Sel & interaksinya dengan mineral Oleh: Siti K. Chaerun
Eucarya
Molecular Phylogeny
No protein coat No DNA or RNA
Di alam semesta ini ada 3 domain makluk hidup berdasarkan filogenetika molekuler (dari gen rRNA) yaitu: Bacteria, Archaea dan Eucarya
Level Taksonomi (Klasifikasi, Identifikasi dan nomenklatur) • • • • • • •
PROKARIOT Domain: Bacteria Phylum: Firmicutes Class: Bacilli Order: Bacillales Family: Bacillaceae Genus: Bacillus Species: B. subtilis
EUKARIOT • • • • • • • • •
Domain: Eucarya Kingdom: Fungi Phylum: Ascomycota Subphylum: Pezizomycotina Class: Eurotiomycetes Order: Eurotiales Family: Trichocomacease Genus: Aspergillus Species: A. niger
Prokaryotic vs. Eukaryotic Cells
Makluk hidup di alam semesta dibagi 2 kelompok/grup berdasarkan struktur sel
Cellular Structures of Bacterial Cells
S-layer : penentu bentuk sel & pendukung struktur
Plasmids
plasmid – extra-chromosomal DNA
Structure of a prokaryotic cell
Gram + vs. Gram – Cell Walls
A: A TEM image of a Bacillus subtilis cell wall B: Representation of the overall structure of a Gram-positive bacterium
A: A TEM image of a Synechococcus PCC7942 cell wall B: Representation of the overall structure of a Gram-negative bacterium
Structure of a fungal cell wall
The main organic components comprising algal and fungal walls
Structure of a typical algal cell
A general comparison of prokaryotic and eukaryotic cells and viruses
Overall macromolecular composition of an average E. Coli B/r cell
and (2) capsule
TEM image of a capsule surrounding Rhizobium trifolii
= regularly structured array
S-layer: terdiri dari protein dan glycoprotein dengan BM 24,000~150,000 dan mempunyai asam amino lengkap kecuali cysteine dan methionine kandungannya sangat sedikit.
TEM image of the cyanobacterium Synechococcus strain GL24 showing the S-layer as its outmost surface layer.
S-layer
PM: Plasma membrane; S: S-layer; PG: Periplasmic Gel OM: Outer Membrane; CW: Cell Wall
Bacteria •
• • •
•
Lipid nya mengandung fatty acid yang terhubung dengan glycerol dg “ester bond”. Lipid nya pada umumnya adalah bilayer. Ada yang “lack of wall” yaitu genus Mycoplasma Kebanyakan cell wall nya mengandung peptidoglycan YANG tersusun dari muramic acid. Bisa juga punya S-layer, tapi S-layer ini bukan sbg struktur cell wall satusatunya.
Archaea •
• • •
•
•
Lipid nya mengandung “isoprenoid side chains” yang terhubung dengan glycerol dg “ether bond”. Lipid nya bbrp adalah monolayer yang mengandung glycerol tetraethers. Ada yang “lack of wall” yaitu genus Thermoplasma. Sebagian kecil cell wall nya mengandung peptidoglycan YANG TIDAK tersusun dari muramic acid, dimana polimer peptidoglycannya berbeda dari polimer peptidoglycan bakteri. Punya S-layer sbg pengganti peptidoglycan dan S-layer ini dapat sbg struktur cell wall satu-satunya. S-layer adalah monolayer yg merupakan protein tunggal yg berfungsi sbg shape dan integritas struktur sel.
Structure of peptidoglycan in the cell wall Made of starch (polysaccharide in long chains) crosslinked with small piece of protein (peptide)
M = N acetyl muramic acid (hexose monosaccharide) G = N acetyl glucose amine -Both are relatives of glucose.
Cell membrane of prokaryotic cell -same structure as eukaryotic cells. -three main components: 1) bilayer of phospholipid 2) proteins 3) carbohydrates (CHO) -attached to the protein or the lipid as: a] glycoproteins - membrane proteins with short pieces of CHO attached b] glycolipids - phospholipids with short pieces of CHO attached
Phospholipids - Membrane molecules
Cell Membrane From Black 2002
Chromosome -single circular double stranded DNA (dsDNA)
Plasmids -extrachromosomal genes -used by bacteria to transfer antibiotic resistance, etc. and also for genetic engineering (genes of other organisms can be spliced into a plasmid and returned to the bacteria.)
Lysed E. coli to release chromosome
mesosomes -infolding of cell membrane -adds volume to the membrane. -chromosome is usually attached at one point to a mesosome.
enlarge
mesosome
•
•
•
Representation of the electrical double layer, with anions and cations surrounding the cell surface
Karena mikroba sangat kecil maka mikroba mempunyai “viscous force” yang hanya dapat bergerak di sekitar “a thin film of bound water molecules” sepanjang waktu. Dg selalu mempunyai “a watery shell” maka mikroba sangat tergantung pada proses difusi dalam mengekstrak larutan essensial dari lingkungan sekitarnya dan dalam membuang/melepaskan buangan metabolismenya. Dg fenomena diatas, maka kebutuhan utama suatu sel adalah harus mempertahankan “a reactive hydrophilic interface” yaitu dengan cara mempunyai “outer surface” yang mempunyai “anionic organic ligands” dan “high surface area:volume ratios” yg menyebabkan area kontak pertukaran kimianya sangat luas.
Summary of the various toxic influences of metals on the microbial cell demonstrating the ubiquity of metal toxicity. Metal toxicity generally inhibits cell division and metabolisms. As a result of this ubiquity, microorganisms have to develop “global” mechanisms of resistance that protect the entire cell from metal toxicity.
