RSS

Monthly Archives: March 2013

Avian Influenza-A

Apakah Avian Influenza ?

      Avian Influenza atau selsema burung adalah sejenis penyakit menular pada unggas (ayam, itik dan burung-burung). Avian influenza disebabkan oleh virus Influenza tipe A. Virus ini memiliki banyak subtipe. H5N1 adalah tipe avian influenza yang banyak menyebabkan kematian saat ini. 

       Avian Influenza

       Virus avian Influenza termasuk dalam Virus influenza tipe A. Dua tipe lainnya adalah virus influenza tipe B dan virus influenza tipe C. Ketiga tipe virus ini termasuk dalam famili Orthomyxoviridae yang dapay dibedakan berdasarkan perbedaan sifat antigenik yang terdapat pada nukleoprotein (NP) dan matriks (M) (Horimoto & Kawaoka, 2001; Whittaker 2001). Virus influenza tipe A dapat menyebabkan epidemik dan pandemik pada unggas dan mamalia termasuk manusia (Clavijo et. al. 2001). Virus influenza tipe B dan C terutama dapat diisolasi dari manusia dan umumnya bersifat kurang patogen dibandingkan dengan virus influenza tipe A. Berdasarkan analisis filogenetik, virus influenza tipe A dan B mempunyai hubungan yang lebih dekat dibandingkan dengan virus influenza tipe C (Suzuki & Nei, 2002). Genom virus influenza tipe A berupa RNA untai tunggal, sense negatif, sepanjang kurang lebih 13.588 nukleotida yang tersusun dalam 8 segmen yang menyandi 10 macam protein. Kedelapan segmen tersebut adalah PB2, PB1, PA, HA, NP, NA, M (M1 dan M2) serta NS (NS1 dan NS2) (Harimoto & Kawaoka, 2001). Virus ini mempunyai envelop dengan lipid bilayer yang berasal dari hospes dan ditutupi dengan sekitar 500 tonjolan glikoprotein yang mempunyai aktivitas hemaglutinasi dan neuraminidase. Aktivitas ini diperankan oleh 2 glikoprotein utama pada permukaan virus yaitu hemaglutinin (HA) dan neuraminidase (NA) yang berada dalam bentuk homotrimer dan homotetramer.  Analisis serologis dan genetik pada VAI dapat diketahui adanya 16 macam HA dan 9 macam NA. Diantara VAI yang sering menimbulkan penyakit serius pada unggas terutama adalah yang mempunyai hemaglutanin H5, H7 dan kadang-kadang H9. Susunan asam amino protein HA, NA serta protein NS dan PB2 ikut berperan dalam sifat antigenik, virulensi dan spesifitas virus terhadap hospes. Kemampuan VAI untuk melakukan mutasi dan reasorsi genetik memungkinkan virus untuk berubah sifat antigeniknya, patogenitasnya serta spesifitas hospesnya. 

Variasi antigenik pada virus AI dapat ditemukan dengan frekwensi tinggi dan terjadi melalui dua cara yaitu shift dan drift. Shift antigenik dapat timbul akibat pertukaran atau pencampuran gen yang terjadi pada 2 atau lebih virus influenza tipe A sehingga terjadi penyusunan kembali suatu galur virus baru yang bermanifestasi sebagai subtipe virus AI baru. Shift antigenik terjadi oleh adanya perubahan struktur antigenik yang bersifat minor pada antigen permukaan H dan/atau N dan dapat ditemukan pada virus influenza tipe A dan B. Drift antigenik berlangsung lambat, tetapi progresif dan cenderung menimbulkan penyakit yang terbatas pada suatu kawasan. Mutasi pada materi genetik dapat menimbulkan perubahan polipeptida virus, yaitu sekitar 2 – 3 kali substitusi asam amino per tahun (Capua et. al. 2000).   

BIOLOGI MOLEKULER VIRUS INFLUENZA-A

Struktur dan Genom

      Influenza dibagi menjadi 3 yaitu :

- Influenza A (menginfeks unggas)

- Influenza B (menginfeksi manusia tetapi tidak berbahaya)

- Influenza C (masih kurang diteliti) Pembedaan ketiga jenis virus influenza tsb berdasarkan protein NP dan protein matriks (M). 

Virus influenza A dan B sangat mirip, memiliki genom berupa RNA yang terfragmentasi menjadi 8 (8 segmen RNA).

Delapan segmen RNA tsb menjadi 10 buah protein, diurutkan berdasarkan ukuran yaitu :

Delapan segmen RNA tsb menjadi 10 buah protein, diurutkan berdasarkan ukuran yaitu :

1. gen PB2 : menyandi polimerase B2 (PB2)

2. gen PB1 : menyandi protein polimerase B1 (PB1)

3. gen PA : menyandi polimerase A Ketiga protein diatas adalah sub unit dari RNA polimerase yang berperan dalam replikasi virus.

4. gen HA : menyandi protein yang disebut Haemaglutanin (mengumpalkan darah); fungsi protein ini adalah menempelkan virus pada sel inang.

5. gen NP : menyandi protein nukleokapsid

6. gen NA : menyandi protein dan enzim neuramidase, berperan dalam memotong residu asam sialat yang ada pada molekul haemoglobin. 

7. gen M : menyandi 2 buah protein matriks yang disebut M1 dan M2. M1 berikatan dengan ribonukleoprotein sedangkan M2 sebagai ion chanel.

8. gen NS : menyandi dua buah protein : NS1 dan NS2. NS1 berperan dalam membantu transport RNA ke nukleus dan translasi dari RNA. NS2 berperan dalam mentransport ribonukleoprotein yang baru terbentuk untuk memperlancar perkembangbiakan virus.

REPLIKASI

Virus masuk/menempel pada sel unggas melalui reseptor. Bagian yang menempel adalah bagian HA, Virus Influenza akan diinternalisasi melalui proses endositosis. Partikel virus akan diselubungi oleh membran sel inang.

Pada saat membentuk endosom, M2 dari virus akan menyerap H+ dari lumen endosom masuk dalam matriks sehingga pH di lumen turun, furin dari sel inang akan memecah HA.

Protein HA akan mengalami perubahan konformasi hingga endosom akan pecah dan virus akan dilepaskan disitoplasma sel inang. Lipid virus akan berfusi dengan lipid sel inang membentuk membran bilayer  Infeksi virus sangat dipengaruhi oleh adanya reseptor virus pada sel inang.  Pembagian subtipe virus influenza A didasarkan pada jenis H dan NA. H terdapat 16 jenis dan NA 9 jenis sehingga jumlah tipe total 16 x 9. Adanya tipe H1N1, H5N1 dll didasarkan pada jenis H da NA ini. Semua sutipe tersebut ditemui ada pada unggas. Semua subtipe tsb awalnya tidak menginfeksi manusia. Akibat mutasi pada virus hingga dapat menginfeksi manusia.  Pada saluran pernafasan unggas terdapat reseptor a-23 pada manusia a-26 (protein-galaktosa-sialat). Virus influenza A terikat pada reseptor a-26.

Virus dapat bersifat High pathogenic atau low pathogenic. Kejadian virus inf. A. unggas dapat menginfeksi dan tidak lagi efesien diberikan tamiflu dapat terjadi apabila virus mengalami : Reassorment : pencampuran dua genom virus. Pada babi terdapat a-23 dan a-26.pada babi juga reassorment dua tipe virus dapat terjadi. 

Virus yang telah masuk ke dalam sitoplasma sel inang; RNA – (tidak bisa membentuk protein) akan menuju inti dan di reverse transkriptase menjadi RNA +. Virus baru yang terbentuk akan ditempelkan pada bagian permukaan sel inang dan lepas oleh enzim neuromidase (NA); residu asam sialat yang memegang protein HA dipotong oleh NA.

Obat antivirus influenza A

     Obat antivirus influenza A didasarkan pada prinsip inhibisi pada protein NA2 dan M2. Oleh karena itu obat antivirus influenza A dibagi menjadi : 1. Inhibitor NA2 contoh : Oseltamifir (nama dagang Tamiflu) dan Zanamifir (Relenzar). 2. Inhibitor M2 contoh : amantadmil dan rimantadin. Berperan menjaga endosom tdak pecah (tidak terjadi virus uncounting).  Obat-obat tidak membunuh virus, hanya menghambat replikasi; dalam keadaan penghambatan ini memungkinkan tubuh membuat banyak antibodi. Hal ini mengindikasikan diagnoza awal pasien + atau – penting sekali. 

Special thank’s to : Yermia S. Mokosuli, S.Si, M.Si & Drs.H.M. Sumampouw, M.Pd  sebagai dosen dan pemberi materi

Presented By : Raldo Rasuh

 

 

 

 

 

 
Leave a comment

Posted by on March 27, 2013 in Uncategorized

 

Peranan Mikrobiologi di Era Globalisasi

        Belum hilang diingatan kita tentang teror antraks (Bacillus anthracis) di Amerika Serikat, kemudian kita menyimak wabah Severe Acute Respiratory Syndrome (SARS) yang telah menyebabkan kelumpuhan ekonomi dan masalah sosial di sejumlah negara, kini kita menghadapi virus penyebab HIV AIDS atau pun Flu burung yang berdampak nyata secara global dan pengaruhnya masih kita rasakan sampai saat ini. Meskipun antraks, SARS, HIV AIDS dan Flu burung merupakan sisi “mengerikan” dari aktivitas mikroorganisme, sebagian besar mikroorganisme merupakan sahabat manusia yang paling akrab, dan tidak dapat dipisahkan. Keragaman mikroba sangat penting untuk kesehatan planet bumi, dan keragaman dunia mikroba juga jauh lebih luas daripada keragaman hewan dan tanaman. Oleh karena itu sangat diperlukan banyak penelitian untuk mengungkap berbagai fenomena yang berasosiasi dengan jasad tak kasat mata ini. Meskipun demikian, mungkin karena kurang gemerlap dan paparan yang cukup mengenai dunia mikroorganisme, kebanyakan para pakar i1mu pengetahuan alam kurang memberi perhatian atau bahkan tidak menyadari peranan luar biasa dari jasad yang tak kasat mata itu terhadap berbagai bidang kehidupan manusia. Daun-daunan yang tampak hijau dan bersih dapat mengandung sampai sepuluh milyar jasad renik per gram bobot basahnya. Jasad renik tersebut dapat terdiri dari berbagai macam bakteri, khamir, dan kapang atau cendawan. Sayur-sayuran yang telah dicuci dan siap disajikan sebagai lalapan juga masih membawa 100-100.000 jasad renik per gram bobot basah sayuran yang dimakan segar. Sampai sekarang masih sangat sedikit informasi mengenai jumlah keragaman dan peranan jasad renik yang secara alami ada di permukaan daun tumbuhan terhadap kebugaran tumbuhan itu sendiri.

      Besar peranannya Meskipun buah dan sayur seringkali dilaporkan dapat mencegah terjadinya kanker usus besar (antara lain karena kandungan serat alaminya), namun belum banyak penelitian yang dipublikasikan, mengenai peranan mikroorganisme sebagai bagian nutrisi dari buah atau sayuran segar terhadap kebugaran manusia. Pengaruh jasad renik tersebut dapat berupa senyawa bioaktif yang jumlahnya sekelumit dan tidak umum sehingga sampai saat ini orang belum mampu mendeteksinya, atau sel hidup mikroba itu sendiri yang mempengaruhi komposisi mikroorganisme lain di usus besar. Berbagai jenis jasad renik juga menjadi bagian normal tubuh manusia, mulai dari permukaan kulit, lubang hidung sampai paru-paru, dan dari mulut sampai anus. Lebih dari separoh berat kering feses manusia adalah jasad renik dan jumlah jasad renik penghuni usus besar ini jumlahnya sekitar sepuluh kali lebih banyak dari jumlah sel yang menyusun seorang individu manusia. Jasad renik tersebut menghasilkan berbagai bahan nutrisi yang tidak dapat dibuat sendiri oleh sel manusia, antara lain vitamin K dan vitamin B12. Namun yang paling penting adalah keragaman dan jumlah jasad renik tersebut sangat mempengaruhi kebugaran manusianya.  Keragaman, jumlah dan distribusi jasad renik juga sangat menentukan kebugaran dan efisiensi produksi hewan penghasil daging, susu, dan telur. Pemakaian pakan buatan yang tidak proporsional, terutama pada ruminansia dapat mengakibatkan perubahan komposisi jasad renik penghuni rumen sehingga mengakibatkan kematian akibat acidosis.

        Buangan gas hewan ruminansia bersama-sama dengan lahan sawah basah merupakan sumber gas metan biologi yang hanya dapat dihasilkan bakteri metanogen. Pembentukan gas metan selain dapat mempengaruhi pemanasan global atau efisiensi peruraian limbah secara anaerobik, juga menentukan efisiensi produksi ternak. Oleh karena itu pengetahuan yang baik mengenai ekologi metanogen (bakteri pembentuk metan) dan metanotrof (bakteri pemakai metan) menjadi semakin penting bagi pakar yang bergerak di bidang produksi ternak, pengolahan limbah secara biologis, dan pemanasan global. Perkiraan kasar menunjukkan bahwa massa mikroorganisme di planet bumi lebih besar dari massa makhluk hidup yang makroskopis. 

