Mikrobiologi

Asal-Usul Mitokondria dan Kloroplas

Salam I.M.A.J.I.N.A.S.I!!!!Berdasarkan catatan fosil menunjukan bahwa sel eukariotik menelan sel prokariotik lebih dari 2 miliyar tahun yang lalu. Pertanyaannya bagaimana hal ini bisa terjadi???terkhusus bagaimana organela bermembran dalam sel eukariotik dapat muncul. Terdapat dua teori yang dapat menjelaskan kejadian ini, yaitu (skema 1):

  1. Pelipatan membrane kedalam (Infolding) : system endomembran sel eukariotik (semua organela yang dibungkus dengan membrann kecuali mitokondria dan kloroplas) terjadi melalui pelipatan kedalam dari plasma membrane sel prokariotik. Ini menujukkan bagaimana terbentuknya pembungkus inti dan retikulum endoplasma (ER) yang mungkin terbentuk melalui mekanisme infolding. Sedangkan Aparatus golgi dan bagian lainnya pada system endomembran terbentuk dari ER.
  2. Proses kedua yang disebut endosymbiosis: Melalui proses inilah yang menjelaskan bagaimana terbentuknya mitokondria dan kloroplas. Simbiosis merupakan asosiasi tertutup antara organisme dari dua spesies atau lebih (kata yunani yang berarti hidup bersama dan endosymbiosis dimaksudkan satu spesies sebagai indosimbion yang hidup didalam organisme hidup lainnya (disebut inang)). Kloroplas dan mitokondria merupakan prokariotik yang menyamankan diri hidup didalam prokariotik lainnya yang lebih besar. Dulunya mitokondria merupakan prokariotik heterotrofik yang mampu menggunakan oksigen dan melepaskan sejumlah besar energy dalam bentuk molekul organik melalui respirasi seluler. Sel inang kemungkinan muncul ketika menelan beberapa sel aerobik ini dan membungkusnya kedalam vakuola makanannya. Beberapa sel aerobik ini bertahan hidup dan dapat melakukan respirasi didalam inang. Mekanisme pun sama dengan kloroplas yang dulunya merupakan prokariotik fotosintetik yang dapat hidup didalam sel inang prokariotik yang lebih besar lainya. Karena semua eukariotik memiliki mitokondria tetapi juga beberapa memiliki kloroplas, namun para saintis berpandangan mitokondrialah yang lebih dulu masuk (nah, kenapa?).

Asal-Usul Eukariotik

Skema 1: Asal-usul sel Eukariotik

Tidak sulit untuk berimajinasi, bagaimana simbiosis antara sel aerobik atau fotosintetik yang tertelan dan sel inang yang lebih besar menjadi hubungan yang saling menguntungkan bagi kedua pihak. Sel yang tertelan ini dapat tumbuh besar tergantung dari sel inang untuk kebutuhan molekul dan ion anorganik yang berfungsi untuk aktivitas biokimia. Sel inang dapat meningkatkan produksi ATP dan organik molekul dari sel yang tertelan tadi. Kedua sel akhirnya menjadi saling ketergantungan membentuk satu sel yang baru (tak terpisahkan).

Model endosymbiosis ini menjadi kuat setelah dibuktikan oleh Lynn Margulis dari University of Massachusetts. Selain itu, mitokondria dan kloroplas menunjukkan kesamaan dengan sel prokariotik dalam beberapa sifat. Kedua organela ini mengandung sejumlah kecil DNA, RNA, dan ribosom yang kesemuanya merupakan karakter prokariotik daripada sel eukariotik. Kloroplas dan mitokondria mentranscribe dan mentranslate DNAnya menjadi polipeptida (enzimnya sendiri). Selain itu juga melakukan replikasi DNAnya sendiri dan reproduksi melalui proses yang sama dengan pembelahan biner prokariotik.

Endosimbiosis dapat menjelaskan bagaimana kloroplas dan mitokondria terlapisis dua membrane. Membrane dalam terbentuk dari plasma membrane prokariotik yang tertelan dan membrane luar terbentuk melalui mekanisme infolding plasma membrane sel inang. Buktinya, membrane dalam mitokondria dan kloroplas memiliki beberapa enzim dan molekul transport electron yang cocok dengan yang ditemukan pada plasma membrane prokariotik modern saat ini.

Nah, bagaimana sistematika molecular dapat menjelaskan kita tentang asal-usul sel eukariotik? Berdasarkan perbandingan gen RNA menunjukkan bahwa alpha proteobakteria berhubungan dekat dengan mitokondria dan cyanobacteria berhubungan dekat dengan kloroplas. Selain itu beberapa ilmuwan melaporkan bahwa nukelus merupakan arcahea endosimbiont. Genom sel eukariotik menunjukkan hasil transfer gen horizontal antara beragam bakteri dan archaea dalam garis keturunan. Berdasarkan istilah dalam mikrobiologi” kamu adalah apa yang kamu makan” hipotesis. Menjelaskan bahwa eukariotik mengkonsumsi beragam bakteri dan archaea, terkadang memasukan gen2 mereka kedalam gennya sendiri di dalam nucleus.