In response to metal toxicity, many microorganisms have developed unique mechanisms to resist and detoxify harmful metals. These mechanisms of resistance may be intracellular or extracellular and may be specific to a particular metal, or a general mechanisms able to interact with a variety of metals.
Some of the many ways in which natural microbial activity can be used in bioremediation of toxic metals and radionuclides
Prokariot • Tidak ada membran internal yang memisahkan materi inti dan mesin enzim untuk respirasi dan fotosintesis. • Ribosom bakteri melekat pada mRNAs dimana mRNAs sendiri masih terhubung dengan DNA • Reproduksinya melalui pembelahan inti (dan bukan dg mitosis). • Terdapat peptidoglycan pada dinding selnya. • Mempunyai diversitas yang besar yang sama diversitasnya dengan protista (yaitu selain animal, fungi dan tumbuhan) pada eukariot. • Mempunyai model kelompok evolusi yang sejajar dengan model kelompok evolusi yang dimiliki eukariot.
Prokariot • Perbedaan prokariot dan eukariot berdasarkan pada perbedaan sel nya (dan bukan pada hubungan filogenetika antara keduanya). Zaman sekarang perbedaan sel prokariot dan eukariot dibuktikan juga dengan data molekuler. • Prokariot mendominasi kehidupan pada awal terbentuknya bumi selama 1 milyar tahun sebelum muncul eukariot. • Zaman sekarang, biomasa prokariot sebanding dengan biomasa eukariot. • Prokariot juga sangat beranekaragam yang terbagi dalam 2 domain (Bacteria dan Archaea) dengan kemampuan fisiologi dan metabolik yang beranekaragam pula.
Sel prokariot • Organisasi sel prokariot sangat fundamental bagi proses biokimia dan fisiologi sel tsb. • Tidak ada membran inti sehingga transkripsi dan translasi terjadi bergandengan/berangkai. • Karena DNA tidak terpisah dari Inti, maka dimungkinkan juga untuk meregulasi transkripsi dengan represor dan activator yang mengikat metabolit. Dalam hal ini, regulasi transkripsi dapat berpasangan dengan metabolisme. • Sel prokariot biasanya lebih kecil dari sel eukariot. Tetapi ada beberapa perkecualian yaitu bakteri pengoksidasi sulfur (i.e., genus Thiomargarita yang mempunyai diameter 750 um=0.75 mm). Ini bakteri terbesar yang ditemukan sampai saat ini dan ukuran ini melebihi ukuran protista (= merupakan kingdom, dan sudah tidak dipakai lagi dalam klasifikasi). • Marine eukariot (i.e., picoalgae) mempunyai diameter sel yang hampir sama dengan prokariot (i.e.,1-2 um).
Sel Prokariot • Ukuran sel juga merupakan karakteristik penting dalam membedakan prokariot dan eukariot. Ukuran sel membuat sel mempunyai rasio “surface/volume”, dimana rasio ini akan membatasi laju dan jenis uptake nutrien oleh sel serta menyebabkan difusi molekul (dg ukuran kecil) dan protein dengan cepat pada seluruh sel yang selanjutnya menyediakan sebuah mekanisme utk metabolisme dan regulasi secara berpasangan. • Membran sitoplasma prokariot mempunyai multi-fungsi. Gaya pergerakan proton pada membran sitoplasma nya dihasilkan dari respirasi, fotosintesis, ATP hidrolisis untuk memperdayakan proses seluler kunci/penting (e.g., Biosintesis ATP, reduksi NAD+ oleh reverse electron transport, nutrient uptake, motilitas dan sekresi). Prokariot menggunakan transporter (pengangkut) membran pada permukaan sel nya untuk asimilasi nutrien yang terlarut di lingkungan nya.
Evolusi prokariot • Bukti fosil dan data geokimia menunjukkan bahwa kehidupan di bumi sudah dimulai sejak 3.5 milyar tahun yg lalu (tyl) • Bukti juga menunjukkan bahwa kehidupan prokariot yang melimpah muncul sejak 2.5 milyar tyl. Bukti ini meliputi mikrofossil, stromatolite, fossilized microbial mats, dan tanda-tanda proses biologi dalam “geochemical record” (e.g., penurunan karbonat anorganik dan peningkatan deposit carbon organik komplek). Demikian juga pada saat itu, bumi mengalami oksigenasi, hal ini memungkinkan bahwa bakteri yang menghasilkan O2 telah berkembang pesat.
Evolusi prokariot • Data molekuler berdasarkan pada rRNA dan gen pengkode protein menduga bahwa domain Archaea dan Bacteria telah menunjukkan perbedaan (percabangan pada pohon filogenetika) sejak 2.5 milyar tyl. • Prokariot penyusun lebih dari 1 garis keturunan filogenetika utama. • Diversitas prokariot sebanding dengan diversitas eukariot (yang dibuktikan dengan bermacam-macam metabolisme fotosintesis dan kemotrofik.
Eukariot • Pada eukariot, proses metabolisme utama terjadi di mitokondria, chloroplast dan sitoplasma dan proses metabolisme ini terpisah dari transkripsi yang terjadi di inti sel. • Eukariot mengambil materi partikulat dengan cara phagocytosis (ini tidak terjadi pada prokariot). • Pada cytosol eukariot, ribosom pada umumnya berasosiasi dengan cytoskeleton atau dengan membran endoplasmic reticulum.
