksi. Organisme dan Jalur Acetogen melakukan reaksi 4 H2 + H + + 2 HCO 3 - ® CH3COO− + 4 H2 O Δ G 0 ′ = −105 kJ Selain H2, donor elektron untuk asetogenesis termasuk berbagai C1 senyawa seperti metanol, beberapa methoxylated senyawa aromatik, gula, org anic dan asam amino, alkohol, dan nitrogen ba tertentu ses, tergantung pada organisme. Banyak asetogen juga dapat mengurangi nitrat (NO 3 - ) dan tiosulfat (S2O 3 2−) dalam metabolisme disimilatif. Namun, pengurangan CO2 adalah reaksi utama relevansi ekologis. Utas pemersatu utama di antara asetogen adalah jalur pengurangan CO2. Asetogen mengurangi CO2 menjadi asetat oleh jalur asetil- KoA , jalur utama dalam anaerob obligat untuk produksi atau oksidasi asetat (lihat Gambar 13.45). Tabel 13.9 berisi daftar kelompok yang menghasilkan atau mengoksidasi asetat melalui jalur asetil- KoA. Acetogens seperti Acetobacterium woodii dan Clostridium aceticum dapat Gro w



baik chemoorganotrophically oleh fermentasi gula (bereaksi ion 1) atau chemolithotrophically dan autotrophically melalui pengurangan CO2 untuk asetat dengan H2 sebagai donor elektron (reaksi 2). Dalam kasusnya, produk satu-satunya adalah asetat: (1) C6H12O6 ® 3 CH3COO− + 3 H + (2) 2 HCO 3 - + 4 H2 + H + ® CH3COO− + 4 H2O Asetogen mengkatabolisme glukosa dengan cara glikolisis, mengubah glukosa menjadi dua molekul piru vat dan dua molekul NADH. Dari titik ini , dua molekul asetat diproduksi: (3) 2 Pyruvate− ® 2 asetat− + 2 CO2 + 2 NADH Reaksi asetat ketiga (1) berasal dari reaksi (2), menggunakan dua molekul CO2 yang dihasilkan dalam reaksi (3), ditambah 2 NADH yang dihasilkan dari glikol sis dan 2 NADH yang dihasilkan dari oksidasi dua piruvat menjadi dua asetat. [reaksi (3)]. Mulai dari piruvat, kemudian, keseluruhan produksi asetat dapat ditulis sebagai 2 Pyruvate− + 4 H ® 3 acetate− + H + Sebagian besar bakteri asetogenik yang menghasilkan asetat dalam metabolisme energi adalah Bakteri  gram positif , dan banyak juga spesies dari genus Clostridium  atau Acetobacterium (Tabel 13.9). Beberapa Bakteri dan Archaea gram positif dan banyak gram negatif lainnya menggunakan jalur asetil-KoA untuk keperluan autotrofik , mengurangi CO2 menjadi asetat sebagai sumber karbon sel. Jalur asetil- KoA mendukung pertumbuhan autotro phic dari bakteri pereduksi autotrofik sulfat dan methanogen. Selain itu, beberapa prokariota menggunakan jalur asetil-KoA bukan untuk membuat asetat untuk tujuan karbon sel tetapi dalam arah sebaliknya sebagai sarana pengoksidasi asetat menjadi CO2 . Ini termasuk metanogen yang memanfaatkan asetat dan bakteri pereduksi sulfat. Jalur Asetil-KoA dan Konservasi Energi dalam Asetogenesis Tidak seperti jalur autotrofik lainnya (Bagian 13.5), jalur asetil-KoA fiksasi CO2 bukanlah aset. Alih-alih, ia mengkatalisasi reduksi CO2 di sepanjang dua jalur telinga, dengan satu molekul CO2 direduksi menjadi gugus metil asetat dan lainnya menjadi gugus karbonil asetat. Kedua unit C1 ini kemudian digabungkan untuk membentuk asetil-KoA (Gambar 13.45). Enzim kunci dari jalur asetil-KoA adalah karbon monoksida ( CO ) dehidrogenase  . CO dehydrogenase mengandung Ni, Zn, dan Fe sebagai kofaktor dan mengkatalisasi reaksi CO2 + H2 ® CO + H2O CO yang dihasilkan oleh CO dehydrogenase berakhir sebagai karbon karbonil asetat (Gambar 13.45). Kelompok metil asetat berasal dari reduksi CO2 oleh serangkaian reaksi