Fosil tertua dari eukariotik ditemukan 2.1 miliar setelah kemunculan prokariotik sudah cukup kuat mebuktikan asal-usul mitokondria dan kloroplas. Keturunan langsung eukariotik yang sekarang dikenal dengan Protista saat ini.,,,.Wahju S. Hidayat/ EnTech Indonesia

Surakarta, 04 Februari 2014

Kenapa disebut Fosforilasi Oksidatif?

Salam I.M.A.J.I.N.A.S.I!!! di imajinasi, seharusnya manusia bisa meledak gara2 akumulasi hydrogen, tenang ini gak akan terjadi, lho og bisa??? Berikut penjelasannya, habis itu renungkan pernyataan saya diatas. Begini, Tahap terakhir dari respirasi selular adalah fosforilasi oksidatif, dimana terjadi proses rantai transport electron dan kemiosmosis. Fosforilasi oksidatif dapat digambarkan sebagai penyusunan pembawa electron yang ditempatkan pada membrane sehingga memungkinkan mitokondria memanfaatkan energy kimia yang dilepaskan oleh reaksi redok untuk membentuk gradient H+ dan selanjutnya menggunakan energy yang tersimpan dalam gradient tersebut untuk menggerakkan sintesis ATP.

Skema 1 menunjukkan rantai transport electron dibangun di membrane dalam mitokondria. Lipatan-lipatan yang disebut Cristae membrane dapat memperluas permukaan sehingga menyediakan ruang untuk ribuan salinan rantai transport electron dan banyak kompleks ATP sintase. Dengan semua pembuat molekul ATP (mesin ATP) ini, mitokondria dapat memproduksi banyak molekul ATP secara serentak.

Fosforilasi Oksidatif
Skema 1. Oxidative phosphorylase, using electron transport dan chemiosmosis in the mitochondrion

Dimulai dari kiri pada skema yang menunjukkan panah kuning dimana jalur electron mengalir dari puntalan molekul NADH dan FADH2 sehingga mengerakkan rantai transport menuju oksigen (aseptor electron terakhir). Setiap atom oksigen (1/2O2) mendapatkan dua electron dari rantai ini dan menarik dua ion hydrogen dari larutan sekitar sehingga membentuk H2O (salah satu produk akhir respirasi selular). Sebagian besar molekul pembawa tinggal dalam bentuk tiga komplek protein utama, dua diantaranya merupakan molekul pembawa transport electron yang mobil.

Semua molekul pembawa terikat dan melepaskan electron pada reaksi redok, sehingga electron menuruni tangga energy. Protein komplek menggunkan energy yang dilepaskan dari transfer electron untuk mengaktifkan transport H+ menyebrangi membrane dari tempat berkonsentrasi rendah ke tempat berkonsentrasi tinggi. Panah biru vertikal mengidikasikan ion hydrogen yang ditransportasikan dari matrik mitokondria ke tempat ruang antar membrane mitokondria.

Hasilnya adalah gradient H+ yang menyimpan energy potensial melalui pembendungan energy yang tersimpan ini dengan menahan elevasi air di belakangnya. Energi yang tersimpan melalui bendungan ini dimanfaatkan untuk bekerja (seperti pembangkit listrik tenaga air) ketika air mendesak kebawah sehingga mengerakkan roda besar yang disebut turbin. Sama dengan ketika ATP sintase dalam membrane mitokondria yang bertidak sebagai miniature turbin. Ion hydrogen cenderung bergerak kembali menyebrangi membrane akibat energy dari gradient konsentrasi. Namun, membrane ini tidaklah permeable terhadap ion hydrogen dan hanya dapat lewat melalui saluran yang ada di ATP sintase, ditunjukkan pada bagian ujung kanan skema. Ion hydrogen kembali dengan desakkan melalui saluran ATP sintase sehingga mengerakkan komponen komplek ini, seperti air yang mengerakkan turbin pada bendungan. Rotasi ini mengaktivasi tempat katalitik pada ATP sintase dimana menarik kelompok fosfat dari molekul ADP untuk membentuk ATP.

Jadi kenapa disebut fosforilasi oksidatif? Karena energy digerakkan dari reakasi oksidasi-reduksi (redok) pada rantai transport electron dimana mentransfer electron dari molekul organic menjadi oksigen dengan menggunakan fosforilasi ADP. Selain itu, melalui kemiosmosis, reaksi eksergonik transport electron menghasilkan gradient H+ sehingga mengerakkan sintesis endergonic ATP…Wahju S. Hidayat/ EnTech Indonesia

Surakarta, 04 Februari 2014

Kenapa disebut Siklus Asam Sitrat?