Kelompok Ekstrim

         Semua itu barulah sekelumit saja dari contoh keragaman jasad renik yang berasosiasi dengan hewan, tumbuhan, dan manusia. Lingkungan dengan kondisi ekstrim yang tidak memungkinkan kehidupan organisme lain ternyata juga dapat menjadi habitat alami berbagai jasad renik. Kelompok bakteri termofilik ekstrim hidup berbahagia pada suhu 100-110 0C, sehingga mata air panas, kawah gunung berapi yang masih aktif, tempat pembakaran batubara, dan sumur-sumur hidrotermal di dasar laut dalam menjadi habitat alami bakteri pecinta panas tersebut. Di kelompok ekstrim yang lain adalah berbagai jenis bakteri halofilik ekstrim yang justru hanya bisa hidup pada lingkungan dengan kadar garam jenuh atau pada permukaan kristal garam yang terdapat di ladang-ladang pembuatan garam. Sumur-sumur hidrotermal (hydrothermal vents) di dasar laut dalam juga menjadi oasis kehidupan yang unik, yaitu kehidupan yang dapat berlangsung tanpa keterlibatan energi matahari. Kelangsungan hidup oasis laut dalam tersebut dapat berlangsung karena aktifitas bakteri kemolitotrof yang dapat menggunakan hidrogen atau hidrogen sulfida, yang dihasilkan oleh sumur hidrotermal, sebagai sumber energinya. Sejauh ini pengetahuan tentang kehidupan di dasar laut dalam masih sangat sedikit, bahkan pendataan keragaman hayati pun hanya dilakukan oleh negara tertentu saja, antara lain oleh Amerika Serikat dan Jepang. Bagaimana dengan riset keragaman jasad renik laut dalam di negara kita yang maritim ini? Jangankan mendata mikroba laut dalam, studi mengenai ekologi mikroba di daerah tepi laut pun masih sangat sedikit, dan itupun seringkali tidak dipublikasikan. Padahal pengetahuan yang rinci mengenai keragaman, jumlah, dan distribusi jasad renik di lingkungan tersebut merupakan kunci utama untuk dapat memberikan rekomendasi yang andal terhadap penanggulangan penyakit, misainya di tambak udang atau pembenihan udang.  Sensus jasad renik Sebagaimana orang melakukan sensus untuk menentukan keragaman hewan atau tumbuhan, hal yang sama juga berlaku untuk jasad renik. Namun hampir semua mikroorganisme, hidup dan melakukan aktivitasnya di lingkungan alaminya, tetapi tidak dapat ditumbuhkan pada media buatan (viable but non-culturable). Faktor inilah yang justru merupakan kerepotan utama dalam menentukan keragaman mikroba. Dengan mikroskop, dapat ditentukan bahwa satu gram tanah yang subur dapat mengandung 1010_1012 sel bakteri. Tetapi kalau kita mencoba menumbuhkannya di laboratorium, paling banyak hanya 5 persen saja dari jumlah tersebut yang tumbuh. Studi mengenai keragaman bakteri dan ekologi mikroba mendapat gaya hidup baru mulai sekitar 15 tahun yang lalu, dengan memanfaatkan perkembangan dalam biologi molekular. Teknik biomolekular seperti hibridisasi asam nukleat, polymerase chain reaction (PCR), dan sequencing asam nukleat dapat membantu menentukan keragaman dan distribusi jasad renik di habitat alaminya dengan analisa in situ. Perkembangan ini begitu pesat sehingga pengetahuan mengenai keragaman bakteri, ekologi mikroba, dan evolusi molekuler semakin rutin dipakai untuk membantu menjelaskan masalah biologi yang kompleks seperti penyakit, kesuburan tanah, keseimbangan lingkungan, dan kebugaran manusia.

Mikrobiologi di era globalisasi

          Mikroba yang renik memang menjadi abstrak bagi kebanyakan orang awam. Oleh karena itu mungkin dirasa cukup untuk memberikan Puspa Bangsa dan Satwa Bangsa, tetapi tak terlalu perlu memberikan Mikroba Bangsa. Namun, kalau betul-betul menyadari bahwa jasad renik bukan hanya aset negara yang berharga tetapi juga sangat penting untuk kelestarian lingkungan bahkan kebugaran manusia, maka sudah selayaknya diberikan penghargaan yang pantas. Penghargaan yang lebih penting terutama dalam hal proporsi penyajian pengetahuan yang lebih besar mengenai jasad renik kepada masyarakat luas. Kalau kita simak buku-buku pelajaran IPA atau Biologi dari SD sampai perguruan tinggi misalnya, tampak sekali proporsi pengetahuan keragaman ekologi jasad renik masih relatif terlalu sedikit dibandingkan bagian untuk manusia, hewan, dan tumbuhan, bahkan seringkali mikroba hanya diidentikkan dengan kuman. Padahal hanya sebagian kecil saja dari seluruh keragaman jasad renik yang bersifat patogen (menyebabkan penyakit pada manusia, hewan, tumbuhan). Sebagian besar justru sangat berperanan dalam menjaga kebugaran manusia, hewan, tumbuhan, serta lingkungan hidup kita. Pengetahuan yang kurang memadai mengenai ekologi dan keragaman jasad renik menyebabkan pemberian antibiotik atau bahan-bahan antimikroba secara serampangan yang akhirnya menimbulkan resistensi penyakit.  Mikroorganisme juga merupakan penentu lahirnya Bioteknologi Molekuler. Pembuktian secara langsung bahwa DNA adalah bahan genetik diperoleh dari penelitian di bidang genetika bakteri dan bakteriofage (ingat percobaan Griffith dan Hershey-Chase). Di era bioteknologi modern ini mikroorganisme juga menjadi sumber bahan genetik unik untuk pengobatan, peningkatan mutu pertanian, industri, dan lingkungan. Oleh karena itu telah dikembangkan sejumlah strategi untuk dapat mengeksplorasi keragaman mikroorganisme secara sistematik dan berkelanjutan yang disebut Bioprospecting.

       Dengan bioprospecting diharapkan hasil pemanfaatan sumberdaya genetik dapat dinikmati untuk kesejahteraan bersama antara pelaku bioprospecting dengan masyarakat setempat atau negara pemilik sumberdaya hayati tersebut. Oleh karena itu di era globalisasi ini Mikrobiologi memegang peranan penting dalam hal perlindungan atau konservasi sumber daya genetik dan  memberikan pendidikan mengenai pentingnya asset jasad renik. Kalau pencurian atau pembajakan bahan-bahan hayati yang kasat mata saja masih menjadi masalah, maka biopiracy dalam bidang jasad renik malah lebih sulit lagi untuk melacaknya. Mungkin masih “mendingan” kalau masalahnya hanya dalam hal pelacakan, yang sering terjadi justru kita tidak merasa kehilangan jasad renik tersebut. Karena sifatnya yang mikroskopis, kita tidak hanya kecurian satu atau dua galur mikroba, tapi bisa ratusan atau ribuan jenis jasad renik ikut terbawa dalam sejumput tanah atau setetes air sungai. Baru-baru ini dilaporkan sekelompok peneliti menemukan bakteri yang ngat rakus memakan bahan polutan berbahaya seperti nitrobenzen atau klorobenzen, sehingga bakteri tersebut sangat potensial dipakai membersihkan lingkungan yang tercemar. Bakteri-bakteri tersebut terdapat secara alami dalam lambung sejenis ikan paus. lkan paus tersebut dapat hidup dengan diet yang tercemar bahan berbahaya karena bantuan bakteri-bakteri pengurai polutan itu. Oleh karena itu, hilangnya seekor ikan paus, seekor rayap atau sebatang rumput,tidak hanya melibatkan masalah kasat mata saja tetapi bersamaan dengan kejadian tersebut turut lenyap pula ribuan bahkan jutaan jenis jasad renik yang sampai saat ini pun belum sempat disensus. Oleh karena itu, peran mikrobiologi semakin nyata diperlukan, tidak saja untuk mempelajari struktur dan fungsi mikroorganisme di suatu habitat atau komunitas, tetapi juga untuk pemanfaatannya dalam inovasi global yang makin kompetitif.

Special thank’s to : Yermia S. Mokosuli, S.Si, M.Si & Drs.H.M. Sumampouw, M.Pd sebagai dosen dan pemberi materi

Presented By : Raldo Rasuh

 

 
Leave a comment

Posted by on March 27, 2013 in Uncategorized

 

Ekspresi Gen Prokariotik

Baik organisme prokariotik maupun eukariotik memiliki materi genetik dan prinsip genetik pada dasarnya yang sama Asam nukelat disebut juga materi genetik  terdiri atas :DNA RNA  

REPLIKASI DNA DNA dibuktikan sebagai materi hereditas oleh Watson dan Crick, merekapun juga mengemukakan model struktur DNA double helix. Matthew Miselson dan Franklin W. Stahl medisain eksperimen untuk menentukan metode replikasi DNA.

Terdapat 3 model replikasi DNA yang dikemukakan :

1. Model Replikasi konservatif 

2. Model Semikonservatif 

3. Model Dispersif

Setiap organisme harus menduplikasikan DNA dengan ketelitian yang tinggi sebelum pembelahan sel dimulai. Duplikasi DNA terjadi pada kecepatan yang tinggi yaitu 1000 nukleotida tidap detik (Albert, 2002). Menurut Nelson & Cox, 2005 replikasi DNA berdasarkan pada beberapa aturan utama yaitu :

1. Replikasi DNA terjadi secara semikonservatif : tiap strand DNA berperan sebagai templete untuk sintesis strand DNA baru, menghasilkan 2 molekul DNA.

2. Replikasi DNA dimuali pada ORI

3. Sintesis DNA mulai pada arah 5’ ke 3′ Replikasi DNA terjadi selama proses siklus pembelahan sel secara normal.  Karena pasangan genetik dari resultant sel hasil belahan harus sama dengan sel induk, replikasi DNA harus terjadi dengan tingkat keakuratan tinggi. Proses replikasi DNA melibatkan aktivitas kompleks multienzim Mekanisme replikasi DNA awalnya dikarakterisasi pada bakteri E. coli dimana memiliki 3 enzim yang berbeda yang dapat mengkatalisis replikasi DNA. Ketiga enzim ini adalag DNA polimerase (pol) I, II dan III. DNA polimerase I melimpah dalam aktivitas replikasi E. coli tetapi memiliki aktivitas dan peran utama memastikan keakuratan relikasi melalui repair dari kerusakan dan mismatch DNA (ketidaksesuaian DNA). Replikasi dari genom E. coli adalah pekerjaan dari DNA polimerase III. Enzim ini lebih sedikit dari DNA polimerase I, aktivitasnya mendekati 100 kali dari DNA polimerase I. Pada tahun 1999 berhasil diketahui bahwa DNA polimerase IV dan V pada bakteri E.coli terlibat pada proses repair DNA.  Terdapat 5 DNA polimerase yang berbeda pada eukariotik.

kemampuaan dari DNA polimerase untuk mereplikasi DNA membutuhkan sejumlah protein tambahan. Kombinasi dari polimerase dengan beberapa protein menghasilkan aktivitas yaitu DNA polimerase holoenzim. Protein tambahan itu adalah enzim-enzim :

1. Primase

2. Processivity accessory protein

3. Single strand binding proteins

4. Helicase

5. DNA ligase : berperan dalam menyambung fragmen DNA

6. Topoisomerase : berperan dalam membentuk topologi DNA

7. urasil-DNA N-glycosylase

Mekanisme Replikasi DNA

Replikasi DNA dimulai pada titik khusus yang disebut ORI (original repilication). Dua strand DNA akan terbagi pada ORI dan replikasi dimulai dari arah ORI. Bentuk Y (garpu replikasi terbentuk dan dua garpu replikasi akan berangkat dari ORI pada masing-masing arah.Enzim yang mensintesis DNA baru pada garpu replikasi adalah DNA polimerase. DNA polimerase dapat mensintesis DNA dengan menggabungkan basa-basa yang berpasangan dengan basa pada strain templete pada arah 5’ ke 3′.

Secara Ringkas replikasi DNA adalah : Replikasi DNA terjadi pada bentuk Y dari untai DNA yang disebut garpu replikasi. DNA polimerase mengkatalisis reaksi polimerasi mulai dari arah 5’ ke 3’, pengkopian strand DNA tempelete dengan sangat akurat. Dua strand DNA Double helix bergerak antipararel, sintesis DNA dengan arah 5’ ke 3’ berlangsung kontinu hanya strand pada garfu replikasi (leading strand). Pada lagging strand, sintesis di mulai pada RNA primer yang bersifat semikontinu. Replikasi DNA membutuhkan banyak kerja enzim/protein. Termasuk didalamnya :

1) DNA polimerase dan DNA primase yang mengkatalisis polimerasi nukleosida trifosfat.

2)DNA helikase dan protein single strand DNA-binding (SSB) yang berperan membuka helix DNA sehingga dapat dikopi.

3) DNA ligase, enzim yang mendegradasu DNA primer dan menyambungkan sintesis langging strand DNA dan

4). DNA topoisomerase yang berperan membentuk relive lilitan helikal DNA. Kebanyakan protein ini bekerja sama satu dengan lainnya pada garfu replikasi membentuk mesin replikasi yang efesien.  

MENGAPA EKSPRESI GEN DIKONTROL

    DNA terdiri atas ribuan bahkan ratusan ribu gen tergantung pada jenis organisme apakah uniseluler atau multiseluler. Semua organisme lengkap langsung atau tidak langsung adalah produk dari gen. Tidak semua sel bekerja untuk karakter yang sama walaupun memiliki gen-gen yang sama karena tidak semua gen diekspresikan pada level yang sama pada tiap sel. Proses kontrol suatu gen terekspresi atau tidak pada waktu berbeda dan pada kondisi yang berbeda disebut regulasi ekspresi gen.

         Sel meregulasi gen-gen karena banyak alasan. Suatu sel mungkin hanya mengekspresikan gen yang yang dibutuhkan pada lingkungan tertentu, sel sangat efesien sehingga tidak membuang energi untuk membuat mRNA yang tidak dibutuhkan pada waktu tersebut. Atau sel dapat menginaktifkan gen yang menghasilkan produk yang bertentangan/menghambat proses lain yang berlangsung dalam sel pada waktu tersebut. Sel juga meregulasi gen-gen yang merupakan bagian dari proses perkembangan sepertii embriogenesis dan sporulasi. Ekspresi gen melalui banyak tahap, tiap gen memiliki kesempatan diregulasi. Pertama RNA ditranskripsi dari gen (segmen DNA tertentu). walaupun RNA adalah produk akhir dari gen, molekul RNA tersebut membutuhkan proses-proses untuk dapat menjadi aktif (pasca transkripsi dan paca translasi). mRNA akan ditranslasi menjadi protein. Protein kemudian membutuhkan proses atau transpor untuk dapat melakukan aktifitas biologis secara aktif. Walaupun setelah produk gen telah disintesis dalam bentuk final, aktivitasnya juga dimodulasi pada kondisi lingkungan  yang sesuai.    Regulasi yang berlangsung pada tahap transkripsi dari gen ke mRNA disebut regulasi transkripsional. Regulasi atau kontrol transkripsional adalah kontrol sintesis rantai polipeptida dari cetakan mRNA-nya. Kontrol transkripsional merupakan mekanisme utama dalam pengaturan ekspresi gen bakteri (Lehninnger, 1994). Bentuk regulasi ini ini lebih efesien; mRNA yang tidak ditranslasi akan tidak berguna. Tidak semua gen yang ditranskripsi diregulasi, tidak bersifat ekslusif. Tiap regulasi yang terjadi setelah transkripsi disebut regulasi postranskripsional. Terdapat banyak tipe regulasi postranskripsional, yang paling utama adalah regulasi posttranlasi, Jika gen diregulasi pada tahap translasional, mRNA mungkin dapat dilanjutkan pada tahap transkripsi , tapi translasinya memungkinkan untuk dihambat. 