di mana koenzim tetrahidrofolat  memainkan peran utama (Gambar 13.45). Grup metil kemudian ditransfer dari tetrahidrofolat ke enzim yang mengandung vitamin B12 sebagai kofaktor, dan pada langkah akhir jalur, kelompok metil dikombinasikan dengan CO oleh CO de hidrogenase untuk membentuk asetil-KoA. Konversi asetil-KoA menjadi asetat plus ATP melengkapi rangkaian reaksi (Gambar 13.45). Konservasi energi dalam hasil acetogenesis dari kedua ion fosforat tingkat- substrat dan pompa ion. Satu ATP dihasilkan selama percakapan masing-masing asetil-KoA menjadi asetat plus ATP (Gambar 13.45 dan Tab le 13.3). Selain itu, sintesis asetil-C oA dari bagian komponennya, CO dan CH3, melepaskan energi bebas , beberapa di antaranya dikonservasi oleh pompa Na + yang berpasangan dengan pembentukan gaya gerak natrium . Negara energi ini dari th e membran drive ATP sintesis dari Na + - translocati ng ATPase. Ingat bahwa kita melihat strategi energik yang sama dengan suksinat fermentor Propionigenium , di mana dekarboksilasi suksinat itu terkait dengan Na + ekspor dan Na + driven AT Pase (Bagian 13.14). Asetogen membutuhkan ATP yang dihasilkan dari reaksi ini untuk mendapatkan keuntungan energi bersih karena ATP tunggal yang dibuat oleh fosforilasi tingkatsubstrat dikonsumsi pada langkah pertama dari jalur asetil-KoA (Gambar 13.45). 13.20 Metanogenesis Produksi biologis metana — methanogenesis — dikatalisis oleh sekelompok Archaea yang benar-benar anaerob yang disebut methanogen . Organisme ini terdapat dalam sedimen air tawar (Gambar 13.46), digester lumpur limbah (Bagian 21.6 ) dan bioreaktor lainnya , dan usus hewan berdarah panas, termasuk manusia. Pengurangan CO2 oleh H2 untuk membentuk metana (CH4 ) adalah jalur utama methanogen esis dan merupakan bentuk respirasi anaerob . Kami mempertimbangkan sifat-sifat dasar, filogen y, dan taksonomi metanogen dalam Bab 16.2. Di sini kami fokus pada bioenergi dan biokimia metanogenesis yang unik . C1 Carriers dalam Methanogenesis Metanogenesis dari CO2 membutuhkan delapan elektron, dan elektron - elektron ini ditambahkan dua pada saat yang bersamaan. Ini mengarah ke keadaan oksidasi perantara dari atom karbon dari +4 (CO2) ke −4 (CH4). Beberapa partikel koenzim baru ipat dalam metanogenesis dan dapat dibagi menjadi dua kelas: (1) yang membawa unit C1 sepanjang jalur pengurangan enzimatik ( pembawa C1 ) dan (2) yang menyumbangkan elektron ( koenzim redoks ) (Gambar 13.47 ) . Kami mempertimbangkan operator C1 terlebih dahulu. Methanofuran koenzim diperlukan untuk langkah pertama metanogenesis . Methanofuran berisi Gambar beranggota 13.47 a ). Methanopterin (Ga



mbar 13.47 b ) adalah koenzim metanogenik yang menyerupai asam folat vita min dan memainkan peran analog dengan tetrahidrofolat e (koenzim yang berpartisipasi dalam transformasi C1; lihat Gambar 13.45) dengan membawa unit C 1 dalam langkah-langkah perantara reduksi CO2 menjadi CH4. Koenzim M ( COM ) (Gambar 13,47 c ) yang diperlukan untuk langkah terminal dari methanogenesis , pengurangan dari kelompok metil (CH3 ) ke CH4. Meskipun tidak pembawa C1, nikel (Ni2 + ) -mengandung tetrapyrrole koenzim F430 (Gambar 13,47 d ) juga berpartisipasi dalam langkah terminal methanogenesis sebagai bagian dari metil reduktase en zyme kompleks (dibahas nanti). Koenzim Redoks Koenzim F420 dan 7-mercaptoheptanoylthreonine fosfat (juga disebut koenzim B, CoB ) adalah donor elektron dalam metanogenesis . Koenzim F420 (Gambar 13.47 e ) adalah turunan flavin , secara struktural menyerupai flavin koenzim FMN (Gambar 3.16). F420 berperan dalam metanogenesis sebagai donor elektron dalam beberapa langkah pengurangan CO2 (lihat Gambar 13.49). Coenzyme F420 mengambil namanya dari fakta bahwa bentuk teroksidasi menyerap cahaya pada 420 nm dan fluoresensi biruhijau. Fluoresensi semacam itu berguna untuk identifikasi mikroskopis dari suatu methanogen (Gambar 13.48). Tongkol yang diperlukan untuk langkah terminal dari methanogenesis dikatalisasi oleh metil reduktase enzim kompleks . Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 13.47 f , struktur COB menyerupai asam vitamin pantotenat, yang merupakan bagian dari asetil-KoA (Gambar 3.12). Metanogenesis dari CO2 1 H2 Elektron untuk reduksi CO2 menjadi CH4 biasanya berasal dari H2, tetapi beberapa substrat lain juga dapat memasok elektron untuk reduksi CO2 di beberapa methanogen. Gambar 13.49 menunjukkan langkah-langkah pengurangan CO2 oleh H2: 1. CO2 diaktifkan oleh bertemu hanofuran enzim -Mengandung dan mengurangi ke formil tingkat. Elektron donor langsung adalah ferredoxin , kuat reduktor dengan potensi pengurangan ( E 0 ' ) dekat -0.4V. 2. formil kelompok tran sferred dari methanofuran ke enzim yang mengandung methanopte rin (MP pada Gambar 13.49). Hal ini kemudian dehidrasi sebuah d berkurang dalam dua langkah terpisah (total 4 H) untuk metilen sebuah nd tingkat metil. Donor elektron langsung di sini berkurang F420. 3. Grup metil ditransfer dari met anopterin ke enzim yang mengandung CoM oleh enzim metil transferase . Reaksi ini sangat eksergon dan terkait dengan pemompaan Na + melintasi membran dari dalam ke luar sel.



