SITOKIMIA SEE MIKROBIA (SUSUNAN FISIK, KIMIA SEL MIKROBIA DAN FUNGSINYA; SERTA SINTESIS STRUKTUR (DINDING) SEL BAKTERI) Tujuan instruksional khusus dan Kompetensi kuliah ini ialah memberi pengertian dasar untuk memahami sitologi sel mikrobia, sehingga mahasiswa setelah selesai mengikuti kuliah ini mampu menjelaskan perbedaan prinsip antara sel prokariotik dan sel eukariotik, khususnya yang berkaitan dengan fungsi dan struktur subselular, tempat replikasi kromosom, sesuai dengan referensi yang ada. Pendahuluan Struktur subselular mikrobia mempunyai peran essensial untuk kelangsungan hidup. Struktur sel mikrobia sangat jelas berbeda dan struktur sel jasad hidup tingkat tinggi setelah diamati dengan mikroskop elektron. Pada umumnya struktur sel mikrobia lebih sederhana dibandingkan dengan sel jasad tingkat tinggi, tetapi mempunyai fungsi fisiologi yang kompleks. Meskipun demikian ada sekelompok mikrobia yang mempunyai struktur sel el hampir sama dengan sel jasad tingkat tinggi, yaitu memiliki membran internal yang memisahkan komponen dan sitoplasma. Oleh karena itu mikrobia dibedakan menjadi dua tipe, yaitu mikrobia prokariotik dan eukariotik (Gambar 2.1). A
B
Gambar 2.1. Skema sel mikrobia.. A. Sel prokariotik (bakteri) memiliki membran sel menyelubungi sitoplasma yang di dalamnya terkandung kromosom dan ribosom tanpa membran internal; B. Skema sel eukariotik (diambil dan Atlas, R; 1997).
Apa arti penting mempelajari struktur sel mikrobia Sifat dan fungsi struktur subselular mikrobia sangat penting dipelajan, karena; 1. Dapat digunakan sebagai model untuk inempelajari proses yang berlangsung di dalam set, baik sel mikrobia maupun sel jasad tingkat tinggi; 2. Dapat mengetahui perbedaan proses yang terjadi pada ke dua tipe sel jasad hidup, sel prokariotik dan sel eukariotik; 3. Dengan memahami proses yang terjadi, maka mikrobia dapat dimanfaatkan untuk kepentingan tertentu. Bakteri memiliki tipe sel prokariotik, yang pada umumnya strukturnya sangat kecil dan tidak dapat dilihat dengan mikroskop cahaya. Struktur sel mikrobia dapat diamati dengan mikroskopi elektron. Spesimen untuk pengamatan mikroskopi elektron, biasanva memerlukan praperlakuan khusus terlebth dahulu. Selama pra perlakuan, berbagai teknik sering menyebabkan inaktivasi dan kerusakan komponen sel. Untuk mendapatkan spesimen yang baik, berbagai teknik khusus telah dikembangkan untuk merusak sel tanpa merusak bagian atau komponen sel di dalamnya, sehingga berbagai organella atau partikel yang lain dapat diisolosi tanpa kehilangan fungsinya. Teknik yang dipakai untuk mengisolasi beberapa struktur sel tertentu, meliputi: 1. Sentrifugasi dengan suhu rendah (refrigerated centrfugation), 2. Melalui gradien kerapatan sukrosa, 3. Pemecahan sel secara fisik atau mekanis dengan menggunakan butiran gelas atau pasir pada temperatur rendab, 4. Pemecahan set secara mekanik dengan perlakuan ultrasonik, 5. Pemecahan sel secara fisik atau mekanis dengan perlakuan tekanan tinggi, 6. Penggunaan ensim litik: lisozim, lisostafin atau glusulase. Masing-masing ensim litik mempunyai aktivitas lisis yang spesifik terhadap struktur dan sel mikrobia tertentu. • Lisosim digunakan untuk melisiskan dinding sel Micrococcus lysodeikilcus; • Lisostafin paling efektif digunakan untuk memecah sel Staphillus aureus • Glusulase telah dipakai untuk memecah sel khamir.
Perbandingan sifat struktural sel prokariotik dan eukariotik Susunan fisik dan kimia sel mikrobia Susunan fisik, kimia dan fungsi subselular; serta struktur dinding sel sangat tipikal untuk masing-masing masing sel mikrobia. Struktur sub-selular sub selular mikrobia dapat diamati dengan jelas setelah diketemukan mikroskop elektron. Komponen utama sel adalah asam deoksiribonukleat (DNA), asam ribonukleat ribonukleat (RNA), protein, lipida dan fosfolipida. Berdasarkan organisasi struktur sel, mikrobia dibagi menjadi dua tipe, mikrobia prokariotik dan eukariotik. Sel mikrobia eukariotik pada umumnya mempunyai berbagai macam komponen intraselular yang diselubungi oleh membran internal, sedangkan sel mikrobia prokanotik mempunyai struktur dan komposisi sitosol yang sederhana, tidak mempunyai organela yang diselubungi membran. DNA, ribosom dan plasmid terletak bebas di dalam sitoplasma. Struktur sel mikrobia dapat dikelompokkan dikelompokkan menjadi dua kategon, yaitu; bagian luar sel dan bagian dalam sel.