        Kontrol ekspresi gen (kemampuan gen untuk menghasilkan protein biologis aktif) lebih kompleks pada eukariotik daripada prokariotik. Perbedaan utama dari kedua regulasi ini adalah adanya membran inti pada eukariotik, yang mencegah transkripsi dan translasi terjadi secara sumultan. Pada eukariotik kontrol inisasi transkripsi dalah titik utama regulasi sedangkan pada eukarioptik regulasi ekspresi gen dapat dikatakan ekuivalen dari banyak titik berbeda dari transkripsi sampai posttranslasi (King, M. 2006). Dapat disimpulkan regulasi ekspresi gen adalah kontrol seluler dari jumlah dan waktu daro penampilan dan fungsi dari produk gen. Regulasi gen memngkinkan sel untuk mengatur struktur dan fungsi yang menjadi dasar dari diferensiasi, morfogenesis dan kemampuan adaptif setiap organisme (Wikipedia, 2006) 

Ekspresi Gen Bakteri

        Bakteri tidak dapat membuat semua protein yang dapat dibuat pada semua pada satu waktu. Mereka dapat beradaptasi dengan lingkungan dan membuat hanya produk gen yang esensial untuk mereka bertahan hidup pada lingkungan tertentu. Sebagai contoh, bakteri tidak mensintesis enzim untuk membuat triptofan apabila melimpah suplai triptofan di lingkungan. Jika triptofan tidak ada dilingkungannya maka enzim akan dibuat. Sama dengan hal tersebut, bakteri memiliki gen yang resisten terhafap antibiotik tidak beraryi gen tersebut akan terus diiekspresi. Gen resistan hanya diekspresi ketika antibiotik ada di lingkungannya.  Bakteri mengontrol ekspresi gen dengan meregulasi pada tingkat transkripsi mRNA dengan fungsi yang berhubungan umumnya terletak bersebelahan satu dengan yang lain dan diregulasi koorniat (misalnya satu diekspresi, semua akan diekspresi). Regulasi koordinat dari kelompok gen bersamaan dengan regulasi produksi dari mRNA polisistronik (misalnya mRNA panjang yang mengandung beberapa informasi  untuk beberapa gen). jadi, bakteri dapat merasakan lingkungannya dan mengekspresi perangkat gen yang sesuai dan dibutuhkan sesuai keaadaan lingkungan dan diregulasi pada transkripsi dari gen-gen tersebut.

KONTROL EKSPRESI GEN PADA PROKARIOTIK

    Pada bakteria, gen dikat pada satu operon. Operon adalah kelompok gen yang mengkode protein penting dalam fungsi metabolisme tertentu yang terkoordinasi seperti biosintesis asam amino tertentu. RNA yang ditranskripsi dari operon prokariotik berisifat polisistrinik yaitu terdiri atas gen-gen struktural yang mengkode beberapa protein dalam satu kali transkripsi. Operon bakteri adalah wilayah pada DNA yang meliputi gen-gen cotranskripsi menjadi RNA yang sama ditambah semua cis-acting sequences yang dibutuhkan untuk mentranskripsi gen-gen ini, termasuk gen promotor sebagai operator dan sequen lain yang termasuk pada regulasi transkripsi gen-gen ini. Karena gen-gen dari satu operon semua telah ditranskripsi dari promotor yang sama dan menggunakan sekuen regulator yang sama, semua gen pada satu operon dapat diregulasi transkripsinya secara simultan.

  Represor dan Aktivator

Sebelum membahas conbtoh pengaturan transkripsi pada bakteri, perlu diketahui tipe-tipe regulasi terjadi dan istilah-istilah yang menjelaskan faktor-faktir regulasi transkripsi. Regulasi transkripsi bakteri  diregulasi oleh produk gen regulator, yang umumnya protein dan sibeut represor atau aktivator. Protein regulatur berikatan dengan operon promotor dan meregulasi transkripsi daru promotor. Kadang-kadang protein regulator dapat berperan rangkap dan dapat juga menunjukkan reaksi enzimatis pada jalur yang dikode oleh operon. Karena berikatan dengan DNA, represor dan aktivator sering memiliki helix-turn-helix motif shared oleh banyak ikatan DNA protein.  (Helix-turn-helix motif of DNA binding proteins : adalah protein yang berikatan pada DNA termasuk represor dan aktivator, sering membagi motif struktur yang sama ditentukan oleh interaksi antara protein dan DNA helix. Salah satu motif adalah helix-turn-helix motif).  Represor dan aktivator bekerja berlawanan arah seperti pada gambar 11.1. represor berikatan pada sisi yang disebut operator dan menginkatifkan promotor, bertujuan mencegah transkripsi dari gen-gen operon. Aktivator, sebaliknya berikatan pada sisi ikatan dan mengaktifkan promotor, untuk memfasilitasi proses transkripsi dari gen-gen pada operon.

 

 

 
Leave a comment

Posted by on March 27, 2013 in Uncategorized

 

Nutrisi dan Medium Mikroba

         Medium pertumbuhan (disingkat medium) adalah tempat untuk menumbuhkan mikroba. Mikroba memerlukan nutrisi untuk memenuhi kebutuhan energi dan untuk bahan pembangun sel, untuk sintesa protoplasma dan bagian-bagian sel lain. Setiap mikroba mempunyai sifat fisiologi tertentu, sehingga memerlukan nutrisi tertentu pula. Susunan kimia sel mikroba relatif tetap, baik unsur kimia maupun senyawa yang terkandung di dalam sel. Dari hasil analisis kimia diketahui bahwa penyusun utama el adalah unsur kimia C, H, O, N, dan P, yang jumlahnya + 95 % dari berat kering sel, sedangkan sisanya tersusun dari unsur-unsur lain (Tabel ). Apabila dilihat susunan senyawanya, maka air merupakan bagian terbesar dari sel, sebanyak 80-90 %, dan bagian lain sebanyak 10-20 % terdiri dari protoplasma, dinding sel, lipida untuk cadangan makanan, polisakarida, polifosfat, dan senyawa lain. 

        Setiap unsur nutrisi mempunyai peran tersendiri dalam fisiologi sel. Unsur tersebut diberikan ke dalam medium sebagai kation garam anorganik yang jumlahnya berbeda-beda tergantung pada keperluannya. Beberapa golongan mikroba misalnya diatomae dan alga tertentu memerlukan silika (Si) yang biasanya diberikan dalam bentuk silikat untuk menyusun dinding sel. Fungsi dan kebutuhan natrium (Na) untuk beberapa mikroba belum diketahui jumlahnya. Natrium dalam kadar yang agak tinggi diperlukan oleh bakteri tertentu yang hidup di laut, alga hijau biru, dan bakteri fotosintetik. Natrium tersebut tidak dapat digantikan oleh kation monovalen yang lain.  Mikroba hidup dapat menggunakan makanannya dalam bentuk padat maupun cair (larutan). Mikroba yang dapat menggunakan makanan dalam bentuk padat tergolong tipe holozoik, sedangkan yang menggunakan makanan dalam bentuk cair tergolong tipe holofitik. Mikroba holofitik dapat pula menggunakan makanan dalam bentuk padat, tetapi makanan tersebut harus dicernakan lebih dulu di luar sel dengan pertolongan enzim ekstraseluler. Pencernaan di luar sel ini dikenal sebagai extracorporeal digestion.  Bahan makanan yang digunakan oleh mikroba hidup dapat berfungsi sebagai sumber energi, bahan pembangun sel, dan sebagai aseptor atau donor elektron. Dalam garis besarnya bahan makanan dibagi menjadi tujuh golongan yaitu air, sumber energi, sumber karbon, sumber aseptor elektron, sumber mineral, faktor tumbuh, dan sumber  nitrogen. 

1. Air 

      Air merupakan komponen utama sel mikroba dan medium. Funsi air adalah sebagai sumber oksigen untuk bahan organik sel pada respirasi. Selain itu air berfungsi sebagai pelarut dan alat pengangkut dalam metabolisme. 

2. Sumber energi 

      Ada beberapa sumber energi untuk mikroba yaitu senyawa organik atau anorganik yang dapat dioksidasi dan cahaya terutama cahaya matahari.

3. Sumber karbon 

       Sumber karbon untuk mikroba dapat berbentuk senyawa organik maupun anorganik. Senyawa organik meliputi karbohidrat, lemak, protein, asam amino, asam organik, garam asam organik, polialkohol, dan sebagainya. Senyawa anorganik misalnya karbonat dan gas CO2 yang merupakan sumber karbon utama terutama untuk tumbuhan tingkat tinggi. 

4. Sumber aseptor elektron 

      Proses oksidasi biologi merupakan proses pengambilan dan pemindahan elektron dari substrat. Karena elektron dalam sel tidak berada dalam bentuk bebas, maka harus ada suatu zat yang dapat menangkap elektron tersebut. Penangkap elektron ini disebut aseptor elektron. Aseptor elektron ialah agensia pengoksidasi. Pada mikrobia yang dapat berfungsi sebagai aseptor elektron ialah O2, senyawa organik, NO3 , NO2 -, N2O,SO4=, CO2, dan Fe3+. 

5. Sumber mineral

         Mineral merupakan bagian dari sel. Unsur penyusun utama sel ialah C, O, N, H, dan P. unsur mineral lainnya yang diperlukan sel ialah K, Ca, Mg, Na, S, Cl. Unsur mineral yang digunakan dalam jumlah sangat sedikit ialah Fe, Mn, Co, Cu, Bo, Zn, Mo, Al, Ni, Va, Sc, Si, Tu, dan sebagainya yang tidak diperlukan mikroba. Unsur yang digunakan dalam jumlah besar disebut unsur makro, dalam jumlah sedang unsur oligo, dan dalam jumlah sangat sedikit unsur mikro. Unsur mikro sering terdapat sebagai ikutan (impurities) pada garam unsur makro, dan dapat masuk ke dalam medium lewat kontaminasi gelas tempatnya atau lewat partikel debu. Selain berfungsi sebagai penyusun sel, unsur mineral juga berfungsi untuk mengatur tekanan osmosis, kadar ion H+ (kemasaman, pH), dan potensial oksidasireduksi (redox potential) medium. 

6. Faktor tumbuh 

      Faktor tumbuh ialah senyawa organik yang sangat diperlukan untuk pertumbuhan (sebagai prekursor, atau penyusun bahan sel) dan senyawa ini tidak dapat disintesis dari sumber karbon yang sederhana. Faktor tumbuh sering juga disebut zat tumbuh dan hanya diperlukan dalam jumlah sangat sedikit. Berdasarkan struktur dan fungsinya dalam metabolisme, faktor tumbuh digolongkan menjadi asam amino, sebagai penyusun protein; base purin dan pirimidin, sebagai penyusun asam nukleat; dan vitamin sebagai gugus prostetis atau bagian aktif dari enzim. 

7. Sumber nitrogen 

      Mikroba dapat menggunakan nitrogen dalam bentuk amonium, nitrat, asam amino, protein, dan sebagainya. Jenis senyawa nitrogen yang digunakan tergantung pada jenis mikrobanya. Beberapa mikroba dapat menggunakan nitrogen dalam bentuk gas N2 (zat lemas) udara. Mikroba ini disebut mikrobia penambat nitrogen.  

B. PENGGOLONGAN MIKROBA BERDASARKAN NUTRISI DAN OKSIGEN 

1. Berdasarkan sumber karbon 

       Berdasarkan atas kebutuhan karbon mikroba dibedakan menjadi mikroba autotrof dan heterotrof. Mikroba autotrof ialah mikroba yang memerlukan sumber karbon dalam bentuk anorganik, misalnya CO2 dan senyawa karbonat. Mikroba heterotrof ialah mikroba yang memerlukan sumber karbon dalam bentuk senyawa organik. Mikroba heterotrof dibedakan lagi menjadi mikroba saprofit dan parasit. Mikroba saprofit ialah mikroba yang dapat menggunakan bahan organik yang berasal dari sisa mikroba hidup atau sisa mikroba yang telah mati. Mikroba parasit ialah mikroba yang hidup di dalam mikroba hidup lain dan menggunakan bahan dari mikroba inang (hospes)-nya. Mikroba parasit yang dapat menyebabkan penyakit pada inangnya disebut mikroba patogen.

2. Berdasarkan sumber energi 

     Berdasarkan atas sumber energi mikroba dibedakan menjadi mikroba fautotrof, jika menggunakan energi cahaya; dan khemotrof, jika menggunakan energi dari reaksi kimia. Jika didasarkan atas sumber energi dan karbonnya, maka dikenal mikroba fotoautotrof, fotoheterotrof, khemoautotrof dan khemoheterotrof. 

3. Berdasarkan sumber donor elektron 

    Berdasarkan atas sumber donor elektron mikroba digolongkan manjadi mikroba litotrof dan organotrof. Mikroba litotrof ialah mikroba yang dapat menggunakan donor elektron dalam bentuk senyawa anorganik seperti H2, NH3, H2S, dan S. mikroba organotrof ialah mikroba yang menggunakan donor elektron dalam bentuk senyawa organik. 

4. Berdasarkan sumber energi dan donor elektron 

Berdasarkan atas sumber energi dan sumber donor elektron mikroba dapat digolongkan menjadi mikroba fotolitotrof, fotoorganotrof, khemolitotrof, dan khemoorganotrof. 

5. Berdasarkan kebutuhan oksigen 

      Berdasarkan akan kebutuhan oksigen, mikroba dapat digolongkan dalam mikroba aerob,anaerob, mikroaerob, anaerob fakultatif, dan kapnofil. Mikroba aerob ialah mikroba yang menggunakan oksigen bebas (O2) sebagai satusatunya aseptor hidrogen yang terakhir dalam proses respirasinya. Jasa anaerob, sering disebut anaerob obligat atau anaerob 100% ialah mikroba yang tidak dapat menggunakan oksigen bebas sebagai aseptor hidrogen terakhir dalam proses respirasinya. Mikroba mikroaerob ialah mikroba yang hanya memerlukan oksigen dalam jumlah yang sangat sedikit. Mikroba aerob fakultatif ialah mikroba yang dapat hidup dalam keadaan anaerob maupun aerob. Mikroba ini juga bersifat anaerob toleran. Mikroba kapnofil ialah mikroba yang memerlukan kadar oksigen rendah dan kadar CO2 tinggi.  

C. INTERAKSI ANTAR MIKROBA DALAM MENGGUNAKAN NUTRIEN 

       Jika dua atau lebih mikroba yang berbeda ditumbuhkan bersama-sama dalam suatu medium, maka aktivitas metabolismenya secara kualitatif maupun kuantitatif akan berbeda jika dibandingkan dengan jumlah aktivitas masing-masing mikroba yang ditumbuhkan dalam medium yang sama tetapi terpisah. Fenomena ini merupakan hasil interaksi metabolisme atau interaksi dalam penggunaan nutrisi yang dikenal sebagai sintropik atau sintropisme atau sinergitik.  Sebagai contoh ialah bakteri penghasil metan yang anaerob obligat tidak dapat menggunakan glukosa sebagai substrat, tetapi bakteri tersebut akan segera tumbuh oleh adanya hasil metabolisme bakteri anaerob lain yang dapat menggunakan glukosa. Contoh lain ialah biakan campuran yang terdiri atas dua jenis mikroba atau lebih sering tidak memerlukan faktor tumbuh untuk pertumbuhannya. Mikroba yang dapat mensintesis bahan selnya dari senyawa organik sederhana dalam medium, akan mengekskresikan berbagai vitamin atau asam amino yang sangat penting untuk mikroba lainnya. Adanya ekskresi tersebut memungkinkan tumbuhnya mikroba lain. Kenyataan ini dapat menimbulkan koloni satelit yang dapat dilihat pada medium padat. Koloni satelit hanya dapat tumbuh kalau ada ekskresi dari mikroba lain yang menghasilkan faktor tumbuh esensiil bagi mikroba tersebut. 