4. Metil- CoM direduksi menjadi metana oleh metil reduktase . Dalam reaksi ini, F430 dan CoB diperlukan. Koenzim F 430 menghilangkan gugus CH3 dari CH3 − CoM, membentuk kompleks Ni2 + –CH 3 . Kompleks ini direduksi oleh CoB , menghasilkan CH4 dan kompleks disulfida dari CoM dan CoB ( CoM -S-S- CoB ). 5. CoM dan CoB Gratis diperbarui dengan pengurangan COMS - S- CoB dengan H2. Secara bersamaan , ferredoxin juga dikurangi dengan H2 dan dengan demikian siap untuk langkah pertama dari babak baru pengurangan CO 2 (Gambar 13.49). Metanogenesis dari Senyawa Metil dan Asetat Kita akan belajar di Bagian 16.2 bahwa methanogen dapat membentuk CH4 dari senyawa teretilasi tertentu seperti metanol dan asetat, serta dari H2 + CO2. Metanol dikatabolisme dengan menyumbang untuk membentuk CH3– korinoid (Gambar 13.50 a  ). Corrinoids adalah orang tua struktur senyawa seperti vitamin B12 dan mengandung porfirin - seperti cincin dengan atom kobalt pusat. Kompleks CH3 - korinoid kemudian mentransfer gugus metil ke CoM , menghasilkan CH3 - CoM yang darinya metana dibentuk dengan cara yang sama seperti pada langkah terminal pengurangan CO2. Jika H2 tidak tersedia untuk mendorong langkah terminal, beberapa metanol harus dioksidasi menjadi CO2 untuk menghasilkan elektron untuk tujuan ini. Ini terjadi dengan pembalikan langkah-langkah dalam metanogenesis (Gambar 13.49 dan 13.50 a ). Ketika asetat adalah substrat untuk metanogenesis , ia pertama kali diaktifkan menjadi asetil-KoA, yang berinteraksi dengan CO dehydrogenase dari jalur asetil-KoA ( Bagian 13.19). Kelompok metil asetat kemudian ditransfer t o corrinoid enzim untuk menghasilkan CH3- corrinoid , dan dari sana mengikuti com dimediasi terminal langkah methanogenesis . Secara bersamaan, kelompok CO teroksidasi untuk menghasilkan CO2 dan elektron (Gambar 13.50 b ). Autotropi Autotropi dalam methanogen didukung oleh jalur asetil-KoA (Bagian 13.19). Seperti yang baru saja kita lihat, bagian dari jalur ini sudah diintegrasikan ke dalam katabolisme metanol dan asetat oleh metanogen (Figu re 13.50). Namun, metanogen kekurangan tetrahydrofolat e -driven serangkaian reaksi dari acetyl CoA jalur yang lea d pada produksi metil kelompok (Gambar 13,45). Tetapi ini bukan masalah karena metanogen dapat langsung memperoleh metil grou ps langsung dari donor elektronnya (Gambar 13.50) atau membuat kelompok metil selama metanogenesis dari H2 + CO2 (Gambar 13.49). Dengan demikian metanogen memiliki akses ke metil grou yang melimpah , dan penghilangan beberapa untuk biosintesis adalah konsekuensi kecil . Gugus karbonil dari asetat yang dihasilkan selama autot pertumbuhan rophic dari metanogen yang berasal dari



aktivitas karbon monoksida dehidrogenase, dan langkah terminal di asetat synthesi s seperti yang dijelaskan untuk acetogens (Bagian 13.19 dan Gambar 13.45). Konservasi Energi dalam Methanogenesis Dalam kondisi standar, energi bebas metanogenesis dari H2 + CO2 adalah −131 kJ / mol. Konservasi energi dalam metanogenesis terjadi pada saat kekuatan proton atau natrium , tergantung pada substrat yang digunakan; fosforilasi tingkat-substrat (Bagian 13.11) tidak terjadi. Ketika metana terbentuk dari H2 + CO2, ATP dihasilkan dari gaya gerak natrium yang dihasilkan selama transfer etil m dari MP ke CoM oleh enzim metil transferase (Gambar 13.49). Keadaan berenergi dari membran ini kemudian mendorong sintesis ATP, mungkin dengan cara ATP yang terhubung dengan H + setelah konversi gaya gerak natrium menjadi gaya motivasi proton dengan menukar Na + untuk H + melintasi membran. Hasil ATP per CH4 yang dihasilkan sekitar 0,5. Dalam beberapa methanogen, seperti Methanosarcina , organisme serbaguna yang bergizi yang dapat membuat m etana dari asetat atau metanol serta dari CO2 + H2, mekanisme konservasi energi yang berbeda terjadi dari asetat atau metanol, karena reaksi metil transferase tidak dapat dilakukan. digabungkan dengan generasi kekuatan motif natrium di bawah kondisi ini. Sebaliknya, dalam konservasi energi sel asetat dan metanol yang tumbuh terkait dengan langkah terminal dalam metanogenesis , langkah metil reduktase (Gambar 13.49, 13.50, dan Gambar 13.51). Dalam reaksi ini, interaksi dari tongkol dengan CH3- COM dan metil reduktase membentuk CH4 dan heterodisulfide produk, com -S- S COB . Yang terakhir dikurangi oleh H2 untuk meregenerasi CoM -SH dan CoB -SH (Gambar 13.49). Reduksi ini , dilakukan oleh enzim heterodisulfide reductase  , bersifat eksergonik dan digabungkan dengan pemompaan H + melintasi membran (Gambar 13.51). Elektron dari aliran H2 ke reduktase heterodisulfida melalui pembawa elektron yang terkait ane disebut methanophenazine . Senyawa ini direduksi oleh F420 dan selanjutnya dioksidasi oleh sitokrom b- tip ; yang terakhir adalah donor elektron untuk heterodisulfide reducta se (Gambar 13.51). Sitokrom dan methanophen azine tidak hadir di metanogen yang dapat digunakan hanya H2 + CO2 untuk methanogenesis . Dengan demikian dalam methanogen kita melihat setidaknya dua mekanisme untuk konservasi energi : (1) gaya motif proton yang terkait dengan reaksi metilreduktase dan digunakan untuk mendorong sintesis ATP dalam asetat- atau 13.21 Akseptor Elektron Lainnya Selain akseptor elektron untuk respirasi anaerob dibahas sejauh ini, beberapa logam, metaloid, dan terhalogenasi dan unhalogenated organik senyawa i mportant elektron akseptor



