Metabolisme mikroba mengacu pada beragam proses biokimia yang digunakan mikroorganisme untuk memperoleh energi, mensintesis komponen seluler, dan mempertahankan kelangsungan hidup. Bakteri dan archaea menunjukkan keanekaragaman metabolisme yang luar biasa, jauh melebihi tumbuhan dan hewan.
Sumber dan Klasifikasi Energi
Mikroorganisme diklasifikasikan berdasarkan energi dan sumber karbonnya. Fototrof, seperti bakteri cyanobacteria dan sulfur ungu, menggunakan energi cahaya untuk melakukan fotosintesis. Kemotrof memperoleh energi dari senyawa kimia: kemolithotrof mengoksidasi senyawa anorganik (H2, H2S, NH3, Fe2+), sedangkan kemoorganotrof mengoksidasi senyawa organik (glukosa, asam lemak, asam amino). Autotrof menggunakan CO2 sebagai sumber karbonnya (misalnya cyanobacteria, bakteri nitrifikasi), sedangkan heterotrof membutuhkan sumber karbon organik (misalnya E. coli, Bacillus, sebagian besar patogen).
Respirasi Aerobik
Glikolisis (jalur Embden-Meyerhof-Parnas) mengubah glukosa (6C) menjadi dua molekul piruvat (3C), menghasilkan 2 ATP dan 2 NADH per glukosa. Siklus asam sitrat (siklus Krebs, siklus TCA) mengoksidasi asetil-KoA menjadi CO2, menghasilkan NADH, FADH2, dan GTP. Rantai transpor elektron (ETC), yang terletak di membran sitoplasma, mengoksidasi NADH dan FADH2 saat elektron melewati kompleks I-IV dengan O2 berfungsi sebagai akseptor elektron terakhir; ATP dihasilkan melalui fosforilasi oksidatif melalui gaya gerak proton yang menggerakkan ATP sintase.
Metabolisme Anaerobik
Dalam respirasi anaerobik, digunakan akseptor elektron alternatif seperti nitrat (NO3- → NO2- → N2), sulfat (SO42- → H2S), atau karbonat (CO2 → CH4), yang biasa ditemukan pada bakteri denitrifikasi, pereduksi sulfat, dan metanogenik. Fermentasi menggunakan senyawa organik sebagai donor dan akseptor elektron, tanpa ETC atau fosforilasi oksidatif; ATP diproduksi hanya melalui fosforilasi tingkat substrat. Jalur fermentasi yang umum meliputi homolaktat (Lactobacillus, Streptococcus → asam laktat), alkohol (ragi → etanol + CO2), asam campuran (E. coli → asam laktat, asam asetat, etanol, CO2, H2), dan butanediol (Enterobacter). Produk akhir fermentasi digunakan secara industri untuk memproduksi yogurt, keju, roti, bir, anggur, dan biofuel.
Metabolisme Nitrogen
Fiksasi nitrogen, konversi N2 menjadi NH3 oleh kompleks enzim nitrogenase, dilakukan oleh Azotobacter, Rhizobium (bersimbiosis dengan kacang-kacangan), dan cyanobacteria. Nitrifikasi melibatkan oksidasi NH3 menjadi NO2- (Nitrosomonas) dan NO2- menjadi NO3- (Nitrobacter). Denitrifikasi adalah reduksi gas NO3- menjadi N2 dalam kondisi anaerobik (Pseudomonas, Paracoccus). Reduksi asimilasi nitrat mengubah NO3- menjadi NH3 untuk biosintesis asam amino dan nukleotida.
Regulasi Metabolik
Represi katabolit memastikan bahwa glukosa, sebagai sumber karbon pilihan, menekan gen untuk memetabolisme gula alternatif (misalnya operon lac pada E. coli). Penghambatan umpan balik mencegah produksi berlebih karena produk akhir jalur biosintetik menghambat enzim pertama di jalur tersebut. Sistem regulasi dua komponen (misalnya EnvZ/OmpR) mendeteksi perubahan lingkungan dan menyesuaikan ekspresi gen.