Salam I.M.A.J.I.N.A.S.I!!!nah, yang ini paling sulit diapalin, ah kata siapa, gak usah diapalin dibayangkan aja. Siklus asam sitrat sering disebut juga siklus kreb untuk menghormati Hans Kreb, ilmuwan blasteran jerman-inggris yang telah bekerja keras mengungkap fase siklus ini pada respirasi selular tahun 1930. Skema 1 menunjukkan dua karbon asetil (bagian molekul asetil CoA) berpartisipasi dalam siklus asam sitrat. Coenzim A membantu kelompok asetil untuk memasuki siklus dan selanjutnya dipecah serta didaurulang. Tidak ditunjukkan pada gambar dari multiple step yang terjadi, setiap kejadian dikatalisis oleh enzim-enzim spesifik didalam matrik mitokondria (lebih lengkap lihat fisiologi mikroba). Gugus asetil bergabung dengan empat molekul karbon menghasilkan enam molekul karbon melalui serangkaian reaksi redok (melepaskan dua atom karbon sebagai CO2). Selanjutnya, empat molekul karbon diregenarasi lagi. Peristiwa regenasi inilah yang mendasari pemberian kata siklus, yaitu senyawa enam karbon dibentuk terlebih dahulu didalam siklus asam sitrat (Ionisasi (muatan negative) dari asam sitrat). Karenanya, dinamakan siklus asam sitrat.

Dibandingkan dengan glikolisis, siklus asam sitrat dapat menghasilkan energy yang besar bagi sel. Sekali siklus dapat menghasilkan satu molekul ATP melalui fosforilasi tingkat substrat. Selain itu, menghasilkan juga 4 molekul kaya energy lainnya, seperti tiga Molekul NADH dan satu molekul pembawa electron (FADH2). Karena siklus asam sitrat memproses dua molekul asetil CoA untuk setiap molekul glukosa awal sehingga seluruhnya menghasilkan 2 ATP, 6 NADH dan 2 FADH2 per molekul glukosa. Hasil ini dapat dinyatakan lebih banyak daripada 2 ATP plus 2 NADH yang diproduksi melalui glikolisis sendiri.

Keseluruhannya, berapa banyak molekul kaya energy yang diperoleh sel saat pemrosesan satu molekul glukosa melalui glikolisis dan siklus asam sitrat? berdasarkan poin-poin diatas, sel mendapatkan total 4 ATP (salah satu dari fosforilasi tingkat substrat), 10 NADH (2 dari pembentukan piruvat jadi Asetil CoA), dan 2 FADH. Sel sendiri dapat memanfaatkan energy yang tersimpan dalam NADH dan FADH2 ini karena mengandung electron berenergi tinggi untuk rantai transport electron. Disini energy dari oksidasi bahan bakar organic dapat digunakan untuk fosforilasi oksidatif ADP menjadi ATP.

siklus asam sitrat
Skema 1. Details of the citric acid cycle

Step 1-2. AsetilCoA menyalakan pembakaran: Enzim memisahkan CoA dari gugus Asetil, dan menyatukan 2 molekul karbon asetil dengan oksaloasetat yang tersedia banyak di dalam mitokondria. Produk akhirnya berupa molekul sitrat enam karbon. Sitrate merupakan bentuk terionisasi dari asam sitrat. Semua komponen asam yang ada pada siklus ini dalam bentuk terionisasi ditambah akhiran –ate.

Step 2-5. NADH, ATP dan CO2 dihasilkan selama reaksi REDOX: reaksi redok menghasilkan beberapa energy dari gugus asetil melalui pemisahan atom hydrogen dari asam organic intermediet (seperti alfa-ketoglutarate) dan menghasilkan energy yang tersimpan dalam molekul NADH. Reakasi redok ini melepaskan dua atom karbon yang berasal dari oksaloasetate. Karbon teroksidasi sempurna dan melepaskan dua molekul CO2. Energi juga dihasilkan melalui fosforilasi tingkat substrat ADP untuk memproduksi ATP. Senyawa berkarbon empat yang disebut suksinate muncul pada akhir tahap 5.

Steps 6-8. Reaksi redok menghasilkan FADH dan NADH: enzim mengatur kembali ikatan kimia dan akhirnya melengkapi siklus asam sitrat melalui regenerasi oksaloasetate. Bersamaan dengan itu, pembawa electron FAD dan NAD+ tereduksi menjadi FADH2 dan NADH. Sekali terjadi siklus asam sitrat lengkap (konversi molekul malate menjadi oksaloasetate). Senyawa ini selanjutnya dapat digunakan siklus selanjutnya melalui penangkapan gusus asetil dari ASetil CoA lainnya…Wahju S. Hidayat/ EnTech Indonesia

Surakarta, 04 Februari 2014

Kenapa Racun Itu Beracun?

Salam I.M.A.J.I.N.A.S.I!!! bukan cuma senjata dan makanan sja yang dapat diboikot, jalur transport electron pun dapat diboikot, siapa? Oleh Amerika, bukan, tapi oleh “Racun”. Begini, sejumlah racun menghasilkan efek yang mematikan melalui mekanisme boikot salah satu posisi penting pada jalur transport electron di mitokondria. Skema 1 menunjukkan tempat boikot untuk ketiga jenis racun pada respirasi selular.