Salah satu paradigma jenis bakteri yang dipakai sebagai model untuk mempelajari fisiologi dan genetika mikrobia adalah bakteri gram negatif Escherichia coil. Bakteri tersebut memiliki struktur sel yang sangat tipikal (Gambar 2.2; Gambar 2.3).
Gambar 2.2. Set Escherichia coil dengan bagian set (diambil dan Enger & Ross, 2000)
Gambar 2.3. Diagram sd E. coil dengan bagian-bagiannya bagian (diperbesar untuk menunjukkan susunan yang ninci) (diambil dan Moat & Foster, 1995)
Perbedaan utama mikrobia prokariotik dan mikrobia eukariotik: 1. Membran internal Membran internal adalah membran yang memisahkan suatu struktur di dalam sel oplasma. Membran tersebut tidak terdapat pada sel prokariotik. Pada sel eukariotik: berbagai macam komponen intraselular (organella) yang terilat dengan membran internal Pada sel mikrobia prokariotik tidak mempunyai organela yang diselubungi membran. 2. Bentuk dan struktur dinding sd, yang sebagian besar terdiri dan makromolekul yang berupa karbohidrat. 3. Mode replikasi kromosom dan pembelahan sel (Gambar 2.4). Pada sel eukariotik: duplikasi kromosom terjadi path fase awal mitosis dan turunan duplikat tersebut diturunkan ke sel anakan. Pada sel prokanotik, duplikasi kromosom terjadi bersamaan dengan pelebaran kantong sel dan turunan kromosom memisah. Kemudian septaterbentuk dan sd terpisah menjadi dua sel anakan (Gambar 2.4).
Gambar 2.4. Skema replikasi kromosom bakteri 4. Polimer penyusun dinding sel Pada sel mikrobia eukariotik: polimer penyusun dinding sel fungi adalah khitin yang biasanya terdapat padakerangka cangkang krustasea laut Pada sel prokariotik: polimer penyusun dinding sel bakteri sangat unik dan spesifik yaitu peptidoglikan
Struktur dan fungsi subseluler mikrobia Struktur sel mikrobia meliputi bagian luar set dan bagian dalam sel. Dengan ke dua mempelajari struktur tersebut diharapkan dapat memperoleh gambaran perbedaan struktural di antara sel mikrobia dan konsekuensi fisiologinya. Permukaan sel atau lapisan permukaan sel (Kapsula) permukaan sel atau lapisan luar berfungsi: 1. Melindungi bagian dalam sel dati cekaman luar 2. Menjaga integritas aktivitas keseluruhan di dalam sel. 3. Memungkinkan berlangsungnya transpor makromolekul (karbohidrat, vitamin, asam amino, nukleotida, dan protein) dan luar masuk ke dalam set atau sebaliknya. Struktur lapisan luar yang terdiri dan bahan berlendir (gelatineous materials) yang bervariasi tergantung pada macam mikrobia. Mikrobia eukariotik memiliki lapisan seperti gelatin yang komposisinya berbedabeda tergantung pada macam atau jenisnya. Contoh : •
Protozoa path umumnya mempunyai lapisan gelatin yang terdiri dan protein disebut pelikel, sedangkan pada Protozoa amoeboid mempunyai lapisan gelatin yang tersusun dan lendir polisakarida.
•
Permukaan sel ganggang dan fungi diselubungi lapisan lendir yang disebut glikokaliks.
Lapisan permukaan sel bakteri disebut kapsula atau lapisan lendir. Kapsula tersusun oleh polisakarida, yang mempunyai berat molekul tinggi, atau polimer asam-asam amino yang disebut polipeptida. Contoh : •
Streptococcus pneumonia tipe III mempunyai kapsula potisakarida pneumokoki yang tersusun atas glukosa dan asam glukonat dengan ikatan 13-I, 3- dan 131, 4- (Gambar 2.5). Kapsula tersebut yang menyebabkan virulensi pada bakteri tersebut.
•
Bacillus anthracis memiliki kapsula polipeptida yang terdiri dan sub-unit Dglutamat. Kapsula mi merupakan faktor virulensi untuk bakteri tersebut.
Fungsi kapsula : 1. Kapsula bersama-sama dengan dinding sel dan flagela berfungsi sebagai antigenik (antigenisitas).
2. menimbulkan virutensi yang berkaitan dengan patogenisitas 3. menghasilkan lendir yang dapat menghambat fagositosis dan melindungi sel dan (proteksi dan fagositosis) 4. berkaitan dengan mekanisme motilitas. 5. Sebagai alat cadangan makanan pada lingkungan yang miskin akan nutrien. 6. Melindungi sel dan dehidrasi dan kerusakan fisik.