Bentuk interaksi lain adalah cross feeding yang merupakan bentuk sederhana dari simbiosis mutualistik. Dalam interaksi ini pertumbuhan mikroba yang satu tergantung pada pertumbuhan mikroba lainnya, karena kedua mikroba tersebut saling memerlukan faktor tumbuh esensiil yang diekskresikan oleh masing-masing mikroba.  

D. MEDIUM PERTUMBUHAN MIKROBA 

        Susunan dan kadar nutrisi suatu medium untuk pertumbuhan mikroba harus seimbang agar mikroba dapat tumbuh optimal. Hal ini perlu dikemukakan mengingat banyak senyawa yang menjadi zat penghambat atau racun bagi mikroba jika kadarnya terlalu tinggi (misalnya garam dari asam lemak, gula, dan sebagainya). Banyak alga yang sangat peka terhadap fosfat anorganik. Disamping itu dalam medium yang terlalu pekat aktivitas metabolisme dan pertumbuhan mikroba dapat berubah. Perubahan faktor lingkungan menyebabkan aktivitas fisiologi mikroba dapat terganggu, bahkan mikroba dapat mati. Medium memerlukan kemasaman (pH) tertentu tergantung pada jenis mikroba yang ditumbuhkan. Aktivitas metabolisme mikroba dapat mengubah pH, sehingga untuk mempertahankan pH medium ditambahkan bahan buffer. Beberapa komponen penyusun medium dapat juga berfungsi sebagai buffer. 

E. MACAM MEDIUM PERTUMBUHAN 

1. Medium dasar/ basal mineral 

       Medium dasar adalah medium yang mengandung campuran senyawa anorganik. Medium dasar ini selanjutnya ditambah zat lain apabila diperlukan, misalnya sumber karbon, sumber energi, sumber nitrogen, faktor tumbuh, dan faktor lingkungan yang penting seperti pH dan oksigen serta tekanan osmosis. 

2. Medium sintetik 

       Medium sintetik adalah medium yang seluruh susunan kimia dan kadarnya telah diketahui dengan pasti. Sebagai contoh adalah medium dasar yang ditambah NH4Cl (medium 1) dengan sumber karbon berupa gas CO2, apabila diinkubasikan dalam keadaan gelap dapat digunakan untuk menumbuhkan bakteri nitrifikasi khemoautotrof, misalnya bakteri Nitrosomonas. Bakteri ini memperoleh energi dari oksidasi amonium,selain itu amonium juga berfungsi sebagai sumber nitrogen. Contoh lain adalah medium dengan susunan sama dengan medium 1 tetapi ditambah glukosa (medium 2). Dalam keadaan aerob merupakan medium untuk perbanyakan jamur dan bakteri yang bersifat heterotrof. Glukosa berfungsi sebagai sumber karbon dan sumber energi. Dalam keadaan anaerob, medium ini dapat digunakan untuk menumbuhkan bakteri fakultatif anaerob maupun anaerob obligat. Energi diperoleh dari hasil fermentasi glukosa. Untuk menumbuhkan mikroba yang memerlukan faktor tumbuh dapat menggunakan medium yang komposisinya sama dengan medium 2 tetapi ditambah asam nikotinat (vitamin) sebagai faktor tumbuh (medium 3).

  3. Medium kompleks

         Medium kompleks adalah medium yang susunan kimianya belum diketahui dengan pasti. Sebagai contoh medium ini adalah medium dasar yang ditambah glukosa  dan ekstrak khamir (medium 4). Susunan kimia ekstrak khamir tidak diketahui secara  pasti, tetapi mengandung berbagai faktor tumbuh yang sering diperlukan oleh mikroba. Medium ini dapat untuk menumbuhkan mikroba khemoheterotrof aerob maupun anaerob baik yang memerlukan maupun yang tidak memerlukan faktor tumbuh. Medium yang juga termasuk medium kompleks adalah yang mengandung ekstrak tanah. 

4. Medium diperkaya  Medium Medium diperkaya adalah medium yang ditambah zat tertentu yang merupakan nutrisi spesifik untuk jenis mikroba tertentu. Medium ini digunakan untuk membuat kultur diperkaya (enrichment culture) dan untuk mengisolasi mikroba spesifik, dengan cara mengatur faktor lingkungan (suhu, pH, cahaya), kebutuhan nutrisi spesifik dan sifat fisiologinya. Dengan demikian dapat disusun medium diperkaya untuk bakteri yang bersifat khemoheterotrof, khemoautotrof, fotosintetik, dan untuk mikroba lain yang bersifat spesifik. 

Special thank’s to : Yermia S. Mokosuli, S.Si, M.Si & Drs.H.M. Sumampouw, M.Pd  sebagai dosen dan pemberi materi

Ptresented By : Raldo Rasuh

 

 

 
Leave a comment

Posted by on March 27, 2013 in Uncategorized

 

Pertumbuhan Mikroba

       Pertumbuhan adalah penambahan secara teratur semua komponen sel suatu mikroba. Pembelahan sel adalah hasil dari pembelahan sel. Pada mikroba bersel tunggal (uniseluler), pembelahan atau perbanyakan sel merupakan pertambahan jumlah individu. Misalnya pembelahan sel pada bakteri akan menghasilkan pertambahan jumlah sel bakteri itu sendiri. Pada mikroba bersel banyak (multiseluler), pembelahan sel tidak menghasilkan pertambahan jumlah individunya, tetapi hanya merupakan pembentukan jaringan atau bertambah besar mikrobanya. Dalam membahas pertumbuhan mikrobia harus dibedakan antara pertumbuhan masing-masing individu sel dan pertumbuhan kelompok sel atau pertumbuhan populasi.

A. Pertumbuhan Populasi 

        Pertumbuhan dapat diamati dari meningkatnya jumlah sel atau massa sel (berat kering sel). Pada umumnya bakteri dapat memperbanyak diri dengan pembelahan biner, yaitu dari satu sel membelah menjadi 2 sel baru, maka pertumbuhan dapat diukur dari bertambahnya jumlah sel. Waktu yang diperlukan untuk membelah diri dari satu sel menjadi dua sel sempurna disebut waktu generasi. Waktu yang diperlukan oleh sejumlah sel atau massa sel menjadi dua kali jumlah/massa sel semula disebut doubling time atau waktu penggandaan. Waktu penggandaan tidak sama antara berbagai mikrobia, dari beberapa menit, beberapa jam sampai beberapa hari tergantung kecepatan pertumbuhannya. Kecepatan pertumbuhan merupakan perubahan jumlah atau massa sel per unit waktu.

B. Pengukuran Pertumbuhan

        Pertumbuhan diukur dari perubahan jumlah sel atau berat kering massa sel. Jumlah sel dapat dihitung dari jumlah sel total yang tidak membedakan jumlah sel hidup atau mati, dan jumlah sel hidup (viable count). Jumlah total sel mikrobia dapat ditetapkan secara langsung dengan pengamatan mikroskopis, dalam bentuk sampel kering yang diletakkan di permukaan gelas benda (slide) dan dalam sampel cairan yang diamati menggunakan metode counting chamber, misalnya dengan alat Petroff-Hausser Bacteria Counter (PHBC) untuk menghitung bakteri atau dengan alat haemocytometer untuk menghitung khamir, spora, atau sel-sel yang ukurannya relatif lebih besar dari bakteri.  Jumlah sel hidup dapat ditetapkan dengan metode plate count atau colony count, dengan cara ditaburkan pada medium agar sehingga satu sel hidup akan tumbuh membentuk satu koloni, jadi jumlah koloni dianggap setara dengan jumlah sel. Cara ini ada dua macam, yaitu metode taburan permukaan (spread plate method) dan metode taburan (pour plate method). Cara lain untuk menghitung jumlah sel hidup adalah dengan filter membran dan MPN (Most Probable Number) yang menggunakan medium cair. Sampel mikrobia yang dihitung biasanya dibuat seri pengenceran.  Pertumbuhan sel dapat diukur dari massa sel dan secara tidak langsung dengan mengukur turbiditas cairan medium tumbuh. Massa sel dapat dipisahkan dari cairan mediumnya menggunakan alat sentrifus (pemusing) sehingga dapat diukur volume massa selnya atau diukur berat keringnya (dikeringkan dahulu dengan pemanasan pada suhu 90-1100C semalam). Umumnya berat kering bakteri adalah 10-20 % dari berat basahnya.  Turbiditas dapat diukur menggunakan alat photometer (penerusan cahaya), semakin pekat atau semakin banyak populasi mikrobia maka cahaya yang diteruskan semakin sedikit. Turbiditas juga dapat diukur menggunakan spektrofotometer (optical density/ OD), yang sebelumnya dibuat kurva standart berdasarkan pengukuran jumlah sel baik secara total maupun yang hidup saja atau berdasarkan berat kering sel. Unit photometer atau OD proporsional dengan massa sel dan juga jumlah sel, sehingga cara ini dapat digunakan untuk memperkirakan jumlah atau massa sel secara tidak langsung.

C. Pertumbuhan Populasi Mikroba 

      Suatu bakteri yang dimasukkan ke dalam medium baru yang sesuai akan tumbuh memperbanyak diri. Jika pada waktu-waktu tertentu jumlah bakteri dihitung dan dibuat grafik hubungan antara jumlah bakteri dengan waktu maka akan diperoleh suatu grafik atau kurva pertumbuhan. Pertumbuhan populasi mikrobia dibedakan menjadi dua yaitu biakan sistem tertutup (batch culture) dan biakan sistem terbuka (continous culture).  Pada biakan sistem tertutup, pengamatan jumlah sel dalam waktu yang cukup lama akan memberikan gambaran berdasarkan kurva pertumbuhan bahwa terdapat fase-fase pertumbuhan. Fase pertumbuhan dimulai pada fase permulaan, fase pertumbuhan yang dipercepat, fase pertumbuhan logaritma (eksponensial), fase pertumbuhan yang mulai dihambat, fase stasioner maksimum, fase kematian dipercepat, dan fase kematian logaritma.  Pada fase permulaan, bakteri baru menyesuaikan diri dengan lingkungan yang baru, sehingga sel belum membelah diri. Sel mikrobia mulai membelah diri pada fase pertumbuhan yang dipercepat, tetapi waktu generasinya masih panjang. Fase permulaan sampai fase pertumbuhan dipercepat sering disebut lag phase. Kecepatan sel membelah diri paling cepat terdapat pada fase pertumbuhan logaritma atau pertumbuhan eksponensial, dengan waktu generasi pendek dan konstan. Selama fase logaritma, metabolisme sel paling aktif, sintesis bahan sel sangat cepat dengan jumlah konstan sampai nutrien habis atau terjadinya penimbunan hasil metabolisme yang menyebabkan terhambatnya pertumbuhan. Selanjutnya pada fase pertumbuhan yang mulai terhambat, kecepatan pembelahan sel berkurang dan jumlah sel yang mati mulai bertambah.  Pada fase stasioner maksimum jumlah sel yang mati semakin meningkat sampai terjadi jumlah sel hidup hasil pembelahan sama dengan jumlah sel yang mati, sehingga jumlah sel hidup konstan, seolah-olah tidak terjadi pertumbuhan (pertumbuhan nol). Pada fase kematian yang dipercepat kecepatan kematian sel terus meningkat sedang kecepatan pembelahan sel nol, sampai pada fase kematian logaritma maka kecepatan kematian sel mencapai maksimal, sehingga jumlah sel hidup menurun dengan cepat seperti deret ukur. Walaupun demikian penurunan jumlah sel hidup tidak mencapai nol, dalam jumlah minimum tertentu sel mikrobia akan tetap bertahan sangat lama dalam medium tersebut. 

D. Analisis Pertumbuhan Eksponensial 

Untuk menganalisis pertumbuhan eksponensial dapat menggunakan grafik pertumbuhan atau dengan perhitungan secara matematis.

Rumus matematika pertumbuhan menggunakan persamaan diferensial:  dX / dt = µX (1) X: jumlah sel / komponen sel spesifik (protein)  µ: konstanta kecepatan pertumbuhan   Dalam bentuk logaritma dengan bilangan dasar e, rumus yang menggambarkan aktivitas populasi mikrobia dalam biakan sistem tertutup adalah:  ln X = ln X0 + µ(t) (2) X0: jumlah sel pada waktu nol, X: jumlah sel pada waktu t, t: waktu pertumbuhan  diamati.   Dalam bentuk antilogaritma menjadi:  X = X0eµt (3)    Untuk memperkirakan kerapatan populasi pada waktu yang akan datang dengan µ sebagai konstante pertumbuhan yang berlaku. Parameter penting untuk konstante pertumbuhan populasi secara eksponensial adalah waktu generasi (waktu penggandaan). Penggandaan populasi terjadi saat X / X0 =2, sehingga rumus (3) menjadi:  2 = eµ (t generasi) (4)   Dalam bentuk logaritma dengan bilangan dasar e:  µ = ln 2 / t generasi = 0,693 / t generasi (5) 

Waktu generasi (t generasi) dapat digunakan untuk mengetahui parameter lain, seperti k( konstante kecepatan pertumbuhan) sebagai berikut:  k = 1 / t generasi (6)   Untuk biakan sistem tertutup, kombinasi persamaan 5 dan 6 menunjukkan bahwa 2  konstante kecepatan pertumbuhan µ dan k saling berhubungan:  µ = 0,693 k (7)   µ dan k, keduanya menggambarkan proses pertumbuhan yang sama dari peningkatan populasi secara eksponensial. Perbedaan diantaranya adalah, µ merupakan konstante kecepatan pertumbuhan yang berlaku, yang digunakan untuk memperkirakan kecepatan pertumbuhan populasi dari masing-masing aktivitas sel individual dan dapat digunakan untuk mengetahui dinamika pertumbuhan secara teoritis, sedang k adalah nilai rata-rata populasi pada periode waktu terbatas, yang menggambarkan asumsi rata-rata pertumbuhan populasi. 