Racun katagori pertama menutup rantai transport electron. Substansi yang disebut Rotenone, mengikat kuat salah satu molekul pembawa electron pada komplek protein pertama sehingga menghambat electron untuk sampai ke molekul pembawa selanjutnya. Rotenone sering digunakan untuk membunuh hama serangga dan ikan. Penghambatan rantai transport electron dibagian awal jalur menyebabkan sintesis ATP gagal. Retenone sendiri berarti membuat sel oragnisme lapar energi. Dua pemboikot jalur rantai transport electron lain adalah sianida dan karbon monoksida yang berikatan dengan pembawa electron pada komplek protein ketiga. Disini, racun tersebut mengeblok aliran electron ke oksigen. Blokade ini seperti mematikan keran sehingga electron berhenti mengalir melalu pipa. Gejalanya sama dengan racun retenone (Tidak ada gradient H+ yang dihasilkan, tidak ada ATP yang terbentuk).

pengaruh racun terhadap transport elektron
Skema 1. The effect of five poisons on the electron transport chain and chemiosmosis

Jenis racun kedua, yaitu menghambat ATP sintase. Antibiotik oligomicin memblokade aliran H+ melalui saluran ATP sintase. Oligomicin sering digunakan pada kulit untuk membasmi jamur (panu). Membunuh sel jamur melalui mekanisme penghambatan dalam penggunaan energy potensial gradient H+  saat pembentukan ATP. (dengan catatan, obat ini tidak dapat masuk kedalam sel kulit sehingga terlindung dari pengaruh ini).

Jenis racun ketiga, yaitu uncoupler yang membuat membrane mitokondria mampu dilewati ion hydrogen. Transport electron dapat terjadi, namun tidak mampu membentuk ATP dikarenakan kebocoran H+ melewati membrane sehingga menyebabkan hilangnya gradient H+. Sel tetap mengkonsumsi oksigen, terkadang lebih tinggi daripada kondisi normal namun tidak membantu karena tidak ada produksi ATP sama sekali.

Satu uncoupler, dinitrophenol (DNP) sangat toksik bagi manusia. Keracunan DNP dapat menyebabkan peningkatan laju metabolism, berkeringat secara berlebihan sebagai usaha tubuh untuk membuang kelebihan panas, pingsan, dan mati. Pada tahun 1940an, beberapa ilmuan meresepkan DNP dalam dosis rendah untuk mengurangi berat badan, tetapi kefatalan terjadi karena jauh dari aman. Ketika DNP masuk, semua tahapan respirasi selular kecuali kemiosmosis, mengkonsumsi molekul bahan bakar, namun pada akhirnya semua energy hilang sebagai panas.

Racun sama sekali tidak memiliki sisi yang baik. Walaupun ada yang bermanfaat seperti pestisida dan antibiotic. Penemuan substansi toksik dalam memboikot mesin respirasi selular dapat membantu ahli biokimia memahami permesinan ini bekerja. Pengaruh uncoupler sebagai contoh, membuat jelas bahwa sintesis ATP merupakan aktivitas komplek yang terpisah, tatapi berhubungan dengan transport electron dan pembentukan gradient H+. Fungsi dari respirasi selular adalah menghasilkan ATP untuk kerja selular. Tanpa energy ini, sel tidak dapat hidup…Wahju S. Hidayat/ EnTech Indonesia

Surakarta, 07 Februari 2014

Dinding Sel dan Mekanisme Pewarnaan Bakteri

Salam I.M.A.J.I.N.A.S.I!!! nah, mempelajari dinding sel bakteri itu memberikan kita imajinasi bagaimana infeksi bakteri itu bisa diobati. Dinding sel bakteri itu komplek dan berstruktur semi kaku berguna untuk menentukan bentuk sel. Dinding sel melapisi membrane plasma yang rapuh (sitoplasmik) dan melindunginya. Selain itu juga melindungi bagian dalam sel dari perubahan lingkugan luar yang merugikan. Sebagian besar prokariotik memilki dinding sel (skema 1).

Dinding sel Prokariotik
Skema 1. Dinding sel prokariotik pada umumnya

Fungsi utama dinding sel adalah mencegah sel bakteri pecah ketika tekanan air didalam sel lebih besar daripada diluar. Selain itu juga membantu menjaga bentuk bakteri dan tempat penempelan flagella. Ketika volume sel meningkat maka plasma membrane dan dinding sel meluas juga. Secara klinis, dinding sel penting karena berkontribusi terhadap kemampuan beberapa spesies menyebabkan penyakit dan merupakan tempat aksi antibiotic terjadi. Selain itu, komposisi kimia dinding sel digunakan untuk membedakan kelompok besar bakteri.

Walaupun sel beberapa eukariotik , termasuk tumbuhan, algae, dan fungi memilki dinding sel, tetapi dinding selnya berbeda secara kimia dengan prokariotik (bakteri), yaitu setruktur lebih sederhana dan kurang kaku.

Komposisi dan Karakteristik Dinding Sel

Dinding sel bakteri tersusun dari jaringan makromolekul yang disebut peptidoglikan (juga disebut murein), dimana dapat hadir sendiri atau berkombinasi bersama dengan substansi lainnya. Peptidoglikan terdiri dari perulangan disakarida yang terikat oleh polipeptida membentuk anyaman yang melapisi dan proteksi seluruh sel. Porsi disakarida yang dibentuk dari monosakarida disebut N-asetilglukosamin (NAG) dan asam N- asetilmuramik (NAM) (berasal dari kata murus, artinya dinding) dimana terkait dengan glukosa. Rumus structural dari NAG dan NAM dapat dilihat pada skema 2.