untuk bakteri di alam (Gambar 13.52 ). Selain itu, proton dapat digunakan oleh anaerob yang sangat ketat. Kami mempertimbangkan bentuk-bentuk respirasi anaerob di sini. Pengurangan Logam Beberapa logam dan metaloid dapat dikurangi dalam respirasi anaerob. Besi besi (Fe3 +) dan ion mangan (Mn4 + ) adalah logam yang paling penting direduksi. Potensi reduksi pasangan Fe3 + / Fe2 + adalah +0.2 V (pada pH 7), dan pasangan Mn4 + / Mn2 + adalah +0.8 V; dengan demikian, beberapa donor elektron dapat berpasangan dengan pengurangan Fe3 + dan Mn4 + . Dalam reaksi-reaksi ini, elektron biasanya bergerak dari dono r melalui rantai transpor elektron yang menghasilkan gaya motif proton dan berakhir dalam sistem reduktase logam , mengurangi Fe3 + menjadi Fe2 + atau Mn4 + menjadi Mn2 +. Banyak penelitian tentang energetika reduksi Fe3 + telah dilakukan dengan bakteri gram negatif Shewanella  dan Geobacter ; Shewanella juga mengurangi Mn4 + . Setiap organisme dapat mengoksidasi beberapa donor elektron organik serta H2, dan Geobacter juga dapat mengoksidasi aset dan toluena hidrokarbon aromatik terkait dengan pengurangan Fe3 +.



pasangan Fe3 + / Fe2 + adalah +0.2 V (pada pH 7), dan pasangan Mn4 + / Mn2 + adalah +0.8 V; dengan demikian, beberapa donor elektron dapat menyesuaikan dengan pengurangan Fe3 + dan Mn4 +. Dalam reaksi ini, elektron biasanya melakukan perjalanan dari donor melalui rantai transpor elektron yang menghasilkan gaya motif proton dan berakhir dalam sistem reduktase logam, mengurangi Fe3 + menjadi Fe2 + atau Mn4 + menjadi Mn2 +. Banyak penelitian tentang energetika reduksi Fe3 + telah dilakukan dengan bakteri gram negatif Shewanella dan Geobacter; Shewanella juga mengurangi Mn4 +. Setiap organisme dapat mengoksidasi beberapa donor elektron organik serta H2, dan Geo�bacter juga dapat mengoksidasi asetat dan toluena hidrokarbon aromatik terkait dengan pengurangan Fe3 +. Zat anorganik lainnya dapat berfungsi sebagai akseptor elektron untuk respirasi anaerob, termasuk metaloid selenium, lurium, dan arsenik, vanadium logam transisi, dan berbagai senyawa klor teroksidasi (Gambar 13.52).Sebagian besar organisme yang mampu tumbuh dengan akseptor ini adalah aerob yang fakultatif dan karenanya dapat tumbuh dengan respirasi aerobik juga.Senyawa arsenik, selenium, dan telurium adalah polutan sesekali di alam dan dapat mendukung respirasi anaerob pada berbagai bakteri. Pengurangan selenate (SeO42−) terjadi pada selenite (SeO32−)