E. Biakan Sistem Terbuka (Continuous culture) dalam Khemostat 

       Di dalam sistem ini, sel dapat dipertahankan terus menerus pada fase pertumbuhan eksponensial / fase pertumbuhan logaritma. Continuous culture mempunyai ciri ukuran populasi dan kecepatan pertumbuhan dapat diatur pada nilai konstan menggunakan khemostat. Untuk mengatur proses di dalam khemostat, diatur kecepatan aliran medium dan kadar substrat (nutrien pembatas). Sebagai nutrien pembatas dapat menggunakan sumber C (karbon), sumber N atau faktor tumbuh.  Pada sistem ini , ada aliran keluar untuk mempertahankan volume biakan dalam khemostat sehingga tetap konstan (misal V ml). Jika aliran masuk ke dalam tabung biakan adalah W ml/jam, maka kecepatan pengenceran kultur adalah D = W/V per jam. D disebut sebagai kecepatan pengenceran (dilution rate). Populasi sel dalam tabung biakan dipengaruhi oleh peningkatan populasi sebagai hasil pertumbuhan dan pengenceran kadar sel sebagai akibat penambahan medium baru dan pelimpahan aliran keluar tabung biakan. Kecepatan pertumbuhannya dirumuskan sebagai berikut:  dX/dt = µ X – DX = (µ – D) X.  Pada keadaan mantap (steady state), maka µ = D, sehingga dX/dt = 0. Dengan sistem ini sel seolah-olah dibuat dalam keadaan setengah kelaparan, dengan nutreian pembatas. Kadar nutrien yang rendah menyebabkan kecepatan pertumbuhan berbandng lurus dengan kadar nutrien atau substrat tersebut, sehingga kecepatan pertumbuhan adalah sebagai fungsi konsentrasi nutrien, dengan persamaan:  µ = µmax S / (Ks + S) 

µmax: kecepatan pertumbuhan pada keadaan nutrien berlebihan 

S : konstante nutrien  Ks : konstante pada konsentrasi nutrien saat µ = ½ µmax.  

Aktivitas mikroba dipengaruhi oleh faktor-faktor lingkungannya. Perubahan lingkungan dapat mengakibatkan perubahan sifat morfologi dan fisiologi mikroba. beberapa kelompok mikroba sangat resisten terhadap perubahan faktor lingkungan. Mikroba tersebut dapat dengan cepat menyesuaikan diri dengan kondisi baru tersebut. Faktor lingkungan meliputi faktor-faktor abiotik (fisika dan kimia), dan faktor biotik. 

FAKTOR ABIOTIK 

1.Suhu 

a. Suhu pertumbuhan

        Pertumbuhan mikroba memerlukan kisaran suhu tertentu. Kisaran suhu pertumbuhan dibagi menjadi suhu minimum, suhu optimum, dan suhu maksimum. Suhu minimum adalah suhu terendah tetapi mikroba masih dapat hidup. Suhu optimum adalah suhu paling baik untuk pertumbuhan mikroba.  Suhu maksimum adalah suhu tertinggi untuk kehidupan mikroba. Berdasarkan kisaran suhu pertumbuhannya, mikroba dapat dikelompokkan menjadi mikroba psikrofil (kriofil), mesofil, dan termofil. Psikrofil adalah kelompok mikroba yang dapat tumbuh pada suhu 0-300C dengan suhu optimum sekitar 150C.  Mesofil adalah kelompok mikroba pada umumnya, mempunyai suhu minimum 150C suhu optimum 25-370C dan suhu maksimum 45-550C. Mikroba yang tahan hidup pada suhu tinggi dikelompokkan dalam mikroba termofil.  Mikroba ini mempunyai membran sel yang mengandung lipida jenuh, sehingga titik didihnya tinggi. Selain itu dapat memproduksi protein termasuk enzim yang tidak terdenaturasi pada suhu tinggi. Di dalam DNA-nya mengandung guanin dan sitosin dalam jumlah yang relatif besar, sehingga molekul DNA tetap stabil pada suhu tinggi. 

Kelompok ini mempunyai suhu minimum 40 0C, optimum pada suhu 55-60 0C dan suhu maksimum untuk pertumbuhannya 75 0C.  Untuk mikroba yang tidak tumbuh dibawah suhu 30 0C dan mempunyai suhu pertumbuhan optimum pada 60 0C, dikelompokkan kedalam mikroba termofil obligat. Untuk mikroba termofil yang dapat tumbuh dibawah suhu 30 0C, dimasukkan kelompok mikroba termofil fakultatif. Bakteri yang hidup di dalam tanah dan air, umumnya bersifat mesofil, tetapi ada juga yang dapat hidup diatas 50 0C (termotoleran). Contoh bakteri termotoleran adalah Methylococcus capsulatus. Contoh bakteri termofil adalah Bacillus, Clostridium, Sulfolobus, dan bakteri pereduksi sulfat/sulfur. Bakteri yang hidup di laut (fautotrof) dan bakteri besi (Gallionella) termasuk bakteri psikrofil.  

b. Suhu tinggi 

     Apabila mikroba dihadapkan pada suhu tinggi diatas suhu maksimum, akan memberikan beberapa macam reaksi. 

(1) Titik kematian thermal, adalah suhu yang dapat memetikan spesies mikroba dalam waktu 10 menit pada kondisi tertentu. 

(2) Waktu kematian thermal, adalah waktu yang diperlukan untuk membunuh suatu spesies mikroba pada suatu suhu yang tetap. Faktor-faktor yang mempengaruhi titik kematian thermal ialah waktu, suhu, kelembaban, spora, umur mikroba, pH dan komposisi medium.

c. Suhu rendah 

        Apabila mikroba dihadapkan pada suhu rendah dapat menyebabkan gangguan metabolisme. Skibat-akibatnya adalah

(1) Cold shock, adalah penurunan suhu yang tiba-tiba menyebabkan kematian bakteri, terutama pada bakteri muda atau pada fase logaritmik,

(2) Pembekuan (freezing), adalah rusaknya sel dengan adanya kristal es di dalam air intraseluler,

(3) Lyofilisasi , adalah proses pendinginan dibawah titik beku dalam keadaan vakum secara bertingkat. Proses ini dapat digunakan untuk mengawetkan mikroba karena air protoplasma langsung diuapkan tanpa melalui fase cair (sublimasi).  

2. Kandungan air (pengeringan).

Setiap mikroba memerlukan kandungan air bebas tertentu untuk hidupnya, biasanya diukur dengan parameter aw (water activity) atau kelembaban relatif. Mikroba umumnya dapat tumbuh pada aw 0,998-0,6. bakteri umumnya memerlukan aw 0,90-0,999. Mikroba yang osmotoleran dapat hidup pada aw terendah (0,6) misalnya khamir Saccharomyces rouxii. Aspergillus glaucus dan jamur benang lain dapat tumbuh pada aw 0,8. Bakteri umumnya memerlukan aw atau kelembaban tinggi lebih dari 0,98, tetapi bakteri halofil hanya memerlukan aw 0,75. Mikroba yang tahan kekeringan adalah yang dapat membentuk spora, konidia atau dapat membentuk kista.

3. Tekanan osmosis

       Tekanan osmosis sebenarnya sangat erat hubungannya dengan kandungan air. Apabila mikroba diletakkan pada larutan hipertonis, maka selnya akan mengalami plasmolisis, yaitu terkelupasnya membran sitoplasma dari dinding sel akibat mengkerutnya sitoplasma. Apabila diletakkan pada larutan hipotonis, maka sel mikroba akan mengalami plasmoptisa, yaitu pecahnya sel karena cairan masuk ke dalam sel, sel membengkak dan akhirnya pecah.  Berdasarkan tekanan osmosis yang diperlukan dapat dikelompokkan menjadi

(1) mikroba osmofil, adalah mikroba yang dapat tumbuh pada kadar gula tinggi,

(2) mikroba halofil, adalah mikroba yang dapat tumbuh pada kadar garam halogen yang tinggi,

(3) mikroba halodurik, adalah kelompok mikroba yang dapat tahan (tidak mati) tetapi tidak dapat tumbuh pada kadar garam tinggi, kadar garamnya dapat mencapai 30 %. Contoh mikroba osmofil adalah beberapa jenis khamir. Khamir osmofil mampu tumbuh pada larutan gula dengan konsentrasi lebih dari 65 % wt/wt (aw = 0,94). Contoh mikroba halofil adalah bakteri yang termasuk Archaebacterium, misalnya Halobacterium. Bakteri yang tahan pada adar garam inggi, umumnya mempunyai kandungan KCl ang tinggi dalam selnya. Selain itu bakteri ini memerlukan konsentrasi Kalium yang tinggi untuk stabilitas ribosomnya. Bakteri halofil ada yang mempunyai membran purple bilayer, dinding selnya terdiri dari murein, sehingga tahan terhadap ion Natrium.  

4. Ion-ion dan listrik 

a. Kadar ion hidrogen (pH). 

       Mikroba umumnya menyukai pH netral (pH 7). Beberapa bakteri dapat hidup pada pH tinggi (medium alkalin). Contohnya adalah bakteri nitrat, rhizobia, actinomycetes, dan bakteri pengguna urea. Hanya beberapa bakteri yang bersifat toleran terhadap kemasaman, misalnya Lactobacilli, Acetobacter, dan Sarcina ventriculi. Bakteri yang bersifat asidofil misalnya Thiobacillus. Jamur umumnya dapat hidup pada kisaran pH rendah. Apabila mikroba ditanam pada media dengan pH 5 maka pertumbuhan didominasi oleh jamur, tetapi apabila pH media 8 maka pertumbuhan didominasi oleh bakteri. 

Berdasarkan pH-nya mikroba dapat dikelompokkan menjadi 3 yaitu(a) mikroba asidofil, adalah kelompok mikroba yang dapat hidup pada pH 2,0-5,0, (b) mikroba mesofil (neutrofil), adalah kelompok mikroba yang dapat hidup pada pH 5,5-8,0, dan (c) mikroba alkalifil, adalah kelompok mikroba yang dapat hidup pada pH 8,4-9,5.

b. Buffer 

    Untuk menumbuhkan mikroba pada media memerlukan pH yang konstan, terutama pada mikroba yang dapat menghasilkan asam. Misalnya Enterobacteriaceae dan beberapa Pseudomonadaceae. Oleh karenanya ke dalam medium diberi tambahan buffer untuk menjaga agar pH nya konstan. Buffer merupakan campuran garam mono dan dibasik, maupun senyawa-senyawa organik amfoter. Sebagai contoh adalah buffer fosfat anorganik dapat mempertahankan pH diatas 7,2. Cara kerja buffe adalah garam dibasik akan mengadsorbsi ion H+ dan garam monobasik akan bereaksi dengan ion OH  

c. Ion-ion lain Logam berat seperti Hg, Ag, Cu, Au, dan Pb pada kadar rendah dapat bersifat meracun (toksis).

       Logam berat mempunyai daya oligodinamik, yaitu daya bunuh logam berat pada kadar rendah. Selain logam berat, ada ion-ion lain yang dapat mempengaruhi kegiatan fisiologi mikroba, yaitu ion sulfat, tartrat, klorida, nitrat, dan benzoat. Ion-ion tersebut dapat mengurangi pertumbuhan mikroba tertentu. Oleh karena itu sering digunakan untuk mengawetkan suatu bahan, misalnya digunakan dalam pengawetan makanan. Ada senyawa lain yang juga mempengaruhi fisiologi mikroba, misalnya asam benzoat, asam asetat, dan asam sorbat.  

d. Listrik 

     Listrik dapat mengakibatkan terjadinya elektrolisis bahan penyusun medium pertumbuhan. Selain itu arus listrik dapat menghasilkan panas yang dapat mempengaruhi pertumbuhan mikroba. Sel mikroba dalam suspensi akan mengalami elektroforesis apabila dilalui arus listrik. Arus listrik tegangan tinggi yang melalui suatu cairan akan menyebabkan terjadinya shock karena tekanan hidrolik listrik. Kematian mikroba akibat shock terutama disebabkan oleh oksidasi. Adanya radikal ion dari ionisasi radiasi dan terbentuknya ion logam dari elektroda juga menyebabkan kematian mikroba. 

e. Radiasi 

    Radiasi menyebabkan ionisasi molekul-molekul di dalam protoplasma. Cahaya umumnya dapat merusak mikroba yang tidak mempunyai pigmen fotosintesis. Cahaya mempunyai pengaruh germisida, terutama cahaya bergelombang pendek dan bergelombang panjang. Pengaruh germisida dari sinar bergelombang panjang disebabkan oleh panas yang ditimbulkannya, misalnya sinar inframerah. Sinar x (0,005-1,0 Ao), sinar ultra violet (4000-2950 Ao), dan sinar radiasi lain dapat membunuh mikroba. Apabila tingkat iradiasi yang diterima sel mikroba rendah, maka dapat menyebabkan terjadinya mutasi pada mikroba. 

f. Tegangan muka 

Tegangan muka mempengaruhi cairan sehingga permukaan cairan tersebut menyerupai membran yang elastis. Seperti telah diketahui protoplasma mikroba terdapat di dalam sel yang dilindungi dinding sel, maka apabilaada perubahan tegangan muka dinding sel akan mempengaruhi pula permukaan protoplasma. Akibat selanjutnya dapat mempengaruhi pertumbuhan mikroba dan bentuk morfologinya. Zat-at seperti sabun, deterjen, dan zat-zat pembasah (surfaktan) seperti Tween80 dan Triton A20 dapat mengurangi tegangan muka cairan/larutan. Umumnya mikroba cocok pada tegangan muka yang relatif tinggi.  

g. Tekanan hidrostatik 

      Tekanan hidrostatik mempengaruhi metabolisme dan pertumbuhan mikroba. Umumnya tekanan 1-400 atm tidak mempengaruhi atau hanya sedikit mempengaruhi metabolisme dan pertumbuhan mikroba. Tekanan hidrostatik yang lebih tinggi lagi dapat menghambat atau menghentikan pertumbuhan, oleh karena tekanan hidrostatik tinggi dapat menghambat sintesis RNA, DNA, dan protein, serta mengganggu fungsi transport membran sel maupun mengurangi aktivitas berbagai macam enzim.Tekanan diatas 100.000 pound/inchi2 menyebabkan denaturasi protein. Akan tetapi ada mikroba yang tahan hidup pada tekanan tinggi (mikroba barotoleran), dan ada mikroba yang tumbuh optimal pada tekanan tinggi sampai 16.000 pound/inchi2 (barofil). Mikroba yang hidup di laut dalam umumnya adalah barofilik atau barotoleran. Sebagai contoh adalah bakteri Spirillum.  

h. Getaran 

       Getaran mekanik dapat merusakkan dinding sel dan membran sel mikroba. Oleh karena itu getaran mekanik banyak dipakai untuk memperoleh ekstrak sel mikroba. Isi sel dapat diperoleh dengan cara menggerus sel-sel dengan menggunakan abrasif atau dengan cara pembekuan kemudian dicairkan berulang kali. Getaran suara 100-10.000 x/ detik juga dapat digunakan untuk memecah sel.  

FAKTOR BIOTIK 

Di alam jarang sekali ditemukan mikroba yang hidup sebagai biakan murni, tetapi selalu berada dalam asosiasi dengan mikroba-mikroba lain. Antar mikroba dalam satu populasi atau antar populasi mikroba yang satu dengan yang lain saling berinteraksi. 