NAG and NAM
Skema 2. N-acetylglucosamine (NAG) and N-acetylmuramic acid (NAM) joined as in a peptidoglycan. Area kuning menunjukkan perbedaan antara dua molekul. Ikatan antara mereka disebut ikatan beta 1-4

Beragam komponen dari dinding sel terangkai dalam dinding sel (skema 3). Molekul NAM dan NAG bergantian terkait satu sama lain 10 sampai 65 gula (glukosa) untuk membentuk kerangka karbohidrat (porsi glikan dari peptidoglikan). Pengait ini disebut polipeptida (porsi peptide dari peptidoglikan). Walaupun struktur polipeptida pengait beragam, namun biasanya berupa rantai samping tetrapeptida yang terdiri dari empat asam amino (terikat pada kerangka NAM). Asam amino sendiri membentuk pola D dan L. Keunikan terjadi, karena asam amino pada protein biasanya berbentuk L. Keparalelan rantai samping tetrapeptida ini terikat langsung satu sama lain atau terikat oleh jembatan peptide yang terdiri dari rantai pendek asam amino.

struktur peptidoglikan
Skema 3. Struktur peptidoglikan pada bakteri gram positif

Pinicilin memboikot kaitan terakhir peptidoglikan melalui jembatan peptide (skema 3). Hasilnya dinding sel melemah dan sel mengalami lisis (kehancuran sel akibat pecahnya plasma membaran dan sitoplasma hilang).

Dinding sel Gram-Positif

Sebagian besar bakteri gram-positif, dinding sel terdiri dari banyak lapisan peptidoglikan sehingga tebal dan berstruktur kaku (skema 4). Sebaliknya, dinding sel bakteri gram negative mengandung hanya satu lapis peptidoglikan (skema 5).Selain itu, dinding sel bakteri gram positif mengandung asam teikoat dimana tersusun terutama oleh alcohol (seperti gliserol atau sorbitol) dan fosfat.

Dinding sel gram positif
Skema 4. dinding sel gram positif

Dinding sel gram negatif
Skema 5. Dinding sel Gram Negatif

Disini terdapat dua kelas asam teikoat, yaitu pertama, asam lipoteicoik dimana menyebar keseluruh lapisan peptidoglikan dan terkait dengan membrane plasma. Kedua, dinding asam teicoic dimana terkait dengan lapisan peptidoglikan. Karena mereka bermuatan negative (untuk kelompok fosfat), asam teicoic berikatan dan meregulasi pergerakan kation (ion positif) kedalam dan keluar sel. Berperan pula dalam pertumbuhan sel, mencegah peregangan dinding dan kemungkinan lisis sel. Kesimpulanya, asam teicoic menyediakan banyak kespesifikan antigenic dinding dan menjadikannya mudah untuk mengidentifikasi bakteri melalui tes tertentu laboratorium. Sama halnya dengan dinding sel gram positif streptococci yang dilingkupi oleh beragam polisakarida sehingga mudah dikelompokan secara medis (tipe signifikan).

Dinding Sel Gram-Negatif

Dinding sel bakteri gram negative terdiri dari satu atau beberapa lapis peptidoglikan dan membrane luar (skema 5). Peptidoglikan ini terikat dengan lipoprotein (lipid yang terikat secara kovalen dengan protein) di membrane luar dan di periplasma (cairan seperti gel antara membrane luar dan plasma membrane). Periplasma mengandung konsentrasi tinggi enzim pendegradasi dan protein transport. Sel Gram negative tidak memiliki asam teicoic. Karena dinding sel bakteri gram negative mengandung hanya sejumlah kecil peptidoglikan, menjadikanya rentan terhadap kerusakan mekanis.

Membran luar sel gram negative terdiri dari lipopolisakarida (LPS), lipoprotein, dan fosfolipid (skema 5). Membran luar memilki beberapa fungsi terspesialisasi. Muatan negativnya yang kuat menjadikan factor penting untuk menghindari fagositosis dan aksi komplemen (lisis sel dan memulai fagositosis), dan komponen pertahanan terhadap serangan inang. Membran luar juga berfungsi untuk pelindung terhadap antibiotic tertentu (ex. Pinicilin), enzim digestif seperti lisozim, detergent, logam berat, garam empedu, dan pewarna tertentu.

Namun, membrane luar tidak menyediakan perlindungan terhadap semua substansi dilingkungan karena nutrisi harus bisa melalui untuk keberlangsungan metabolism dalam sel. Bagian permeabilitas dalam membrane luar dari protein membrane disebut porin yang membentuk saluran khusus. Porin membolehkan molekul lewat seperti nukleotida, disakarida, peptide, asam amino, vitamin B12 dan besi.

Komponen LPS pada membrane luar memberikan dua karakteristik penting bagi bakteri gram negative. Pertama, porsi polisakarida yang tersusun atas gula (glukosa) disebut O polisakarida yang berfungsi sebagai antigen dan berguna untuk membedakan spesies bakteri gram negative. Sebagai contohnya, pathogen E.Coli O157:H7 dapat dibedakan dengan serovar lainnya melalui serangkain tes laboratorium yang tes tersebut untuk antigen spesifik. Perannya sama dengan asam teicoic pada sel gram positif. Kedua, Porsi lipid pada lipopolisakarida disebut lipid A (endotoksin). Menjadi toksik ketika berada pada aliran darah dan saluran gastrointestinal inang. Dapat menyebabkan demam dan guncangan.