dan akhirnya menjadi logam selenium (Se0), reduksi arsenate (AsO42−) terjadi pada tingkat arsenit (AsO32−), dan pengurangan tellurate (TeO42−) ke tellurite (TeO32−). Beberapa bakteri chlo�rate dan pengurangan perklorat juga telah diisolasi dan kemungkinan bertanggung jawab untuk menghilangkan senyawa beracun ini dari alam; produk akhir khas dari reaksi ini adalah klorida (Cl−). Bakteri pereduksi sulfat Desulfotomaculum dapat mereduksi AsO43− menjadi AsO33− dan sulfat menjadi sulfida, dan selama proses ini, endapan mineral kuning (As2S3) mengendap secara spontan (Gambar 13.53). Proses ini adalah contoh dari biomineralisasi, pembentukan mineral oleh aktivitas bakteri. Pembentukan As2S3 juga berfungsi sebagai alat untuk mendetoksifikasi apa yang seharusnya menjadi senyawa beracun (arsenik), dan dengan demikian kegiatan mikroba tersebut dapat memiliki aplikasi praktis untuk pembersihan limbah beracun yang mengandung arsenik dan air tanah. Akseptor Elektron Organik Beberapa senyawa organik dapat menjadi akseptor elektron dalam respirasi anaerob.Dari yang tercantum dalam Gambar 13.52, senyawa yang paling banyak dipelajari adalah fuma�rate, zat antara siklus asam sitrat (Gambar 3.22), yang direduksi menjadi suksinat.Peran fumarat sebagai akseptor elektron untuk respirasi anaerobik berasal dari fakta bahwa pasangan fumarat-suksinat memiliki potensi reduksi mendekati 0 V, yang memungkinkan penggabungan reduksi fumarat ke oksidasi NADH, FADH, atau H2.Banyak bakteri aerob fakultatif dapat tumbuh secara anaerob pada fumarat sebagai akseptor elektron, termasuk Escherichia coli.Trimethylamine oxide (TMAO) dan dimethyl sulfoxide (DMSO) (Gambar 13.52) adalah akseptor elektron organik yang penting.TMAO adalah produk dari ikan laut, dan beberapa bakteri dapat menguranginya menjadi trimethylamine (TMA), yang memiliki bau dan aroma yang kuat (bau makanan laut yang rusak terutama disebabkan oleh TMA yang diproduksi oleh aksi bakteri).Dimethyl sulfoxide (DMSO), yang direduksi menjadi dimethyl sulfide (DMS), adalah produk alami yang umum dan ditemukan di lingkungan laut dan air tawar. Potensi reduksi pasangan TMAO / TMA dan DMSO / DMS adalah sama, sekitar +0,15 V, dan ini berarti bahwa rantai transpor elektron yang berakhir dengan TMAO atau reduktase DMSO harus agak pendek. Seperti dalam reduksi fumarate, dalam reduksi sitokrom TMAO dan DMSO dari tipe b (E0 ′ mendekati 0 V) berfungsi sebagai donor untuk reduktase.Beberapa senyawa organik terhalogenasi dapat berfungsi sebagai akseptor elektron dalam deklorinasi reduktif (juga disebut dehalorespasi). Misalnya, bakteri pereduksi sulfat Desulfomonile tumbuh secara anaerob dengan H2 atau donor elektron organik dan chlo�robenzoate sebagai akseptor elektron yang direduksi



menjadi benzoat dan asam klorida (HCl): C7H4O2Cl− + 2 H ® C7H5O2− + HCl Beberapa bakteri lain dapat secara reduktif deklorinasinya, dan beberapa di antaranya terbatas pada senyawa yang diklorinasi sebagai akseptor elektron untuk respirasi anaerob. Sebagai contoh, bakteri Dehalococcoides mengurangi tri- dan tetrakloretilen menjadi eten dan Dehalobacterium mengubah diklorometana (CH2Cl2) menjadi asetat dan format (Tabel 13.10).Dehalococcoides juga dapat mengurangi bifenil poliklorinasi (PCB).PCB adalah polutan organik luas yang mencemari lingkungan air tawar di mana mereka terakumulasi dalam ikan dan kehidupan air lainnya. Namun, penghilangan gugus klor dari molekul-molekul ini sangat mengurangi toksisitasnya dan karenanya deklorinasi reduktif tidak hanya merupakan bentuk metabolisme energi tetapi juga proses bioremediasi yang signifikan secara lingkungan. Pengurangan Proton Mungkin yang paling sederhana dari semua respirasi anaerob adalah yang dilakukan oleh Pyrococ hyperthermophile cus furiosus. P. furiosus adalah spesies Archaea yang tumbuh optimal pada suhu 100 ° C (Bab 16) pada gula dan peptida kecil sebagai donor elektron dan proton sebagai akseptor elec�tron. Ini dimungkinkan karena fitur biokimia unik dari jalur glikolitik P. furiosus. Selama glikolisis, oksidasi gliseraldehida 3-fosfat membentuk asam 1,3-bisfosfogliserat, zat antara dengan dua ikatan fosfat yang kaya energi; senyawa ini kemudian dikonversi menjadi asam 3-fosfogliserat ditambah ATP (Gambar 3.14). Namun, pada P. furiosus langkah glikolitik normal ini dilewati, dan asam 3-fosfogliserat terbentuk langsung dari gliseraldehid 3-fosfat (Gambar 13.54). Ini mencegah P. furiosus dari membuat ATP dengan fosforilasi tingkat-substrat pada langkah ini, tetapi masalah ini dikompensasi oleh fakta bahwa oksidasi 3-fosfat gliseraldehida digabungkan dengan produksi ferredoksin daripada NADH; ferredoxin memiliki E0 ′ lebih negatif (-0,42 V) daripada NAD + / NADH (-0,32 V). E0′ yang sangat negatif ini memungkinkan kopling oksidasi ferredoksin menjadi reduksi 2 H + menjadi H2, dan reaksi ini memompa proton melintasi membran (Gambar 13.54).Pemompaan proton oleh hidrogenase adalah analog dengan pemompaan proton oleh pembawa elektron terminal di lainnya. Hidrokarbon banyak digunakan oleh mikroorganisme sebagai donor elektron tetapi harus terlebih dahulu diberi oksigen sebelum dapat diabolisasi.Di sini kami mempertimbangkan katabolisme aerobik hidrokarbon alifatik dan aromatik, di mana oksigenasi terjadi dari O2.Kami kemudian melanjutkan ke kasus khusus katabolisme hidrokarbon C1 dan menyelesaikannya