Gambar 2.5. Komposisi kapsula bakteri. bergabung dengan dinding sel. A. Diagram komposisi bagian luar sel bakteri gram positifdan gram negatif. B. Struktur kimia kapsula polisakarida pneumokokal Streptococcus pneumonia (dan Moat & Foster, 1995) Dinding set mikrobia Dinding sel mikrobia mempunyai fungsi 1. Sebagai benteng kokoh untuk mempertahankan bentuk sel 2. Melindungi sel terhadap pengaruh perubahan tekanan osmotik. Mikroba tanpa dinding sel pada umumnya sangat peka terhadap perubahan tekanan osmose 3. Menopang keberlangsungan suatu proses yang tergantung pada membran sel, antara lain pinositosis dan fagositosis. Perbedaan komposisi kimia dinding sel mikrobia eukariotik, bakteri dan arkhaea: sel mikrobia eukariotik: •
komposisi dinding sel ganggang dan fungi hampir sama dengan komposisi dinding sel tumbuhan, terdin dan selulosa, hemiselulosa, lignin, mannoprotein,
•
Dinding sel beberapa fungi terdiri dari khitin. komposisi dinding sel bakteni dan arkhaea tersusun oleh komponen khusus; yaitu peptidoglikan (Gambar 2.6).
Struktur, fungsi dan sintesis dinding sel bakteri Dinding sel bakteni terdiri dari peptidoglikan yang merupakan polimer linear dari N-asetilgiukosarnin (NAG) dan N-asetilmuramat (NAM) (Gambar 2.6), yang terjalin membentuk peptida berantai pendek dan menempel pada muramat. Dinding sel bakteri tersusun oleh jalinan (cross-bridging) rantai peptida. Dinding sel bakteri dapat dibedakan dengan melalui teknik pengecatan Gram (cat differensial yang ditemukan Christian Gram) menjadi 1. Bakteri gram positif memiliki dinding sel yang mampu menahan cat utama Violet kristal dan tetap tenkat kuat pada dinding sel meskipun clilunturkan dengan etanol 95%, sehingga sd bakteri berwama ungu 2. Bakteri gram negatif. memiliki dinding sel yang tidak mampu menahan cat utama violet kristal. Permukaan dinding sel gram negatif jauh lebih kompleks daripada sel gram positif (Gambar 2.6 dan Gambar 2.7). Karakteristik dinding sel bakteri gram positif 1. Hanya mempunyai dua struktur utama yaitu dinding sel dan membran sitoplasma. 2. Dinding sel tersusun dan peptidoglikan benlapis-lapis (multilayers) (Gambar 2.6). • Jalinan rantai peptida yang paling rapat (100%) terdapat pada dinding sel bakteri gram positif (Staphylococcus aureus), • Frekuensi jalinan rantai peptida yang terjarang (30%) adalah dinding sel bakteri grain negatif (Escherichia coil) 3. Komponen lain penyusun dinding sel bakteri gram positif adalah asam Iipoteikhoat atau asam teikhoat yang mengandung ribitol atau gliserol, berfungsi sebagai pengumpul ion. Senyawa tersebut disintesis pada membran sitoplasma, tumbuh mencuat keluar ke permukaan sel melalui lapisan peptidoglikan.
Gambar 2.6. Diagram struktur dinding sel bakteri (Diambil dan Tortora dkk, 2001)
Gambar 2.7. Struktur kimia ki komponen pemyusun dinding sel bakteri (diambil dan (Prescott & Prescot, 2000). Dinding sel bakteri gram negatif
1. Memiliki lapisan peptidoglikan tunggal (monolayer) (Gambar 2.8); yang terdiri dari membran luar, diselubungi oleh fosfolipida, lipopolisakarida, ensim dan lipoprotein yang hidrofobik. 2. Mempunyai protein hidrofilik tersusun oleh tiga agregat protein yang ber berada pada membran luar atau porin yang memungkinkan bahan yang hidrofilik masuk ke lapisan bagian dalam. 3. Porin berfungsi untuk menjaga integritas membran luar dan sebagai reseptor untuk bahan tertentu (maltosa dan baktenofag). 4. Memiliki periplasma yang terle terletak tak di antara membran luar dan dalam. Periplasma merupakan tempat berlangsungnya sejumlah proses fisiologi karena berisi berbagai macam larutan protein, meskipun ada yang menempel membran sitoplasma atau masuk ke dalam ruang periplasma.
Gambar 2.8. Struktur kantung sel bakteri (A) Dinding sel bakteri gram negatif dan (B) Dinding sel bakteri gram positif(diambil dan Prescot dkk., 2001). 5. Fungsi protein di dalam periplasma: sebagai ensim hidrolitik, sebagai reseptor untuk substansi tertentu sebagai perantara pemindahan substansi dan luar sd masuk melalui kantong sel.
Sintesis dinding luar sel bakteri Sintesis peptidoglikan
Peptidoglikan terdiri dan rantai panjang polisakanida yang tersusun dari monomer NAG dan NAM yang membentuk rantai pendek berselang-seling dengan 4 macam asam amino (rantai pentapeptida). Kedua gula amino tersebut saling bergabung dengan ikatan
-1,4 glukosida.