Mekanisme Pewarnaan Gram Bakteri

Mekanisme ini berdasarkan perbedaan struktur dinding sel bakteri garm negative dan gram positif serta bagaimana reaksinya terhadap beragam reagen (substansi yang digunakan untuk menghasilkan reaksi kimia). Kristal violet, pewarna utama, mewarnai ungu baik bakteri gram positif dan gram negative dikarenakan pewarna ini memasuki sitoplasma kedua tipe sel ini. Ketika Iodin (Mordant) di aplikasikan, menyebabkan kritas violet-iodin sulit melewati dinding sel. Aplikasi alcohol dapat mendehidrasi peptidoglikan sel gram positif sehingga menyebabkan impermeable terhadap kristal violet-iodin. Sedangkan pengaruh bagi sel gram negative berbeda, dimana alcohol melarutkan membrane luar sel gram negative dan menghasilkan lubang kecil pada lapisan tipis peptidoglikan sehingga kristal violet-iodin menyebar/ keluar. Karena bakteri gram negative kehilangan warna setelah pencucuian dengan alcohol, penambahan safranin menjadikan sel merah muda. Safranin memberikan warna kontras terhadap pewarna utama (kristal violet). Walaupun sel gram positif dan gram negative dapat menyerap safranin, warnah merah muda safranin tertutupi oleh ungu gelap yang diserap sebelumnya oleh bakteri gram positif.

Dalam banyak populasi sel, beberapa sel gram positif terkadang menujukkan sifat gram negative. Biasanya pada sel gram positif yang telah mati. Namun, beberapa genera sel gram positif yang menunjukkan peningkatan jumlah sel gram negative sama dengan usia kultur. Bacillus dan Clostridium sebagai contoh dapat dideskripsikan sebagi gram variable.

Dinding sel bakteri yang tidak biasa

Diantara prokariotik, tipe sel tertentu tidak memiliki dinding sel atau hanya memilki material dinding yang sedikit. Mereka dapat termasuk genus Mycoplasma dan organisme yang terkait (skema 6). Mikoplasma merupakan bakteri terkecil yang pernah diketahui yang dapat tumbuh dan bereproduksi diluar inang sel hidup. Karena ukurannya dan tidak memiliki dinding sel mumudahkannya melewati saringan bakteri dan pernah dianggap sebagai virus. Plasma membrannya unik yang tersusun atas lipid sterol diamana melindunginya dari lisis (pecah).

Streptococcus
Skema 6. Streptococcus

Archaea tidak memiliki dinding sel atau dinding yang tidak biasa yang tersusun dari polisakarida dan protein namun tidak ada peptidoglikan tapi substansi mirip peptidoglikan yang disebut pseudomurein. Pseudomurein mengandung asam N-asetiltalosaminuronik sebagai ganti NAM dan tidak ada asam amino. Archaea tidak dapat diwarnai gram tetapi menunjukkan gram negative dikarenakan tidak adanya peptidoglikan.

Pewarnaan ACID-FAST dinding sel

Digunakan untuk mengidentifikasi semua bakteri genus Mycobacterium dan spesies patogenik Nocardia. Bakteri ini mengandung konsentrasi tinggi (60%) lipid lilin hidrofobik (Mycolic acid) pada dinding selnya yang mencegahnya dari pewarnaan termasuk pewarnaan gram. Asam mikolat ini terbentuk di lapisan luar dari lapisan tipis peptidoglikan. Asam mikolat dan peptidoglikan bergabung bersama oleh polisakarida. Dinding sel lilin hidrofobik ini menjadikan kultur mikobakteria membentuk gumpalan dan melekat kuat pada petri dish. Bakteri Acid-fast dapat diwarnai dengan carbolfuchin: pemanasan meningkatkan penitrasi warna. Carbolfuction penitrasi dinding sel berikatan dengan sitoplasma dan menolak penghilangan oleh pencucian dengan asam alcohol. Bakteri acid-fast mempertahankan warna merah dari carbolfuchin karena lebih soluble didalam dinding sel asam mikolat daripada di dalam asam alcohol. Jika asam mikolat dihilangkan dari dinding sel bakteri ini, maka acid fast bakteri akan menujukkan gram positif dengan pewarnaan gram.

Rusaknya dinding sel bakteri.

Bahan kimia tertentu dapat merusak dinding sel atau menganggu sintesisnya, namun tidak merugikan sel hewan inang karena kimia dinding sel bakteri berbeda dengan sel eukariotik. Jadi, sintesis dinding sel merupakan target bagi beberapa obat antimikroba. Satu cara agar dinding sel bakteri rusak adalah dengan pemaparan dengan enzim digestif Lisozim. Enzim ini terdapat alami pada beberapa sel eukariotik dan kandungan dari air mata, mucus dan saliva (liur). Lisozim aktif khusus pada komponen utama dinding sel sebagian besar bakteri gram positif sehingga rentan terhadap lisis. Lisozim mengkatalisis hidrolisis ikatan antara glukosa pada struktur perulangan kerangka disakarida peptidoglikan. Aksinya analog dengan pemotongan tali baja jembatan dengan gunting las (dinding sel gram positif hampir seluruhnya dipecah oleh lisozim). Kandungan selular yang terisisa di lapisi oleh membrane plasma dan tetap utuh, jika lisis tidak terjadi (sel yang kehilangan dinding sel disebut protoplast). Biasanya protoplast berbentuk sperichal dan masih mampu melakukan metabolism.