dengan pertimbangan metabolis hidrokarbon anoksik, situasi di mana oksigenasi hidrokarbon masih diperlukan, tetapi di mana O2 jelas tidak memainkan peran. 13.22 Metabolisme Hidrokarbon Aerobik Kami sebelumnya membahas peran molekul oksigen (O2) sebagai akseptor elektron dalam reaksi penghasil energi. Sebaliknya, O2 juga memainkan peran penting sebagai reaktan dalam katabolisme hidro karbon, dan enzim oksigenase adalah pemain kunci dalam proses tersebut. Oxygenases dan Aliphatic Hydrocarbon Oxidation Oxygenases adalah enzim yang mengkatalisis penggabungan O2 menjadi senyawa organik dan dalam beberapa kasus, senyawa anorganik (Bagian 13.10). Ada dua kelas oksigenase: dioksigenase, yang mengkatalisis penggabungan kedua atom O2 ke dalam molekul, dan monooksigenase, yang mengkatalisis penggabungan hanya satu dari dua atom oksigen O2 ke dalam senyawa organik dengan atom kedua dari O2 direduksi menjadi H2O. Untuk sebagian besar monooksigenase, donor elektron yang dibutuhkan adalah NADH atau NADPH.Pada langkah oksidasi awal hidrokarbon alifatik jenuh, salah satu atom O2 dimasukkan, biasanya pada atom karbon terminal.Reaksi ini dikatalisis oleh monooksigenase, dan urutan reaksi khas ditunjukkan pada Gambar 13.55a. Produk akhir dari urutan reaksi adalah asam lemak dengan panjang yang sama dengan hidrokarbon asli. Asam lemak kemudian dioksidasi oleh beta-oksida�si, serangkaian reaksi di mana dua karbon asam lemak terpecah pada suatu waktu (Gambar 13.55b).Selama beta-oksidasi, NADH terbentuk dan teroksidasi dalam rantai transpor elektron untuk tujuan konservasi energi.Satu putaran beta-oksidasi melepaskan asetil-KoA plus asam lemak baru yang dua atom karbon lebih pendek dari asam lemak asli. Proses beta-oksidasi kemudian diulangi, dan molekul asetil-CoA lainnya dilepaskan. Asetil�CoA yang dibentuk oleh beta-oksidasi dioksidasi melalui siklus asam sitrat (Gambar 3.22) atau digunakan untuk membuat bahan sel baru. Dengan pengecualian bagaimana hidrokarbon dioksigenasi, sebagian besar biokimia katabolisme hidrokarbon anoksik adalah sama dengan yang diperlihatkan untuk katabolisme aerob (Gambar 13.55), dengan reaksi oksidasi beta yang sangat penting dalam kedua kasus. Oksidasi Hidrokarbon Aromatik Banyak hidrokarbon aromatik juga dapat digunakan sebagai donor elektron secara aerobik oleh mikroorganisme.Metabolisme senyawa ini, yang beberapa di antaranya mengandung banyak cincin, seperti naphtha�lene atau biphenyls, biasanya memiliki tahap awal pembentukan katekol atau senyawa yang terkait secara struktural



melalui katalisis oleh enzim oksigenase, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 13.56.Setelah katekol terbentuk, katekol dapat dibelah dan selanjutnya didegradasi menjadi senyawa yang dapat memasuki siklus asam sitrat, seperti suksinat, asetil-KoA, dan piruvat.Beberapa langkah dalam katabolisme aerobik hidrokarbon aromatik membutuhkan oksigenase.Gambar 13.56a-c menunjukkan empat reaksi berbeda yang dikatalisis oksigenase, satu menggunakan monooksigenase, dua menggunakan dioksigenase pembelahan cincin, dan satu menggunakan dioksigenase cincin-hidroksilasi.Seperti dalam katabolisme hidrokarbon alifatik aerobik (Gambar 13.55), senyawa aromatik, baik tunggal atau multi-cincin, biasanya teroksidasi sepenuhnya menjadi CO2, dengan elektron memasuki rantai transpor elektron atau digunakan untuk membuat bahan sel baru. 3.23 Aerobik Metanotropi Metana (CH4) dan banyak senyawa C1 lainnya dapat dikatabolisme secara aerobik oleh methylo�trophs. Metilotrof adalah organisme yang menggunakan senyawa organik yang tidak memiliki ikatan C-C sebagai donor elektron dan sumber karbon.Catab�olisme senyawa yang hanya mengandung atom karbon tunggal, seperti hidrokarbon metana (CH4) dan alkohol metanol (CH3OH), telah dipelajari dengan baik dari substrat ini. Kami fokus di sini pada oksidasi CH4 sebagai contoh gaya hidup methylotrophic. Oksidasi Metana Langkah-langkah dalam oksidasi CH4 menjadi CO2 dapat diringkas sebagai CH4 ® CH3OH ® CH2O® HCOO−® CO2Tidak semua metilotrof dapat menggunakan metana. Methanotrof adalah metilotrof yang dapat menggunakan CH4, dan metanotropi telah dipelajari dengan baik dalam bakteri gram-negatif Methylococcus capsula�tus.Metanotrof berasimilasi baik semua atau setengah dari karbon sel mereka (tergantung pada jalur yang digunakan) dari senyawa C1 formaldehyde (CH2O).Langkah awal dalam oksidasi aerobik CH4 dikatalisis oleh enzim metana monooksigenase (MMO).Ingat bahwa monooksi-genase menggabungkan satu atom oksigen dari O2 ke dalam senyawa karbon (Bagian 13.22 dan Gambar 13.55a).M. capsulatus mengandung dua MMO, satu sitoplasma dan lainnya terintegrasi membran; yang terakhir ini paling baik dipelajari.Dalam reaksi MMO, atom oksigen dimasukkan ke dalam CH4, membentuk CH3OH, dan atom kedua O direduksi untuk membentuk H2O (Gambar 13.57).CH3OH dioksidasi oleh alkohol dehidrogenase, menghasilkan formaldehida (CH2O) dan NADH, dan CH2O dioksidasi menjadi CO2 atau digunakan untuk membuat bahan sel baru.Asimilasi C1 ke dalam Bahan Sel Setidaknya ada dua jalur yang berbeda untuk penggabungan unit C1 ke dalam bahan sel dalam metanotrof.Jalur serine diuraikan pada Gambar 13.58a.Dalam jalur ini, asetil-KoA disinkronisasi dari satu molekul CH2O (dihasilkan dari



oksidasi CH3OH, Gambar 13.57) dan satu molekul CO2.Jalur serin membutuhkan pengurangan daya dan energi dalam bentuk dua molekul masing-masing NADH dan ATP, masing-masing, untuk setiap asetil-KoA yang disintesis.Jalur serin menggunakan sejumlah enzim dari siklus asam sitrat dan satu enzim, serin trans�hidroksimetilase, unik untuk jalur (Gambar 13.58a).Jalur alternatif untuk penggabungan C1 adalah jalur ribulosa monofosfat (Gambar 13.58b).Jalur ini lebih hemat energi daripada jalur serin karena semua karbon untuk bahan sel berasal dari CH2O. Karena CH2O berada pada tingkat oksidasi yang sama dengan bahan sel, tidak diperlukan daya reduksi. 13.24 Metabolisme Hidrokarbon Anoksik Kami melihat bagaimana hidrokarbon dapat dikatabolisme secara aerobik pada dua bagian sebelumnya.Sekarang kami mempertimbangkan katabolisme anoksik mereka.Oksidasi hidrokarbon anoksik dapat dikaitkan dengan pengurangan nitrat, sulfat, atau besi besi dalam respirasi anaerob.Hidrokarbon Alifatik Hidrokarbon alifatik adalah senyawa organik rantai jenuh atau



tidak



jenuh,



dan



banyak



substrat



untuk



bakteri



denitrifikasi



dan



pereduksi



sulfat.Hidrokarbon alifatik jenuh selama C20 mendukung pertumbuhan, meskipun hidrokarbon rantai pendek lebih mudah larut dan siap dikatabolisme.Mekanisme degradasi hidrokarbon anoksik telah dipelajari dengan baik untuk metabolisme heksana (C6H14) pada bakteri denitrifikasi (NO3− sebagai akseptor elektron). Namun, mekanisme tampaknya sama untuk katabolisme anoksik hidrokarbon rantai panjang dan untuk oksidasi hidrokarbon anoksik terkait dengan akseptor elektron lainnya, dan kami fokus pada sistem heksana / nitrat di sini. Dalam metabolisme heksana anoksik, heksana dimodifikasi pada atom karbon 2 melalui perlekatan molekul fumarat, suatu perantara C4 dari siklus asam sitrat (Gambar3.22), membentuk senyawa 1-metilpentilsunatat (Gambar 13.59a). Penambahan enzim fumarat menjadi heksana secara efektif mengoksidasi heksana dan memungkinkan molekul untuk selanjutnya dikatabolisme secara anaerob.Setelah penambahan koenzim A, serangkaian reaksi terjadi yang meliputi betaoksidasi (Gambar 13.55b) dan regenerasi fumarat.Elektron yang dihasilkan selama beta-oksidasi menghasilkan kekuatan motif proton dan kemudian dikonsumsi dalam reduksi nitrat atau sulfat. [15:33, 3/28/2020] MeinaKido: Hidrokarbon Aromatik Hidrokarbon aromatik dapat terdegradasi secara anaerob oleh beberapa nitrat, besi besi, dan bakteri pereduksi sulfat. Untuk katabolisme anoksik dari hidrokarbon toluena aromatik, oksigen perlu ditambahkan ke senyawa untuk