1. Interaksi dalam satu populasi mikroba. Interaksi antar mikrba dalam satu populasi yang sama ada dua macam, yaitu interaksi positif maupun negatif. Interaksi positif menyebabkan meningkatnya kecepatan pertumbuhan sebagai efek sampingnya. Meningkatnya kepadatan populasi, secara teoritis meningkatkan kecepatan pertumbuhan. Interaksi positif disebut juga kooperasi. Sebagai contoh adalah pertumbuhan satu sel mikroba menjadi koloni atau pertumbuhan pada fase lag (fase adaptasi). Interaksi negatif menyebabkan turunnya kecepatan pertumbuhan dengan meningkatnya kepadatan populasi. Misalnya populasi mikroba yang ditumbuhkan dalam substrat terbatas, atau adanya produk metabolik yang meracun. Interaksi negatif disebut juga kompetisi. Sebagai contoh jamur Fusarium dan Verticillium pada tanah sawah, dapat menghasilkan asam lemak dan H2S yang bersifat meracun.  

2. Interaksi antar berbagai macam populasi mikroba.  Apabila dua populasi yang berbeda berasosiasi, maka akan timbul berbagai macam interaksi. Interaksi tersebut menimbulkan pengaruh positif, negatif, ataupun tidak ada pengaruh antar populasi mikroba yang satu dengan yang lain. Nama masing-masing interaksi adalah sebagai berikut: 

a. Netralisme 

       Netralisme adalah hubungan antara dua populasi yang tidak saling mempengaruhi. Hal ini dapat terjadi pada kepadatan populasi yang sangat rendah atau secara fisik dipisahkan dalam mikrohabitat, serta populasi yang keluar dari habitat alamiahnya. Sebagai contoh interaksi antara mikroba allocthonous (nonindigenous) dengan mikroba autochthonous (indigenous), dan antar mikroba nonindigenous di atmosfer yang kepadatan populasinya sangat rendah. Netralisme juga terjadi pada keadaan mikroba tidak aktif, misal dalam keadaan kering beku, atau fase istirahat (spora, kista). 

b. Komensalisme 

      Hubungan komensalisme antara dua populasi terjadi apabila satu populasi diuntungkan tetapi populasi lain tidak terpengaruh. Contohnya adalah: – Bakteri Flavobacterium brevis dapat menghasilkan ekskresi sistein. Sistein dapat digunakan oleh Legionella pneumophila. – Desulfovibrio mensuplai asetat dan H2 untuk respirasi anaerobik Methanobacterium. 

c. Sinergisme

       Suatu bentuk asosiasi yang menyebabkan terjadinya suatu kemampuan untuk dapat melakukan perubahan kimia tertentu di dalam substrat. Apabila asosiasi melibatkan 2 populasi atau lebih dalam keperluan nutrisi bersama, maka disebut sintropisme. Sintropisme sangat penting dalam peruraian bahan organik tanah, atau proses pembersihan air secara alami. Contoh sinergisme: Streptococcus faecalis dan Escherichia coli E. coli Arginine Agmatine S. faecalis E. coli Putrescine Contoh sintropisme: Senyawa A Populasi mikroba 1 Senyawa B Populasi mikroba 2 Senyawa C Populasi mikroba 3 Energi dan hasil akhir 

d. Mutualisme (Simbiosis)

Mutualisme adalah asosiasi antara dua populasi mikroba yang keduanya saling tergantung dan sama-sama mendapat keuntungan. Mutualisme sering disebut juga simbiosis. Simbiosis bersifat sangat spesifik (khusus) dan salah satu populasi anggota simbiosis tidak dapat digantikan tempatnya oleh spesies lain yang mirip. Contohnya adalah Bakteri Rhizobium sp. yang hidup pada bintil akar tumbuhan kacang-kacangan. Contoh lain adalah Lichenes (Lichens), yang merupakan simbiosis antara alga sianobakteria dengan fungi. Alga (phycobiont) sebagai produser yang dapat menggunakan energi cahaya untuk menghasilkan senyawa organik. Senyawa organik dapat digunakan oleh fungi (mycobiont), dan fungi memberikan bentuk perlindungan (selubung) dan transport nutrien / mineral serta membentuk faktor tumbuh untuk alga. OrnithineLichenes 

e. Kompetisi 

      Hubungan negatif antara 2 populasi mikroba yang keduanya mengalami kerugian. Peristiwa ini ditandai dengan menurunnya sel hidup dan pertumbuhannya. Kompetisi terjadi pada 2 populasi mikroba yang menggunakan nutrien / makanan yang sama, atau dalam eadaan nutrien terbatas. Contohnya adalah antara protozoa Paramaecium caudatum dengan Paramaecium aurelia.

   f. Amensalisme (Antagonisme) 

       Satu bentuk asosiasi antar spesies mikroba yang menyebabkan salah satu pihak dirugikan, pihak lain diuntungkan atau tidak terpengaruh apapun. Umumnya merupakan cara untuk melindungi diri terhadap populasi mikroba lain. Misalnya dengan menghasilkan senyawa asam, toksin, atau antibiotika. Contohnya adalah bakteri Acetobacter yang mengubah etanol menjadi asam asetat. Thiobacillus thiooxidans menghasilkan asam sulfat. Asam-asam tersebut dapat menghambat pertumbuhan bakteri lain. Bakteri amonifikasi menghasilkan ammonium yang dapat menghambat populasi Nitrobacter. 

 g. Parasitisme 

       Parasitisme terjadi antara dua populasi, opulasi satu diuntungkan (parasit) dan populasi lain dirugikan (host / inang). Umumnya parasitisme terjadi karena keperluan nutrisi dan bersifat spesifik. Ukuran parasit biasanya lebih kecil dari inangnya. Terjadinya parasitisme memerlukan kontak secara fisik maupun metabolik serta waktu kontak yang relatif lama. Contohnya adalah bakteri Bdellovibrio yang memparasit bakteri E. coli. Jamur Trichoderma sp. memparasit jamur Agaricus sp. 

h. Predasi 

       Hubungan predasi terjadi apabila satu organisme predator memangsa atau memakan dan mencerna organisme lain (prey). Umumnya predator berukuran lebih besar dibandingkan prey, dan peristiwanya berlangsung cepat. Contohnya adalah Protozoa (predator) dengan bakteri (prey). Protozoa Didinium nasutum (predator) dengan Paramaecium caudatum (prey). 

Special thank’s to : Yermia S. Mokosuli, S.Si, M.Si & Drs.H.M. Sumampouw, M.Pd sebagai dosen da pemberi materi

Presented By : Raldo Rasuh

 
Leave a comment

Posted by on March 27, 2013 in Uncategorized

 

Bioenergetik mikroba

Pendahuluan 

       Bioenergetik mikroba mempelajari pembentukam dan penggunaan energi oleh mikroba. Mikroba melakukan proses metabolisme yang merupakan serangkaian reaksi kimia yang luar biasa banyaknya. Proses ini terdiri atas katabolisme yang merupakan proses perombakkan bahan disertai pembebasan energi (reaksi eksergonik), dan anabolisme yaitu merupakan proses biosintesis yang memerlukan energi (reaksi endergonik).

ATP sebagai molekul bernergi tinggi : energi seluler. Struktur ATP ATP dihasilkan dari nukleotida adenosin monofosfat (AMP) atau asam adenilik dengan penambahan 2 gugus fosfat terikat sebagai ikatan pirofosfat (~P). Dua Ikatan ini  kaya energi sehingga apabila dihidrolisis menghasilkan energi resonansi yang besar. ATP bekerja sebagai koenzim  dalam reaksi energetik (membutuhkan energi) dimana satu atau kedua gugus fosfat terminal dilepas dari molekul ATP dan energi ikatan yang dilepas digunakan memindahkan bagian dari molekul untuk mengaktifkan perannya dalam metabolisme. Sebagai contoh Glukoa + ATP  ð Glukosa-P + ADP atau Asam amino + ATP ð AMP-asamamino+PPi.

Struktur NAD  Nikotinamida adenin dinucleotida tersusun atas 2 molekul nukleotida : Adenosin monofosfat (Adenin + ribosa-fosfat) dan nikotidamida ribotida (nukotidamida +ribosa-fosfat). NADP memiliki struktur identik kecuali NADP mengandung tambahan gugus fosfat yang terikat pada satu residu ribosa. Bentuk Oksidasi dan reduksi dari nikotidamida NAD. Nikotidamida adalah bagian aktif dari molekul dimana reaksi reversibel oksidasi reduksi berlangsung dan memiliki muatan positif pada atom nitrogen yang memungkinkan menerima elektron kedua saat reduksi. Penulisan yang benar reaksi ini adalah : NAD+ + 2H ð NADH + H+. Atau juga dapat ditulis NAD dan NADH2.

A. Biooksidasi dan Pemindahan energi 

       Energi yang berasal dari cahaya harus diubah menjadi energi kimia sebelum digunakan dalam reaksi endergonik. Dalam sel, energi kimia terdapat dalam bentuk gugus organik berenergi tinggi. Gugus ini mengandung S atau P. Adenosin trifosfat (ATP) salah satu gugus berenergi tinggi yang terpenting. Bila kedua gugus fosfatnya dihidrolisis masing-masing menghasilkan 12000 kal/fosfat, sedang fosfat yang ketiga hanya menghasilkan 1500 kal. Energi yang dibebaskan ATP tergantung pada keadaan hidrolisisnya, terutama pH dan kadar reaktan. Meskipun ATP mengandung 2 fosfat berenergi tinggi, dalam reaksi umumnya hanya satu fosfat berenergi tinggi digunakan untuk aktivasi.  Oksidasi dalam sel dikatalisis oleh enzim yang mempunyai kofaktor atau gugus prostetis penerima proton atau elektron dari substrat dan memberikannya kepada aseptor lewat perantara yang mempunyai potensial redoks (Eo’) lebih tinggi dari pada donornya. Pembawa elektron yang terpenting adalah NAD, FMN, dan sitokrom.  1. Nikotinamid adenin dinukleotid (NAD). NAD berfungsi menerima hidrogen dari substrat yang direduksi  2. Flavin adenin mononukleotida (FMN) dan flavin adenin dinukleotida (FAD). Senyawa ini menerima hidrogen dari NADH2 atau langsung dari substrat.  3. Sitokrom (Cyt a, b, c)  Setiap sitokrom mempunyai Eo’ yang berbeda-beda, tetapi semuanya mengandung haem sebagai gugus prostetisnya dengan Fe sebagai aseptor elektron. Oksigen bereaksi dengan elektron menjadi ion O- dan dengan ion H+ membentuk H2O.  Gambar berikut menunjukkan reaksi oksidasi substrat lewat sistem transpor elektron, dengan nilai Eo’ masing-masing pembawa dan tempat reaksi pembentukan ATP.  Hubungan antara perubahan energi bebas dengan perubahan perbedaan energi potensial yang terjadi bila elektron lewat suatu sistem sbb: 

Fo = -nFUEo Fo = perubahan energi bebas (kal/mol) pada keadaan standar 

n = jumlah elektron yang lewat 

Eo = perbedaan potensial (volt) 

F = konstanta Farady (23.063 kal/volt equvalen) 

Untuk sistem biologi, n biasanya 2 dan Fo diganti F’ karena tidak pada keadaan standar, sehingga:  F’ = -46.126 x UEo’  

       Bila beda potensial suatu sistem sebelum dan sesudah oksidasi diketahui, dari persamaan diatas dapat dihitung jumlah energi yang dibebaskan selama oksidasi. Misalnya bila elektron lewat NADH2 ke O2, UEo’ = 1,14 volt, maka UF’ = -52.000 kal. Teoritis reaksi ini menghasilkan 4 fosfat berenergi tinggi. Bila reaksi ini dipelajari dengan mitokondria yang diisolasi dari mamalia, khamir dan jamur, ternyata oksidasi tersebut hanya menghasilkan 3 ATP dari setiap atom oksigen yang digunakan. Jadi efisiensinya hanya 70%.  Tabel 3.1 menunjukkan Eo beberapa sistem oksidasi reduksi biologi yang terpenting. Disini ditunjukkan energi terhitung yang dibebaskan bila elektron dari substrat pada Eo’ dari ketoglutarat lewat NAD dan sistem sitokrom ke oksigen. Ditunjukkan pula jumlah P yang dibentuk dalam mitokondria selama oksidasi. Terlihat bahwa tidak semua energi yang dibebaskan diubah menjadi gugus fosfat berenergi tinggi. Sebagian energi diubah menjadi panas. Tidak semua mikrobia mempunyai enzim transpor elektron lengkap.  Lactobacillus dan Clostridium tidak mempunyai sitokrom meskipun mempunyai enzim dengan piridin nukleotida dan gugus prostetis flavo protein.

       Lactobacillus mempunyai flavoprotein-oksidase yang dapat menggunakan O2 sebagai aseptor elektron terakhir; tetapi dengan adanya O2, dibentuk H2O2 bukan H2O. Beberapa spesies Streptococcus, Acetobacter, dan khamir mempunyai enzim peroksidase (katalase) yang mereoksidasi substrat tereduksi (misalnya Cyt C tereduksi, atau NAD tereduksi) dengan adanya peroksidase dan ion H+. Hasil reaksinya substrat yang teroksidasi dan air. Suatu reaksi oksidasi-reduksi disebut fermentasi (respirasi anaerob) apabila sebagai aseptor elektron yang terakhir bukan oksigen, dan disebut respirasi (respirasi aerob) apabila aseptor elektron terakhirnya oksigen. Pada respirasi anaerob sebagai aseptor elektronnya dapat digunakan zat anorganik seperti NO3 – yang direduksi menjadi NO2 -, N2O, N2; SO4 = menjadi H2S; CO2 menjadi CH4. Sebagai aseptor dapat pula digunakan zat organik, seperti asam fumarat yang direduksi manjadi asam suksinat.Mikroba anaerob dan anaerob fakultatif yang ditumbuhkan secara anaerob mempunyai cara lain mereoksidasi pembawa hidrogen yang tereduksi. Hal ini sering dilakukan dengan mengimbangi reaksi oksidasi substrat dengan reaksi reduksi lain, sehingga terakumulasi hasil akhir yang tereduksi. Misalnya Lactobacillus dalam glikolisis mereduksi asam piruvat menjadi asam laktat.

        Beberapa Clostridium secara anaerob memfermentasi glukosa mereoksidasi pembawa hidrogen yang tereduksi dengan reduksi aseto-asetat (sebagai kompleks koenzim A) menjadi asam butirat dan butanol.  Khamir mereduksi asetaldehid menjadi alkohol. Beberapa bakteri enterik mereduksi asam dikarboksilat, oksalat, malat, dan fumarat menjadi suksinat; sedang aseton direduksi menjadi 2,3 butylene-glycol agar dapat mengoksidasi flavin dan nikotinamid yang tereduksi. Beberapa spesies Pseudomonas dan Thiobacillus dapat menggunakan nitrat sebagai aseptor elektron; mereduksi nitrat menjadi gas N2. Banyak spesies bakteri dan jamur dapat mereduksi nitrat menjadi nitrit. Beberapa bakteri dapat mereduksi sulfat menjadi sulfit sebagai sarana untuk mereoksidasi pembawa hidrogen.  Jadi mikrobia terutama bakteri dapat mereoksidasi pembawa hidrogen tanpa adanya oksigen. Beberapa diantaranya telah dimanfaatkan secara komersial, misalnya untuk fermentasi asam laktat dan alkohol. Pembentukan ATP pada reaksi fosforilasi terhadap ADP pada prinsipnya ada tiga tingkat, yaitu:

(1) fosforilasi pada tingkat substrat (fermentatif),

(2) fosforilasi tingkat transpor elektron (oksidatif pada respirasi), dan

(3) fosforilasi fotosintetik.