Rantai pentapeptida menempel pada gugus -NH2 dan bergabung menjadi rantai polipeptida, baik secara Iangsung mengikat rantai peptida atau melalui jembatan pentaglisin. Sintesis peptidoglikan merupakan proses bertahap (multi-step) (Gambar 2.7 dan Gambar 2.8), dikatalisis oleh sejumlah ensim dan melibatkan dua macam pembawa (carrier), yaitu baktoprenol dan Uridin difosfat (UDP). Baktoprenol adalah alkohol dengan 55- C yang menempel path -NH2 melalui gugus pirofosfat dan kemudian membawa unit rantai pendek peptidoglikan melewati membran. Langkah-Iangkah sintesis peptidoglikan
1. UDP yang merupakan derivat NAG dan NAM disintesis di dalam sitoplasma 2. Asam-asam amino berurutan ditambahkan path ujung UDP-NAM dengan Dalanin sebagai dipeptida. Pembentukan ikatan peptida mi memerlukan ATP. 3. N-Pentapeptida dipindahkan dan UDP ke baktoprenol di permukaan membran. 4. UDP-NAG ditambahkan ke NAM-pentapeptida membentuk unit peptidoglikan. Apabila sintesis peptidoglikan terjadi melalui jembatan pentaglisin, maka perlu penambahan molekul glisil-tRNA yang dibawa oleh baktoprenol melewati membran. Penambahan unit peptidoglikan selalu teijadi di ujungnya yang sedang tumbuh dan kemudian baktoprenol didaur ulang (Gambar 2.8). Pembentukan jalinan di antara rantai
peptida
disebut
transpeptidasi.
Mekanisme
transpeptidasi
tergantung padajenis bakteri. Sintesis peptidoglikan sangat peka terhadap: Penisilin yang dapat menghambat transpeptidasi Basitrasin yang dapat menghentikan daur-ulang baktoprenol.
bervariasi
Gambar 2.8. Skema sintesis peptidoglikan Sintesis dinding sel
Lapisan peptidoglikan merupakan suatu lapisan tunggal dinding sel bakteri yang dibawah kondisi tertentu 1.
Pada saat sel sedang tumbuh, struktur lapisan tersebut harus didegradasi terlebih dahulu sehingga memungkinkan tersintesis peptidoglikan baru.
2.
Degradasi peptidoglikan akibat aktivitas otolisin dan ensim lain.
3.
Otolisin mendegradasi beberapa rantai polisakarida, sedangkan ensim yang lain memotong jembatan peptida.
4.
Aktivitas otolisin dikendalikan oleh aktivitas penghambat otolisin.
Lokasi sintesis dinding sel baru bervariasi dan tergantung jenis bakteri. Pada bakteri gram positif, • berbentuk koki; ki; sintesis dinding sel terjadi path sisi pembentukan septa • berbentuk batang; sintesis dinding sel terjadi pada sisi pembentukan septa atau
sisi lain yang tersebar sepanjang bagian silindris (Gambar 2.9).
Gambar 2.9. Pola sintesis dinding del.
Perbandingan antara kantong sel gram negatif dan dinding sel gram positif
Berdasarkan struktur dan fungsinya, dinding sel gram negatif sangat berbeda dari sel gram positif (Tabel 2.1). Tabel 2.1. Perbandingan struktur dan fungsi dinding sel gram negatif dan gram positif No 1
2
3
Substansi Struktur kimia
Dinding sel Gram neg Lebih kompleks
Lisosim
Antibiotik
4
Transpor molekul dan permeabilitas selektif
5
Mekanisme penyerapan cat Gram
Lebih tahan Menghambat sintesis peptidoglikan Lebih banyak sub-struktur yang terlibat Lunturnya warna dari violet kristal menunjukkan kerusakan dinding sel yang ekstensif karena pencucian alkohol
Dinding sel Gram neg Komplek, bagian terbesar adalah peptidoglikan Mudah rusak, karena mengandung substrat yang Lebih tahan lebih banyak dan tersedia untuk ensim lisosim Lebih efektifmenghambat smtesis peptidoglikan Sedikit sub-struktur yang terlibat Menunjukkan pengaruh yang kurang ekstensif terhadap alkohol
Protoplasma dan Sferoplas
Untuk mempelajari sifat fisiologi suatu mikrobia, langkah pertama adalah merusak sel untuk menghilangkan dinding sel. Pehilangan dinding sel tersebut menghasilkan sel tanpa dinding (intact cell) yang sangat peka terhadap tekanan osmose. Struktur tersebut dibedakan menjadi: Protoplas (hampir semua dinding sel terlepas), struktur yang dihasilkan dan sel gram positif Sferoplas (tidak semua didinding sel terlepas), .struktur yang dihasilkan dan sel gram negatif Cara untuk mendapatkan struktur tersebut: 1. Protoplas lebih mudah diperoleh dengan menggunakan lisosim atau dengan antibiotika penghambat sintesis peptidoglikan, 2. Sferoplas dapat diperoleh dengan menggunakan: kombinasi lisosim (cairan liur siput dengan deterjen teknik mekanik: sonicator, French pressure cels. Apa perbedaan utama antara protoplas dan sferoflas (Tabel 2.2.)?