Beberapa anggota genus proteus dapat kehilangan dinding selnya dan membengkak menjadi bentuk sel takberaturan yang disebut L form (dinamakan berdasarkan penemunya, yaitu Lister Institute). Terbentuk secara spontan dalam merespon kerja pinicilin (dimana menghambat pembentukan dinding sel) atau lisozim (dimana menghancurkan dinding sel). L Form dapat melangsungkan hidup dan membelah berkali-kali atau kembali ke bentuk berdinding sel.

Ketika lisozim menyerang sel bakteri gram negative, biasanya dinding tidak hancur separah seperti pada sel gram positif (membrane luar masih utuh). Pada kasus ini, kandungan selular, plasma membrane, dan dinding lapisan luar yang tersisa disebut speroplast (berbentuk spherical). Untuk penggunaan lisozim pada sel gram negative, sel terlebih dahulu harus di beri perlakuan dengan EDTA ( Ethylenediaminetetraacetic acid). EDTA memperlemah iktan ionic pada membrane luar dan menghancurkannya sehingga memudahkan lisozim mengakses lapisan peptidoglikan.

Protoplast dan spheroplast pecah pada air murni atau garam tinggi atau larutan gula tinggi karena molekul air dari cairan sekitarnya masuk dan sel mengembung akibat didalam sel air berkonsentrasi rendah. Pecahnya sel ini disebut lisis osmotik.

Tabel perbandingan gram
Skema 7. Perbandingan karakter bakteri gram positif dan gram negatif

Antibiotik tertentu, seperti pinicilin menghancurkan bakteri dengan menganggu pembentukan jembatan silang peptide pada peptidoglikan sehingga mencegah formasi dinding sel fungsional. Sebagian besar bakteri gram negative tahan terhadap pinicilin karena membrane luarnya membentuk pagar yang menghambat masuknya pinicilin dan substansi lainnya. Selain itu bakteri gram negative jarang ada jembatan silang peptide. Namun, bakteri gram negative rentan terhadap antibiotic beta lactam yang mampu berpenitrasi kedalam membrane luar daripada pinicilin…Wahju S. Hidayat/ EnTech Indonesia

Surakarta, 11 Februari 2014

Domain Archaea

Ilmuawan telah mengidentifikasi archaea sebagai tipe prokariotik yang berbeda berdasarkan sekuen unik rRNA. Selain itu, archaea juga memiliki sifat yang berbeda dari bakteri, yaitu:

  • Archaea tidak memilki peptidoglikan di dinding selnya
  • Lipid membrane selnya merupakan percabangan rantai hidrokarbon
  • Asam amino inisial dalam rantai polipeptidanya berkodekan start kodon AUG, metionin (sama dengan eukariotik dan berbeda dengan bakteri (N-formylmetionin))

Archaea diklasifikasikan menjadi dua filum, yaitu Crenarchaeota dan Euryarchaeota terutama berdasarkan sekuen rRNA (skema 1). Archaea bereproduksi dengan pembelahan biner, bertunas, atau fragmentasi. Sebagian besar archaea berbentuk cocci, batang, atau spiral tetapi kadang berbentuk tidak biasa (skema 2). Dinding sel archaea beragam dan berkomposisi ragam komponen, termasuk protein, glikoprotein, lipoprotein, dan polisakarida. Sifat penting archaea lainnya adalah tidak ditemukan menimbulkan penyakit pada manusia dan hewan.

Skema taksonomik Archaea dan Bacteria
Skema 1. Skema taksonomik prokariotik berdasarkan keterkaitan menurut sekuen rRNA

Termofil
Skema 2. Termofil. (a). Geogemma, (b) Pyrodictium dengan perpanjangan filamen

Sebagian besar archaea hidup pada kondisi lingkungan yang moderat. Archae paling menarik adalah kelompok methanogen, yaitu mikroba yang dapat menghasilkan gas metan dan kelompok ekstrimofil.

Ekstrimofil
Ekstrimofil merupakan mikroba yang memerlukan kondisi ekstrim, meliputi suhu, pH dan/ kadar garam untuk keberlangsungan hidup.

  • Termofil

Termofil merupakan prokariotik yang memiliki DNA, RNA, membrane sitoplasma, dan protein yang bekerja pada suhu lebih dari 45oC karena komponen selular tersebut tidak berfungsi pada suhu rendah. Prokariotik yang hidup pada suhu diatas 80oC disebut hipertermofil. Sebagian besar archae termofilik masuk kedalam kelompok filum Crenarchaeota (sedikit pada filum Euryachaeota).