B. Fermentasi 

          Glukosa dapat dimetabolisme oleh hampir semua mikroba untuk sumber karbon dan energi. Fermentasi merupakan bagian perombakan gula secara anaerob. Banyak mikroba yang dapat melakukan fermentasi lewat (jalur) rangkaian reaksi kimia tertentu.

1. Jalur Emden-Meyerhof-Parnas (EMP) 

        Reaksi ini disebut glikolisis, pemecahan gula secara anaerob sampai asam piruvat yang dilakukan oleh kebanyakan mikroba dari tingkat tinggi hingga tingkat rendah. Reaksi glikolisis terjadi dalam sitoplasma dan tidak menggunakan oksigen sebagai aseptor elektronnya, melainkan zat lain. Asam piruvat mempunyai kedudukan yang penting karena merupakan titik pusat dari berbagai reaksi pemecahan maupun pembentukan. Mikroba yang fakultatif anaerob misalnya Saccharomyces cerevisiae melakukan fermentasi gula secara anaerob menjadi alkohol dan CO2. Lactobacillus spp. yang homo fermentatif merombak gula secara anaerob menjadi asam laktat. Mikroba yang obligat anaerob seperti Clostridium spp. memecah gula menjadi aseton, butanol, butirat, dsb. Mikroba aerob melakukan proses glikolisis sebagai bagian pertama dari pemecahan karbohidrat secara anaerob, yang akan diteruskan pada bagian kedua yang aerob.  Pada otot manusia dan binatang yang kurang gerak akan tertimbun asam laktat, sebab glikolisis tidak diteruskan ke tingkat aerob melainkan ke asam laktat. Mikroba yang melakukan fermentasi lewat glikolisis hanya menghasilkan 2 mol ATP dari setiap glukosa yang dimetabolisme.  Substrat yang dioksidasi menjadi senyawa intermediet (antara); umumnya adalah pembawa NAD. Beberapa energi yang dilepaskan melalui oksidasi dikonversi menjadi ATP melalui fosforilasi tingkat substrat. Akhirnya oksidasi senyawa intermediet mereduksi produk akhir. Pada fermentasi asam laktat oleh Lactobacillus, substrat (glukosa) dioksidasi menjadi piruvat, dan piruvat direduksi menjadi asam laktat.

2. Jalur Entner-Doudoroff (ED)

        Reaksi ini dilakukan oleh beberapa mikroba antara lain Pseudomonas spp. yang dapat membentuk alkohol dari gula lewat lintasan ini. Pada setiap pemecahan 1 mol glukosa dihasilkan juga 1 ATP, 1 NADH2 dan 1 NADPH2. Pada P. lindneri 2 asam piruvat dipecah menjadi 2 etanol dan 2 CO2; sedang pada Pseudomonas yang lain 2 asam piruvat diubah menjadi 1 etanol, 1 asam laktat dan 1 CO2.

3. Jalur Heksosa Mono Fosfat (HMP) 

Selain lewat EMP banyak mikroba yang dapat merombak gula lewat HMP. Reaksi ini berguna untuk membentuk gula pentosa dll, untuk keperluan biosintesis. Reaksi berlangsung lewat gula C5, ribulosa 5-fosfat, yang merupakan prekursor gula ribosa, deoksiribosa, komponen asam nukleat, asam amino aromatik, enzim, ATP, NAD, FAD dan sebagainya. HMP tidak langsung menghasilkan energi, tetapi terutama membentuk NADPH2.  

4. Jalur Heterofermentatif bakteri asam laktat 

      Kelompok bakteri asam laktat selain menghasilkan asam laktat secara homofermentatif (misalnya Lactobacillus spp.), juga secara heterofermentatif (misalnya Leuconostoc spp., Streptococcus spp., dsb). Pada fermentasi secara heterofermentatif selain asam laktat dihasilkan pula asam asetat, etanol dan CO2. 

  5. Jalur Metabolisme asam piruvat secara anaerob 

     Banyak mikroba anaerob yang mempunyai enzim berbeda-beda yang digunakan dalam perombakan asam piruvat. Clostridium tergantung spesiesnya, dapat merubah asam piruvat menjadi asam butirat, asam asetat, aseton, butanol, etanol, CO2, dan H2. Bakteri enterik seperti Escherichia coli dan Aerobacter aerogenes dapat merubah asam piruvat menjadi asam suksinat, asetat, laktat, etanol, CO2, dan H2 (atau format). A. aerogenes juga menghasilkan 2,3-butilen-glikol. Salmonella sp. mempunyai pola metabolisme yang sama dengan E. coli, tetapi lebih banyak menghasilkan asam format, dari pada H2 dan CO2 seperti pada E. coli. 

C. RESPIRASI 

        Respirasi adalah proses oksidasi biologis dengan O2 sebagai aseptor elektronnya yang terakhir. Pada mikroba eukariotik proses ini terjadi di dalam mitokondria, sedang pada mikroba prokariotik terjadi di bawah membran plasma atau pada mesosome. Proses ini adalah fase kedua yang aerob dari perombakan gula fase pertama yang anaerob (glikolisis). Pada respirasi dihasilkan banyak energi yang dapat digunakan untuk proses biosintesis. Reaksi ini lewat bagan terutama siklus Krebs, meskipun ada yang lewat terobosan asam glioksilat. 

1. Siklus Krebs (Siklus TCA) 

      Reaksi ini selain penting untuk pembentukan energi juga penting untuk biosintesis, sebab dapat menyediakan kerangka karbon untuk berbagai senyawa penting dalam sel. Pada kebanyakan bakteri, asam glutamat adalah asam amino kunci yang dibentuk dari sumber amonia dan karbon. Banyak pula bakteri yang dapat mereaksikan amonia dengan asam fumarat membentuk aspartat. Dengan transaminasi asam amino ini berfungsi sebagai donor amino terhadap asam alfa-keto seperti asam piruvat, oksalat, alfa-keto-isovalerat untuk membentuk asam amino. Titik penting lainnya ialah suksinil-ScoA yang bereaksi dengan asam pirol, membentuk cincin pirol. Siklus Krebs sering pula disebut siklus asam tribakboksilat (siklus TCA), atau siklus asam sitrat.   Jalur metabolisme utama  Pada siklus Krebs satu molekul asam piruvat yang dioksidasi sempurna menjadi CO2 dan H2O menghasilkan 15 ATP. Satu molekul glukosa yang dimetabolisme lewat glikolisis dan siklus Krebs secara sempurna menjadi CO2 dan H2O menghasilkan 38 ATP (lihat perhitungan). 

2. Siklus asam glioksilat 

      Penggunaan hasil antara untuk biosintesis Bakteri dan jamur tertentu dapat menggunakan substrat karbon C2. Mikroba ini mempunyai enzim lengkap dari siklus Krebs dengan tambahan enzim isositrase yang dapat memecah isositrat menjadi suksinat dan glioksilat, dan enzim malat sintetase yang menyebabkan kondensasi asam glioksilat dengan Ace-CoA menjadi malat.  Dengan kedua siklus ini sel dapat membentuk alfa-ketoglutarat yang diperlukan untuk biosintesis. Dan jika asam malat mengalami dekarboksilasi menjadi fosfo-enol-piruvat, dengan reaksi balik glikolisis dan HMP dapat dibentuk heksosa dan pentosa.

D. FOTOSINTESIS 

       Fosforilasi pada fotosintesis menggunakan cahaya sebagai sumber energi. Proses ini menggunakan pigmen klorofil untuk mengabsorpsi energi cahaya dan mengubahnya menjadi energi kimia. Berdasarkan absorpsi spektrumnya dibedakan klorofil a, b, c, d, e, dan klorofil bakteri. Disamping itu ada pigmen tambahan untuk menangkap energi dan melindungi klorofil, seperti karotinoid, biliprotein, fikoeritrin, dan fikobilin. 

Energi foton cahaya:                                                                                                                                                                                                                                       

 c 

E = h = h 

h = konstanta Plank = 6,555 x 10-23 

V = frekuensi cahaya 

c = kecepatan cahaya 

W = panjang gelombang cahaya  

jadi energi cahaya sebanding dengan frekuensinya dan berbanding terbalik dengan panjang gelombang. Energi macam-macam cahaya dapat dilihat pada tabel.  Jika klorofil terkena cahaya, akan mengabsorpsi sebesar h sehingga terangsang dan membebaskan elektron; klorofil menjadi bermuatan positif:  Kl + hV  Kl- + e- 

Aliran elektron siklik pada bakteri fotosintetik anoksigenik. Karatenoid dan klorodil sebagai pusat reaksi memanen foton. Molekul klorofil bakteri akan secara langsung dioksidasi oleh kehilangan elektron. Energi cahaya digunakan untuk mendorong elektron pada senyawa yang memiliki redoks intermediet yaitu feredoksin (atau ada yang berupa protein besi sulfur) yang dapat memasukkan elektron pada sistem transpor elektron fotosintetik pada membran.  Sitokrom terkakhir pada ETS mengembalikan elektron pada klorofil. Energi cahaya (Foton) menyebabkan elektron mengaktifkan siklus dimana ATP disintesis (Skema fotosistem I). Bakteri fotosintesis hanya menggunakan fotosistem I untuk mengkonversi energi cahaya menjadi energi kimia. Pada bakteri, fotofosforilasi terjadi secara siklis. Artinya tidak menggunakan elektron dari sumber lain. Cahaya yang digunakan adalah merah atau infra merah (lihat bagan). Pada tumbuhan dan ganggang fotofosforilasi terjadi secara non-siklis. Disini ada 2 pusat reaksi dan 2 sistem transpor elektron. Pusat reaksi 1 menggunakan cahaya infra merah dan pusat reaksi 2 cahaya biru. 

E. PENGGUNAAN ENERGI OLEH MIKROBA 

       Energi digunakan dalam setiap reaksi endergonik, dan juga reaksi eksergonik. Untuk memulai reaksi diperlukan energi aktivasi. Dalam setiap reaksi enzim mempunyai peranan penting. Proses yang memerlukan energi antara lain proses biosintesis molekul kecil dan molekul makro, yang akhirnya menuju ke pertumbuhan dan pembiakan; penyerapan unsur makanan, gerak, dan sebagainya. 

F. KATABOLISME MAKROMOLEKUL 

1. Penguraian karbohidrat 

       Karbohidrat adalah polisakarida, suatu polimer dari sedehana (glukosa, galaktosa, fruktosa, dsb). Enzim pemecah polisakarida dibedakan menjadi eksohidrolase yang memutus rantaian gula secara teratur dari ujung, dan endohidrolase yang memutus rantaian gula secara random di tengah. Sebagai contoh misalnya alfa-amilase (eksohidrolase) memutus rantaian glukosa dari amilum dua-dua mulai dari ujung non reduksi, sedang betaamilase memutus rantaian glukosa di sembarang tempat di tengah-tengah. Kedua enzim ini memutus ikatan alfa-1,4-glikosida dari amilum. Enzim yang memutus rantai cabang glukosa dari amilo-pektin, komponen amilum yang bercabang, ialah glukoamilase yang memecah alfa-1,6-glikosoda.  

2. Penguraian lemak 

      Lemak adalah ester dari gliserol dan asam lemak (trigliserida). Lemak kadang-kadang mengandung zat lain seperti fosfat, protein, karbohidrat sebagai pengganti salah satu asam lemaknya. Enzim lipase memecah lemak menjadi gliserol dan asam lemak. Gliserol dirombak lebih lanjut lewat glikolisis (EMP). Asam lemak mengalami betaoksidasi menjadi asam asetat, asetil KoA dimetabolisme lebih lanjut lewat siklus Krebs. 

3. Penguraian protein 

Protein adalah poli-peptida dengan struktur tertentu, suatu hetero-polimer dari asam amino. Enzim protease (poli-peptidase, oligo-peptidase, di-peptidase) merombak protein menjadi peptida yang lebih sederhana atau asam amino. Selanjutnya asam amino mengalami transaminasi, deaminasi, dekarboksilasi, atau dehidrogenasi menjadi  zat lain yang lebih sederhana yang selanjutnya dapat dimetabolisme antara lain lewat siklus Krebs.  

4. Penguraian asam nukleat 

Asam nukleat (DNA dan RNA) adalah heteropolimer dari nukleotida. Enzim nuklease, nukleotidase, nukleosida fosforilase, dan nukleosida hidrolase akan memecah asam nukleat menjadi oligo, di, atau mono nukleotida; dan selanjutnya menjadi gula ribosa atau deoksi-ribosa, asam fosfat, base purin dan base pirimidin.

Special thank’s to : Yermia S. Mokosuli, S.Si, M.Si & Drs.H.M. Sumampouw, M.Pd sebagai dosen dan pemberi materi

Presented by : Raldo Rasuh

 
Leave a comment

Posted by on March 27, 2013 in Uncategorized

 

Enzim Mikroba

        Enzim adalah katalisator organik (biokatalisator) yang dihasilkan oleh sel. Enzim berfungsi seperti katalisator anorganik, yaitu untuk mempercepat reaksi kimia. Setelah reaksi berlangsung, enzim tidak mengalami perubahan jumlah, sehingga jumlah enzim sebelum dan setelah reaksi adalah tetap. Enzim mempunyai selektivitas dan spesifitas yang tinggi terhadap reaktan yang direaksikan dan jenis reaksi yang dikatalisasi.  

A. Mekanisme Kerja Enzim 

        Enzim meningkatkan kecepatan reaksi dengan cara menurunkan energi aktivasi. Energi aktivasi adalah energi yang diperlukan untuk mengaktifkan suatu reaktan sehingga dapat bereaksi untuk membentuk senyawa lain. Energi potensial hasil reaksi menjadi lebih rendah dari pada pereaksi, sehingga kesetimbangan reaksi menuju ke hasil reaksi. Adanya enzim menyebabkan energi aktivasi menjadi lebih rendah, tetapi enzim tidak mempengaruhi letak kesetimbangan reaksi.  Saat berlangsungnya reaksi enzimatik terjadi ikatan sementara antara enzim dengan substratnya (reaktan). Ikatan sementara ini bersifat labil dan hanya untuk waktu yang singkat saja. Selanjutnya ikatan enzim-substrat akan pecah menjadi enzim dan hasil akhir. Enzim yang terlepas kembali setelah reaksi dapat berfungsi lagi sebagai biokatalisator untuk reaksi yang sama.  