Tabel 2.2. Perbedaan sifat antara sel utub, Sferoplas dan Protoplas
Sifat-sifat Pembelahan sel
Sel utuh Kemungkinan berlangsung
Regenerasi dinding
Kemungkinan terjadi
Penempelan fag
Mungkin terjadi
Maturasi fag Induksi spora
Mungkin terjadi Kemungkinan terjadi
Sintesis protein Replikasi DNA Transport & Permeabilitas selektif
Berlangsung Berlangsung Berlangsung
Sferoplas Protoplas Berlangsung sebagian Terbatas atau tidak sama sekali. Kalau terjadi tidak akan terbentuk sel normal Berlangsung sebagian Tidak mungkin terjadi Kadang-kadang Tidak mungkin terjadi terjadi Mungkin terjadi Mungkin terjadi Kadang-kadang Tidak mungkin terjadi terjadi Berlangsung Berlangsung Berlangsung Berlangsung Berlangsung Berlangsung
Pili
Pili adalah struktur seperti rambut halus, tunggal, disebut pula fimbria, biasanya tumbuh di permukaan sel prokariotik. Pili dibedakan menjadi dua tipe, yaitu pili adhesi dan pili konjugatif (Gambar 2.10). 1. Pili adhesi (adhesion pill): tersusun oleh protein tunggal yang disebut pilin (17.000 dalton mol). berfungsi yang berkaitan dengan patogenitas bakteri terlibat di dalam proses penempelan bakten pada permukaan dinding mukosa sehingga memungkinkan bakteri tersebut melakukan infeksi. 2. Pili Konjugasi (conjugation pill). terdiri dan fosfoglikoprotein berfungsi sebagai alat untuk memindahkan informasi genetik cli antara antara sel bakteri.
Gambar 2.10. Pill pada Proteus mirabilis dan Escherichia coli A. Pili yang multilateral (fimbriae) dan Proteus mirabilis; B. dan C Sel Escherichia coli dengan pii konjugatif(C) dan flagella (dan Moat & Foster, 1995) Flagela dan Silia
Hampir sebagian besar mikrobia, baik prokariotik maupun mikrobia eukariotik menunjukkan fenomena gerakan. Arti penting gerakan atau motilitas sel mikrobia: memungkinkan sel leluasa bergerak dan sam tempat ke tempat lain untuk mendapatkan nutnien, bereproduksi, atau Ian dan cekaman lingkungan. Pada mikrobia eukariotik seperti protozoa khususnya Amoeba, struktur utama dalam gerakan adalah sito skeleton. Amoeba bergerak dimulai dimulai dengan gerakan mikrotubuli yang menyebabkan pelebaran sitoplasma dan membentuk kaki palsu atau pseudopodia. Prokariota khususnya bakteri biasanya melakukan gerakan dengan menggunakan flagela atau silia. Flagela bakteni merupakan struktur rambut halus yang relatif panjang, keluar dan membran sitoplasma ke permukaan sel, (Gambar 2.11 dan Gambar 2.12.). Berdasarkan letaknya, flagela bakteni dibedakan menjadi; 1. flagela polar, tumbuh di ujung sel, contoh pada Vibrio, Pseudomonas; 2. flagela peritrik tumbuh di seluruh permukaan sel, misal path Proteus (Gambar 2.11).
Gambar 2.11. terakan Flagela. Hubungan rotasi flagela dan gerakan bakteri
Gambar 2.12. Mikrografflagela Salmonella typhimurium (30.000 x) dan Struktur flagelum bakten Gram negatif (Atlas, 19%) L. Cincin pengait lipopolisakarida, P: cincin pengait peptidoglikan, S: cincin pengait periplasmik, M: cincin pengait membran sitoplasma Struktur flagela bakteri Merupakan struktur nonfleksibel, yang terdiri dan filamen tunggal tunggal tersusun oleh sub-unit protein disebut flagelin. Filamen tersebut menempel pada sel melalui pengait dan basal body. Basal body mempunyai cincin yang menempel pada membran sitoplasma.
Bakteri tidak selalu mensintesis flagela tergantung pada kondisi lingkungan. Flagella disintesis meliputi langkah sebagai berikut: 1. Diawali dengan sintesis basal body, 2. Diikuti pembentukan pengait dan kemudian filamen. 3. Penyusun filamen disintesis di dalam ribosom sitoplasma, kemudian pindah ke buluh filamen dan menempel pada p ujung filamen. Sintesis flagela bakteri gram negatif melibatkan proses yang kompleks: Pembentukan flagela diawali dengan masuknya cincin M dan S ke dalam membran sitoplasma, Penempelan buluh atau pipa membentuk bangunan seperti topi. Kemudian baru terbentuk entuk cincin pengait peptidoglikan dan liposakarida (Gambar 2.13)
Gambar 2.13. Pertumbuhan flagela bakterl Gram negatif (Brock & Madigan, 2000) Kemotaksis Bakteri pada umumnya bergerak dengan menggerakkan flagela searah jarum jam. Berdasarkan arah gerakan, ada dua tipe yaitu: gerakan maju (gerakan positif) kearah stimuli lingkungan gerakan menjauhi (gerakan negatif) stimuli tersebut. Stimuli lingkungan yang menimbulkan gerakan terdiri dari Cahaya (fototaksis), Medan magnit (magnetiotaksis), Bahan organik (kemotaksis) dan Oksigen (aerotaksis). Hampir sebagian besar mikrobia bergerak mengikuti stimulus senyawa kimia atau kemotaksis. Kemotaksis merupakan gerakan yang melibatkan protein khusus yang disebut Metil-Protein kemotaktik (MCP). Karakteristik dan fungsi MCP bervariasi tergantung pada jenis mikrobia. Misal: Escherichia coil mempunyai 4 macam MCP yaitu: 1.
Protein I diproduksi oleh gen tsr (serin dan rotasi),
2.
Protein II merupakan produk dan gen tar (arginin dan rotasi),
3.
Protein III adalah produk dan gen trg (ribosa dan galaktosa), dan
4.
Protein IV disintesis oleh gen tap (peptida atau dipeptida).
Bentuk gerakan lain yang terjadi path bakteri: Gerakan merayap (swarming) merupakan salah satu karakteristik bakteri tertentu, antara lain Proteus dun Vibrio parahaemolyticus.
Vibrio parahaemoiyticus memodifikasi flagelanya dibawah kendali gen laf untuk
menyesuaikan din dengan lingkungan terhadap viskositas •
Pada medium liquid biasanya membentuk flagela polar,
•
tetapi pada media liquid dengan viskositas tinggi, bakteri tersebut membentuk flagela lateral.
Gerakan meluncur dipermukaan media pada umumnya terjadi erat kaitannya dengan produksi lendir. Gerakan gliding adalah erat kaitannya dengan tegangan muka medium liquid. Myxococcus xanthus dapat melakukan gerakan meluncur baik secara individu maupun
dalam bentuk berkelompok. Membran sel
Membran sitoplasma merupakan struktur yang sangat kritikal. Pada umumnya membran sitoplasma bakteri gram positif dan bakteri gram negatif,: dilapisi oleh lapisan lipida yang terdiri dan dua lapis (bilayers), bersifat semi permeabel dan berperan sebagai pelindung sitoplasma dan lingkungan. tersusun atas fosfolipida, glikolipith dan berbagai protein protein menentukan ketebalan dan kadangkala berfungsi pendukung membran. Protein lain berfungsi di dalam transpor gula, asam amino dan metabolit lain. Struktur dan komposisi kimia membran sitoplasma bervariasi tergantung pada macam mikrobia (bakteri, arkhaea dan mikrobia eukariotik) (Tabel 2.3; Gambar 2.14). Tabel 2.2. Perbandmgan membran sitoplasma bakteri, arkhaea dan sel eukariotik Karakteristik
Bakteri
Arkhaea
Sel eukarotik
Kandungan protein
Tinggi
Tinggi
Rendah
Komposisi lemak
Fosfolipida
Sulfolipida, glikolipida, lipida isoprenoid nonpolar, fosfolipida
Fosfolipida
Struktur lipida Ikatan lipida Sterol
Rantai lurus Ikatan ester Tidak ada
Bercabang Diether & tetraether Tidak ada
Rantai lurus Ikatan ester ada
Gambar 2.14. Membran sitoplasma bakteri Pada membran luar sel gram negatif •
•
mengandung relatif tinggi lipida sebagai lipopolisakarida: -
merupakan ciii khas dan bakteri gram negatif
-
menghasilkan antigen 0 dan rantai polisakarida ekstemalnya
-
komponen lipida menunjukkan aktivitas endotoksin
mengandung karbohidrat dan protein spesifik sebagai reseptor; tempat bakteriofag menempel.
•
Memiliki pori-pori yang terbuat dan triplet protein (Gambar 2.14)
Pada membran luar sel gram positif: • Memiliki akses langsung ke komponen medium
Pada luar sel arkhaea • Tidak mempunyai fosfolipida dan bersifat lapisan tunggal (monolayers),
meskipun ada yang nampak analog dengan berlapis ganda, tetapi strukturnya hanya terdiri dari lipida dieter gliserol • Lipidanya bercabang-cabang dan mengikat gliserol dengan bentuk ikatan ether.
Percabangan lipida memngkatkan fluiditas membran • Molekul gIiserol penyusun membran tidak mempunyai gugus fosfat • Keanekaragaman membran sitoplasma inenunjukkan lokasi yang beragam
dimana mereka hidup. Contoh Sulfolobus (arkhaea yang hidup pada teinperatur 90º C dan pH 2) mempunyai membran sitoplasma yang terdiri dan rantai panjang hidnokarbon bercabang-cabang(2 kali panjang rantai asam lemak padamembmn sitoplasma bakteri)
Pada membran luar sel eukariotik: •
Struktur dasar membran sitoplasmanya identi dengan bakteii.
•
Lipidanya terdiri dan sterol (25%), yang berfungsi untuk pengadaan antibiotik, terutama antibiotika polyene yang dapat merusak membran siloplasma fungi
Peran dan fungsi membran sitoplasma
Sebagai pembatas isi set dengan lingkungan luar sel bersifat permeabilitas selektif: terhadap molekul yang masuk ke dalam sel transpor molekul ke dalam sel meliputi dua pemiasalab fisiologi, yaitu: 1. Bagaimana bahan hidrofobik/ hidrofihik dapat masuk melelui lapisan hidrofobik? 2. Faktor apa yang menentukan ukuran limit rnoiekul sehingga dapat terbawa masuk? Kedua masalah tersebut tergantung pada struktur membran sitoplasma, dengan alasan: 1. Komponen membran berperan sebagai pori-pon dan saringan 2. Membentuk mosaik: membran berupa cairan yang memungkinkan komponen membran dapat bergerak. Komponennya terdin dari lipoprotein lapis ganda membentuk saluran protein yang hidrofilik yang memungkinkan substansi hidrofilik dapat melewati lapisan hidrofobik 3. Terdiri dan kombinasi kimia yang reversibel 4. Kemampuan permease 5. Reorientasi moIekular. Membran sitoplasma mempunyai peran penting di dalam fungsi sel (Gambar 2.15). Struktur membran sitoplasma tersebut memungkinkan berbagai macam proses transpor dari difusi sederhana sampai transpor aktif.
Gambar 215. Fungsi utama membran sitoplasma Keberadaan membran internal di dalam sitoplasma mikrobia sering nampak dengan munculnya struktur tertentu (organella): Pada prokariota: •
organella sangat kecil dan terbungkus oleh membran tunggal.
•
Ada ernpat macam organella:
-
mesosom: area hasil invaginasi membran sitoplasma yang berperan didalam pembentukan sepia, transpor elektron, fotosinlesis, pembentukan diding sel, replikasi DNA, dan sporulasi
-
Vakuola: banyak terdapat di dalam sel bakteri laut, berfungsi untuk dapat mengapung
-
Vesikula untuk fotosintetik: banyak terdapat pada Chlorobium (fotosintesis Ierjadi di dalam kromotofor); bakteri ototrofik lain memiliki karboksisom yang berisi I ,5 -bifosfat karboksilase.
-
Granula eadangan makanan: rnenyimpan polibetahidroksibutirat atau volutin
Pada mikrobia eukariotik: •
organella terbungkus oleh membran tunggal:
-
fagosom lerlibat dalam fagositosis
-
pinosom: penyerapan air dan substansi terlarut
-
lisosom: mengandung ensim hidrolitik
-
granula cadangan makanan: pada sel alga berisi karbohidrat (laminarin, krisolaminarin dan paramilon)
•
organella terbungkus mernbran ganda: Mitokondria dan kloroplas, aparatus
golgi, retikulum endoplasmik, ribosom Ribosom
Ribosom adalah partikel kecil yang mengandung asam ribonukleat (65%) dan protein (35%) di dalam sitoplasma. Ribosom berperan di dalam polimerisasi asam menjadi protein. Berdasarkan pengamatan mikroskopi elektron, partikel ribosom berbentuk bulat dan membentuk suatu rantai molekul RNA mesenger (mRNA) yang disebut polisom atau poliribosom (3ambar 2.3). Ribosom bakteri: •
terdiri dan dua komponen dengan berat molekul 508 dan 30S.
•
kedua partikel tersebut bergabung menjadi partikel 75S path saat ribosom berfungsi di dalam sintesis protein
Ribosom sel enkariolik: •
lebih besar dan terdiri dari dua komponen 60S dan 408.
•
pada saat ribosom berfungsi di dalam sintesis protein, kedaanya bergabung menjadi 80S
•
berasosiasi dengan retikulum endoplasmik
Fungsi ribosom pada kedua tipe mikrobia adalah sama, yaitu: 1. mengikat molekul mRNA 2. mengenali molekul tRNA-asam amino 3. merangkai asam amino melaui ikatan peptida membentuk protein Bahan genetik Bahan genetik mikrohbia tersimpan di dalam suatu molekul yang disebut Asam deoksiribo-nukleotida(DNA). DNA terpilin menjadi kromosom. Pada prokariota •
DNA berbentuk sirkular, beberapa bakteri mempunyai DNA kramosom yang linear, panjang. Kromosom bakteri terpilin ganda membentuk agregat disebut nukleoid (molekul tidak diselubungi oleh membran).
•
Nukleoid terletak bebas di dalam sitoplasma
Eserichia coli memiliki DNA 4600 kilobase •
fungsi DNAnya ekuivalen dengan bahan genetik jasad tingkat tinggi
•
memiliki Plasmid -
molekul DNA non genornik, berbentuk sirkular
-
menentukan sifat tahan terhadap obat dan mampu menggunakan sumber C dan N lertentu
-
berperan di dalam proses konjugasi,
-
sering dipakai sebagai alat penelitian replikasi DNA, penelitian rekayasa genetika dan bioteknologi, karena dengan memanipulasi plasmid memungkinkarn produksi protein nonmikrobia di dalam sistem mikrobia.
Pada mikrobia eukariotik •
DNA diselubungi oleh inembran lapis ganda membentuk struktur inti
•
Nukleus sangat kompleks berisi banyak kromosom dan bentuk DNA linear
Spora
Berbagai macam spora terdapat pada mikrobia prokariolik maupun eukariotik, meskipun implikasi proses sporulasinya berbeda: b Sporulasi pada mikrobia prokariotik: •
bukan merupakan mekanisrne reproduktif tetapi suatu mekanisme untuk bertahan hidup pada kondisi tertentu (panas, desikasi dan toksik)
•
diawali dengan pembentukan membran yang menyelubungi menyelubungi genom spora dan sintesis berbagai lapisan karbohidrat dan protein yang tebal, sehingga memungkinkan endospora resistan terhadap cekaman lingkungan.