memulai katabolisme, dan ini terjadi dengan penambahan fumarat, seperti pada katabolisme hidrokarbon hidrokarbon alifatik (Gambar 13.59a).Serangkaian reaksi akhirnya menghasilkan benzoyl�CoA, yang selanjutnya terdegradasi oleh reduksi cincin (Gambar 13.59b). Benzene (C6H6) juga dapat dikatabolisme secara anaerob, kemungkinan dengan mekanisme yang sama. Hidrokarbon aromatik multi-cincin seperti naftalena (C10H8) dapat terdegradasi oleh bakteri pengurang sulfat dan denitrifikasi tertentu. Berbeda dengan hidrokarbon lain, oksigenasi hidrokarbon multi-cincin terjadi dengan penambahan CO2 ke cincin untuk membentuk turunan asam karboksilat daripada dengan penambahan fumarat. Tetapi reaksi karboksilasi ini memiliki tujuan yang sama dengan reaksi oksigenase (Gambar 13.55a dan 13.56) atau penambahan fumarat (Gambar 13.59); sebuah atom O menjadi bagian dari hidrokarbon dan memfasilitasi katabolismenya. Banyak bakteri dapat mengkatalisasi hidrokarbon aromatik tertentu secara anaerob, termasuk bakteri fermentasi dan fototropik.Namun, kecuali untuk toluena, hanya senyawa aromatik yang sudah mengandung atom O terdegradasi, biasanya oleh mekanisme umum. Berbeda dengan katabolisme aerob yang terjadi dengan cara [15:33, 3/28/2020] MeinaKido: dari oksidasi cincin (Gambar 13.56), katabolisme anaerob dihasilkan oleh reduksi cincin. Katabolisme benzoat oleh “jalur benzoil-CoA” adalah tema umum dari biokimia ini (Gambar 13.60). Katabolisme benzoat dalam jalur ini dimulai dengan membentuk turunan koenzim A yang diikuti oleh pembelahan cincin untuk menghasilkan asam lemak atau dicar�boksilat yang selanjutnya dapat dikatabolisme menjadi zat antara siklus asam sitrat (Gambar 13.60). Metoksida Oksidasi Metana Anoksik (CH4) dapat terdegradasi dalam kondisi anoksik oleh konsorsium dua organisme, bakteri pereduksi sulfat plus spesies Archaea yang secara filogenetik terkait dengan metanogen (Gambar 13.61). Komponen kuno, yang disebut ANME (anoxic methicanotroph), yang ada beberapa jenis, mengoksidasi CH4… [15:33, 3/28/2020] MeinaKido: energi ini diubah menjadi ATP dan dipisah antara metha metnotroph dan peredam sulfat tetap menjadi pertanyaan besar yang belum terjawab. Satu kemungkinan bisa menjadi pompa ion. Seperti yang telah kita lihat dalam Bagian 13.14 dan 13.15, pompa ion dapat beroperasi pada hasil energi yang sangat rendah, dan dengan demikian pompa ion mungkin memainkan peran dalam energi AMO juga. AMO tidak terbatas pada konsorsium bakteri pereduksi sulfat.Konsorsium denitrifikasi pengoksidasi metana aktif dalam lingkungan anoksik di mana CH4 dan NO3− hidup berdampingan dalam jumlah yang signifikan, seperti sedimen air tawar tertentu. Dalam pengayaan laboratorium dari konsorsium ini, beberapa mengandung



metanotrof tipe ANME sementara yang lain benar-benar bebas dari Archaea. AMO yang terkait dengan reduksi besi besi (Fe3 +) dan ion mangan (Mn4 +) juga diketahui. Satu bakteri denitrifikasi menggunakan mekanisme luar biasa untuk AMO dan tidak memerlukan organisme kedua untuk melakukan proses tersebut. Methylomirabilis oxyfera mengoksidasi CH4 dengan NO3 − sebagai akseptor elektron, dan selama oksidasi CH4, elektron mengurangi NO3− menggunakan sebagian besar langkah-langkah yang telah kita lihat sebelumnya pada bakteri denitrifikasi seperti Pseudomonas (Bagian 13.17).Ini termasuk pengurangan NO3− menjadi NO2−, dan selanjutnya pengurangan ke N2 (Gambar 13.41c).Tetapi tidak seperti Pseudomonas dalam M. oxyfera NO2− direduksi menjadi N2 melalui nitric oxide (NO) tanpa terlebih dahulu memproduksi nitrous oxide (N2O) sebagai zat antara (Gambar 13.41c).Sebaliknya, M. oxyfera membagi NO menjadi N2 dan O2 (2 NO ® N2 + O2) dan kemudian menggunakan O2 yang diproduksi sebagai akseptor elec eltron untuk oksidasi CH4.Dengan kata lain, organisme menghasilkan O2nya sendiri sebagai oksidan untuk elektron yang dihasilkan selama oksidasi CH4 menjadi CO2 (lihat lebih lanjut di halaman 433).Beberapa strategi metabolisme telah berevolusi untuk katabolisasi metana, mungkin hidrokarbon yang paling melimpah di Bumi. Ini bersama dengan segudang mekanisme konservasi energi lain yang telah kita lihat dalam bab ini menunjukkan luasnya keanekaragaman metabolisme mikroba yang mengesankan. Kami sekarang mengambil latar belakang ini dan memasukkannya ke dalam konteks organisme itu sendiri dalam empat bab berikutnya.