E + S à    ES    à  E + P

     Keterangan: E : Enzim, S: Substrat (reaktan), ES: ikatan sementara, P: Hasil reaksi Sistem enzim-substrat untuk tiap-tiap reaksi enzimatik bersifat khusus. Kestabilan ikatan enzim-substrat ditentukan oleh konstanta Michaelis (Km).

B. Struktur Enzim 

       Pada umumnya enzim tersusun dari protein. Protein penyusun enzim dapat berupa protein sederhana atau protein yang terikat pada gugusan non-protein. Banyak enzim yang hanya terdiri protein saja, misal tripsin. Dialisis enzim dapat memisahkan bagian-bagian protein, yaitu bagian protein yang disebut apoenzim dan bagian nonprotein yang berupa koenzim, gugus prostetis dan kofaktor ion logam. Masing-masing bagian tersebut apabila terpisah menjadi tidak aktif. Apoenzim apabila bergabung dengan bagian nonprotein disebut holoenzim yang bersifat aktif sebagai biokatalisator.  Koenzim dan gugus prostetik berfungsi sama. Koenzim adalah bagian yang terikat secara lemah pada apoenzim (protein). Gugus prostetik adalah bagian yang terikat dengan kuat pada apoenzim. Koenzim berfungsi menentukan jenis reaksi kimia yang dikatalisis enzim. Ion logam merupakan komponen yang sangat penting, diperlukan untuk memantapkan struktur protein dengan adanya interaksi antar muatan.  

C. Klasifikasi Enzim 

Enzim dapat digolongkan berdasarkan tempat bekerjanya, substrat yang dikatalisis, daya katalisisnya, dan cara terbentuknya. Umumnya pemberian nama enzim didasarkan atas nama substrat yang dikatalisis atau daya katalisisnya dengan penambahan kata –ase. Misal proteinase adalah enzim yang dapat mengkatalisis pemecahan protein. 

1. Penggolongan enzim berdasarkan tempat bekerjanya 

a. Endoenzim  Endoenzim disebut juga enzim intraseluler, yaitu enzim yang bekerjanya di dalam sel. Umumnya merupakan enzim yang digunakan untuk proses sintesis di dalam sel dan untuk pembentukan energi (ATP) yang berguna untuk proses kehidupan sel, misal dalam proses respirasi. 

b. Eksoenzim  Eksoenzim disebut juga enzim ekstraseluler, yaitu enzim yang bekerjanya di luar sel. Umumnya berfungsi untuk “mencernakan” substrat secara hidrolisis, untuk dijadikan molekul yang lebih sederhana dengan BM lebih rendah sehingga dapat masuk melewati membran sel. Energi yang dibebaskan pada reaksi pemecahan substrat di luar sel tidak digunakan dalam proses kehidupan sel. 

2. Penggolongan enzim berdasarkan daya katalisis 

a. Oksidoreduktase.

Enzim ini mengkatalisis reaksi oksidasi-reduksi, yang merupakan pemindahan elektron, hidrogen atau oksigen. Sebagai contoh adalah enzim elektron transfer oksidase dan hidrogen peroksidase (katalase). Ada beberapa macam enzim elektron transfer oksidase, yaitu enzim oksidase, oksigenase, hidroksilase dan dehidrogenase.

Enzim- enzim tersebut mengkatalisis reaksi-reaksi sebagai berikut:

Oksidase mengkatalisis 2 macam reaksi:

• O2 + (4e- + 4 H+) 2 H2O 

• O2 + (2e- + 4 H+) H2O2  Oksigenase (transferase oksigen): O2 + 2 substrat 2 substrat-O 

• Hidroksilase : substrat + ½ O2 substrat-O  2 koenzim-H + ½ O2 2 koenzim + H2O 

• Dehidrogenase: NaNO3 + (e-+ H+) NaNO2  Na2SO4 + (e-+ H+) H2S  Na2CO3 + (e-+ H+) CH4 

• Hidrogen peroksidase: 2 H2O2 2 H2O + O2 

b. Transferase.

Transferase mengkatalisis pemindahan gugusan molekul dari suatu molekul ke molekul yang lain. Sebagai contoh adalah beberapa enzim sebagai berikut:  – Transaminase adalah transferase yang memindahkan gugusan amina.  – Transfosforilase adalah transferase yang memindahkan gugusan fosfat.  – Transasilase adalah transferase yang memindahkan gugusan asil. 

c. Hidrolase.

Enzim ini mengkatalisis reaksi-reaksi hidrolisis, dengan contoh enzim adalah:  – Karboksilesterase adalah hidrolase yang menghidrolisis gugusan ester karboksil. 

- Lipase adalah hidrolase yang menghidrolisis lemak (ester lipida). 

- Peptidase adalah hidrolase yang menghidrolisis protein dan polipeptida. 

d. Liase. Enzim ini berfungsi untuk mengkatalisis pengambilan atau penambahan gugusan dari suatu molekul tanpa melalui proses hidrolisis, sebagai contoh adalah: 

- L-malat hidroliase (fumarase) yaitu enzim yang mengkatalisis reaksi pengambilan air dari malat sehingga dihasilkan fumarat. 

- Dekarboksiliase (dekarboksilase) yaitu enzim yang mengkatalisis reaksi pengambilan gugus karboksil. 

e. Isomerase. Isomerase meliputi enzim-enzim yang mengkatalisis reaksi isomerisasi, yaitu: 

- Rasemase, merubah l-alanin D-alanin 

- Epimerase, merubah D-ribulosa-5-fosfat D-xylulosa-5-fosfat 

- Cis-trans isomerase, merubah transmetinal cisrentolal 

- Intramolekul ketol isomerase, merubah D-gliseraldehid-3-fosfat dihidroksi aseton fosfat 

- Intramolekul transferase atau mutase, merubah metilmalonil-CoA suksinil-CoA  

f. Ligase. Enzim ini mengkatalisis reaksi penggabungan

2 molekul dengan dibebaskannya molekul pirofosfat dari nukleosida trifosfat, sebagai contoh adalah enzim asetat=CoA-SH  ligase yang mengkatalisis rekasi sebagai berikut:  Asetat + CoA-SH + ATP Asetil CoA + AMP + P-P .

g. Enzim lain dengan tatanama berbeda 

       Ada beberapa enzim yang penamaannya tidak menurut cara di atas, misalnya enzim pepsin, triosin, dan sebagainya serta enzim yang termasuk enzim permease. Permease adalah enzim yang berperan dalam menentukan sifat selektif permiabel dari membran sel.  

3. Penggolongan enzim berdasar cara terbentuknya 

a. Enzim konstitutif 

Di dalam sel terdapat enzim yang merupakan bagian dari susunan sel normal, sehingga enzim tersebut selalu ada umumnya dalam jumlah tetap pada sel hidup. Walaupun demikian ada enzim yang jumlahnya dipengaruhi kadar substratnya, misalnya enzim amilase. Sedangkan enzim-enzim yang berperan dalam proses respirasi jumlahnya tidak dipengaruhi oleh kadar substratnya. 

  b. Enzim adaptif 

Perubahan lingkungan mikroba dapat menginduksi terbentuknya enzim tertentu. Induksi menyebabkan kecepatan sintesis suatu enzim dapat dirangsang sampai beberapa ribu kali. Enzim adaptif adalah enzim yang pembentukannya dirangsang oleh adanya substrat. Sebagai contoh adalah enzim beta galaktosidase yang dihasilkan oleh bakteri E.coli yang ditumbuhkan di dalam medium yang mengandung laktosa.  Mula-mula E. coli tidak dapat menggunakan laktosa sehingga awalnya tidak nampak adanya pertumbuhan (fase lag/fase adaptasi panjang) setelah beberapa waktu baru menampakkan pertumbuhan. Selama fase lag tersebut E. coli membentuk enzim beta galaktosidase yang digunakan untuk merombak laktosa.   

D. Faktor-faktor yang mempengaruhi reaksi enzimatik 

Protein adalah bagian utama enzim yang dihasilkan sel, maka semua hal yang dapat mempengaruhi protein dan sel akan berpengaruh terhadap reaksi enzimatik.

1. Substrat (reaktan) 

       Kecepatan reaksi enzimatik umumnya dipengaruhi kadar substrat. Penambahan kadar substrat sampai jumlah tertentu dengan jumlah enzim yang tetap, akan mempercepat reaksi enzimatik sampai mencapai maksimum. Penambahan substrat selanjutnya tidak akan menambah kecepatan reaksi. Kecepatan reaksi enzimatik juga dipengaruhi kadar enzim, jumlah enzim yang terikat substrat (ES) dan konstanta Michaelis (Km). Km menggambarkan mesetimbangan disosiasi kompleks ES menjadi enzim dan substrat. Nilai Km kecil berarti enzim mempunyai afinitas tinggi terhadap substrat maka kompleks ES sangat mantap, sehingga kesetimbangan reaksi kearah kompleks ES. Apabila nilai Km besar berarti enzim mempunyai afinitas rendah terhadap substrat, sehingga kesetimbangan reaksi kearah E + S. 

2. Suhu 

       Seperti reaksi kimia pada umumnya, maka reaksi enzimatik dipengaruhi oleh suhu. Kenaikan suhu sampai optimum akan diikuti pula oleh kenaikan kecepatan reaksi enzimatik. Kepekaan enzim terhadap suhu pada keadaan suhu melebihi optimum disebabkan terjadinya perubahan fisikokimia protein penyusun enzim. Umumnya enzim mengalami kerusakan (denaturasi) pada suhu diatas 50oC. Walaupun demikian ada beberapa enzim yang tahan terhadap suhu tinggi, misalnya taka-diastase dan tripsin. 

3. Keasaman (pH) 

       pH dapat mempengaruhi aktivitas enzim. Daya katalisis enzim menjadi rendah pada pH rendah maupun tinggi, karena terjadinya denaturasi protein enzim. Enzim mempunyai gugus aktif yang bermuatan positif (+) dan negatif (-). Aktivitas enzim akan optimum kalau terdapat keseimbangan antara kedua muatannya. Pada keadaan masam muatannya cenderung positif, dan pada keadaan basis muatannya cenderung negatif sehinggaaktivitas enzimnya menjadi berkurang atau bahkan menjadi tidak aktif. pH optimum untuk masing-masing enzim tidak selalu sama. Sebagai contoh amilase jamur mempunyai pH optimum 5,0, arginase mempunyai pH optimum 10. 

4. Penghambat enzim (inhibitor) 

Inhibitor enzim adalah zat atau senyawa yang dapat menghambat enzim dengan beberapa cara penghambatan sebagai berikut:

a. Penghambat bersaing (kompetitif) 

       Penghambatan disebabkan oleh senyawa tertentu yang mempunyai struktur mirip dengan substrat saat reaksi enzimatik akan terjadi. Misalnya asam malonat dapat menghambat enzim dehidrogenase suksinat pada pembentukan asam fumarat dari suksinat. Struktur asam suksinat mirip dengan asam malonat. Dalam reaksi ini asam malonat bersaing dengan asam suksinat (substrat) untuk dapat bergabung denganbagian aktif protein enzim dehidrogenase. Penghambatan oleh inhibitor dapat dikurangi dengan menambah jumlah substrat sampai berlebihan. Daya penghambatannya dipengaruhi oleh kadar penghambat, kadar substrat dan aktivitas relatif antara penghambat dan substrat. 

b. Penghambat tidak bersaing (non-kompetitif) 

     Zat-zat kimia tertentu mempunyai afinitas yang tinggi terhadap ion logam penyusun enzim. Senyawa-senyawa seperti sianida, sulfida, natrium azida, dan karbon monooksida adalah senyawa penghambat untuk enzim yang mengandung Fe, yaitu dengan terjadinya reaksi antara senyawa-senyawa tersebut dengan ion Fe yang menyebabkan enzim menjadi tidak aktif. Merkuri (Hg) dan perak (Ag) merupakan penghambat enzim yang mengandung gugusan sulfhidril (-SH).   Pada penghambatan nonkompetitif tidak terjadi persaingan antara zat penghambat dengan substrat. Misalnya enzim sitokrom oksidase dihambat oleh CO (karbon monooksida) dengan mengikat Fe yang merupakan gugusan aktif enzim tersebut. Penghambatan nonkompetitif tidak dapat dikurangi dengan penambahan jumlah substrat, oleh karena daya penghambatannya dipengaruhi oleh kadar penghambat dan afinitas penghambat terhadap enzim. 

c. Penghambat umpan balik (feed back inhibitor) 

     Penghambatan umpan balik disebabkan oleh hasil akhir suatu rangkaian reaksi enzimatik yang menghambat aktifitas enzim pada reaksi pertama. Hasil akhir reaksi juga mempengaruhi pembentukan enzim, yang dapat digambarkan sebagai berikut: Enzim a Enzim b Enzim c Enzim d  dan Enzim e.

d. Penghambat alosterik 

      Penghambat alosterik adalah penghambat yang dapat mempengaruhi enzim alosterik. Enzim alosterik adalah enzim yang mempunyai dua bagian aktif, yaitu bagian aktif yang menangkap substrat dan bagian yang menangkap penghambat.  Apabila ada X senyawa yang dapat memasuki bagian yang menangkap penghambat maka enzim menjadi tidak aktif, senyawa penghambat tersebut merupakan penghambat alosterik. Struktur senyawa penghambat alosterik tidak mirip dengan struktur substrat. Pengikatan penghambat alosterik pada enzim menyebabkan enzim tidak aktif, sehingga substrat tidak dapat dikatalisis dan tidak menghasilkan produk. Apabila enzim menangkap substrat maka penghambat tidak dapat terikat pada enzim, sehingga enzim dapat aktif mereaksikan substrat menjadi produk.

5. Aktivator (penggiat) atau kofaktor 

     Aktivator atau kofaktor adalah suatu zat yang dapat mengaktifkan enzim yang semula belum aktif. Enzim yang belum aktif disebut pre-enzim atau zymogen (simogen). Kofaktor dapat berbentuk ion-ion dari unsur H, Fe, Cu, Mg, Mo, Zn, Co, atau berupa koenzim, vitamin, dan enzim lain.  

6. Penginduksi (induktor)

       Induktor adalah suatu substrat yang dapat merangsang pembentukan enzim. Sebagai contoh adalah laktosa dapat menginduksi pembentukan enzim beta galaktosidase.  Lactose = glucose + galactose  biomass time  -galactosidase Galactose transporter

Special thank’s to : ermia S. Mokosuli, S.Si, M.Si & Drs.H.M. Sumampouw, M.Pd  sebagai dosen dan pemberi materi

Presented By Raldo Rasuh

 

 
Leave a comment

Posted by on March 27, 2013 in Uncategorized

 
 
Follow

Get every new post delivered to your Inbox.