•
Menghasilkan hanya spora atau endospora aseksual
•
Merupakan proses diferensiasi, karena endospora berasal dan komponen sel vegetatif tunggal dan komponennya disintesis dan bahan di luar sel.
•
Mungkin terjadi di dalam akudes, disebut sporulasi endotrofik
Sporulasi pada mikrobia eukanotik: •
Sporulasi merupakan mekanisme reproduktif sehingga jasad baru
•
Spora terdiri dan spora aseksual dan seksual
•
Sporulasi melibatkan pembentukan dinding silang (tunas atau budding).
Endospora pada sel gram positif menyebabkan sel sangat resistan terhadap perubahan Iingkungan. Pembentukan spora (Gambar 2.15) berlangsung di dalam sel yang mengalami dehidrasi, membentuk mantel spora yang mengandung makromolekul dan senyawa tertentu, seperti Ca-dipikolinat Ca dipikolinat dan protein terlarut dalam asam (SASP) Fungsi SASP adalah: 1. mengikat DNA sangat kuat di bagian tengah, dan melindungi dan kerusakan akibat penyinaran sinar ultra a violet, kekeringan, dan panas yang menyengat 2. sebagai sumber C dan tenaga untuk tumbuh (germinasi).
Gambar 2.16. Pembentukan endospora bakteri (Tortora dkk, 2001) Ringkasan
Mikrobia mempunyai struktur yang mempunyai fungsi esensial untuk hidup, meskipin untuk masing-masing mikrobi sangat berbeda. Dengan memahami sifat dan struktur subselular mikrobia yang beranekaragam, dapat dimengerti pula sifat tentang jasad hidup. Mikrobia dapat dipakai sebagai model untuk memahami hampir semua proses yang kritikal, karena mikrobia menunjukkan semua tipe sel (mikrobia prokariotik dan eukariotik), struktur dan fungsi yang ada di alam. Berdasarkan perbedaan struktur dan fungsi selular yang nyata, maka sel hidup dibagi menjadi dua kelompok; prokariotik dan eukariotik. Sel prokariotik relatif kecil, morfologi sel sangat sedethana, dan tidak mempunyai membran internal yang memisahkan struktur subselular dan sitoplasma. Keadaan tersebut merefleksikan proses metabolik yang kompleks. Membran sitoplasma sel prokariutik memegang peran dan fungsi penting. Untuk sel eukariotik telah diketemukan adanya organella yang dipisahkan dan sitoplasma dengan adanya membran internal khusus baik tunggal maupun ganda. Disamping adanya perbedaan di antara struktur sel prokariotik dan sel eukaniotik, proses hidup yang terjadi pada kedua tipe sel tersebut pada dasarnya identik. Selain itu ada beberapa analogi sifat dan struktur subselular pada kedua tipe sel tersebut, antara lain alat gerak, genom, nibosom, membran, sitoplasma, organella tertentu, spora dan struktur lainnya. Struktur sel mempunyai berbagai macam implikasi fisiologi. Latihan pertanyaan
1.
Sebutkan ciri-ciri dasar sel?
2.
Gambar struktur dasar lapisan Lemak bi-Layer pada membran sitoplasma!
3.
Sebutkan perbedaan struktur dan fungsi utama membran sitoplasma bakteri, arkhaea dan mikrobia eukariotik!
4.
Mengapa peptidoglikan merupakan makromolekul yang kuat?
5.
Sebutkan persamaan antara pseudopeptidoglikan dengan peptidoglikan!
6.
Bagaimana anda mendapatkan protoplas ? Apa perbedaan antara sferoplas dan protoplas?
7.
Komponen-komponen apa saja yang menyusnn lipopolisakarda? Lapisan lersebut terdapat dimana?
8.
Apakah fungsi porin dan dimana letaknya pada didinding sel gram negatif?
9.
Apa yang dirnaksud tiengan transpeptidasi dan mengapa proses tersebut penting artinya?
10. Apakah kromosom prokariota ? Berapa banyak mikrobia mempunyai krornosom? 11. Sebutkan perbedaan antara flagela polar dan flagela peritrikh ! Dan bagaimana bakteri bergetak dengan flagela polarnya? 12. Apa yang dimaksud dengan kemotaksis? 13. Apakah asam dipikolinat ? dan dimana senyawa tersebut terdapat? 14. Apa SASP ? dan apa fungsinya? Daftar Pustaka
Atlas, RM., 1997. Principles of Microbiology. WCB. Wm.C. Brown Publisher. USA Brock, TD, and Madigan, M. T., 2000. Biology of Microorgamsms. Prentice Hall. USA. Caidwel DR., 1995. Microbial Physiology. Westland Co. USA. Dawes J. and Sutherland JW, 1992. Microbial Phyisiology. Cambridge Thiv. Press, UK. Moat, A.G., and Foster, J.M., 2001. Microbial Physiology. Third edition. Willey-Liss. A. John Wiley & Sons, Inc Publication. New York, Chichester. Tortora, GJ., Furike BR.,and Case CL., 2001. Microbiology. An Introduction. Benjamin Cummings. N Imprint Addison Wesley Longman Ltd.