Tiga representative genera termofil adalah Acidanus, Pyrodictium, dan Sulfolobus (skema 2). Mikroorganisme ini hidup pada habitat bersulfur, mata air asam panas (Yellowstone National Park) dan daratan vulkanik (skema 3). Sel Pyrodictium yang hidup pada ventilasi hidrotermal laut, berbentuk piringan dengan perpanjangan protein tubul yang melekatkannya dengan sulfur. Sulfur digunakan sebagai aseptor electron terakhir dalam respirasi.

Yellowstone National Park
Skema 3. Habitat khusus archaea hipertermofilik: mata air panas kaya sulfur di Yellowstone National Park

Ilmuwan menggunakan mikroba termofil dan enzimnya untuk aplikasi teknologi DNA rekombinan karena struktur selular termofil dan enzimnya stabil dan berfungsi pada suhu dimana protein dan asam nukleat pada umumnya mengalami denaturasi serta mematikan sel bakteri. DNA polymerase dari archaea hipertermofilik dapat memungkinkan amplikasi otomatis DNA di dalam termosikler. Enzim stabil panas juga ideal untuk kebanyakan aplikasi industry, termasuk tambahan dalam ditergen laundry.

  • Halofil

Halofil diklasifikasikan masuk kedalam kelompok Euryarchaeota berdasarkan sekuen rRNA. Mikroba ini biasa hidup dihabitat ekstrim salinitas (garam) seperti laut mati, Great Salt lake, dan kolam evaporasi matahari yang digunakan untuk mengkonsentrasikan garam pada pembuatan garam dan produksi fertilizer (skema 4). Mikroba halofil dapat juga mengkolonisasi dan membusukkan makanan seperti ikan asin, sausage dan pork.

Laut mati palestina
Skema 4. Laut mati Palestina

Tabel archae thermofilik

Sifat yang membedakan halofil adalah mutlak tergantung pada konsentrasi NaCl lebih dari 9 % (larutan 1,5 molar) untuk menjaga bentuk dinding sel. Sebagian besar halofil tumbuh dan reproduksi dengan kisaran optimum NaCl antara 17-23% dan kebanyakan spesies dapat hidup pada larutan jenuh garam (35% NaCl). Mikroba halofil memilki pigmen merah sampai orange yang membantu proteksi dari intensitas cahaya tampak dan ultraviolet.

Mikroba halofil paling banyak dipelajari adalah Halobacterium salinarum. Mikroba ini unik dimana menggunakan energy matahari untuk menggerakan sintesis ATP dan tidak mensintesis senyawa organic dari CO2. Halobacterium tidak memiliki pigmen fotosintesis seperti klorofil dan bakterioklorofil. Mikroba ini mensintesis protein ungu yang disebut bakteriorodopsin yang mampu menyerap energy cahaya dan menggunakannya untuk memompa proton (ion hydrogen) untuk menyebrangi membrane sitoplasma untuk membentuk gradient proton. Halobacterium juga merotasikan flagelanya dengan energy dari gradient proton untuk memposisikan diri pada kedalam air yang tepat. Posisi ini penting untuk penyerapan cahaya yang maksimum.

Methanogen

Metanogen bersifat obligat anaerob masuk kedalam filum Euryarchaeota yamg mampu mengkonversi CO2, H2 dan asam organic menjadi gas metan (CH4). Mikroba ini merupakan kelompok terbesar archaea. Sebagian besar spesiesnya mesofilik ataupun beberapa metanogen termofilik telah diketahui. Contohnya, Methanopyrus yang memilki suhu optimum pertumbuhan 98oC dan tumbuh pada suhu air laut 110oC sekitar ventilasi hidrotermal bawah laut. Ilmuwan juga menemukan metanogen halofilik.

Metanogen berperan penting pada lingkungan melalui pengubahan sampah organic dalam sedimen kolam, danau, dan samudra menjadi metan. Metanogen lainya seperti Methanobacterium hidup pada colon hewan yang merupakan sumber utama gas metan di lingkungan. Metanogen yang menempati saluran intestinal sapi dapat memproduksi 400 liter methan perhari. Methanogen diketahui menghasilkan 10 treliun ton metan (dua kali lebih banyak dari kombinasi minyak, gas alam dan batu bara) yang tertimbun dalam lumpur lantai samudra. Terkadang produksi metan pada rawa menimbulkan gelembung-gelembung gas dipermukaan. Metan juga diebut gas rumah kaca, metan di atmosfer menjebak panas dimana dapat berkontribusis pada pemanasan global. Berpotensi 25 kali lebih kuat dari karbon dioksida untuk menyebabkan gas rumah kaca. Jika metan yang terjebak dalam sedimen samudra lepas, maka akan menimbulkan bencana iklim dunia.

Metanogen juga berguna untuk aplikasi industry. Tahap penting pada perlakuan limbah dalam digesti lumpur oleh metanogen dan perlakuan limbah pembakaran metan untuk menghasilkan panas dan menghasilkan energy listrik. Archaea menyusun sekitar sepertiga biomassa prokariotik pada pantai antaratika sehingga menyediakan makanan untuk hewan laut…Wahju S. Hidayat/ EnTech Indonesia

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s

%d bloggers like this: