Mikrobiologi = bidang studi yang mempelaari mikroorganisme. Mikroorganisme organisme yang mikroskopis, uniselular, kluster, berantai, menjalankan kelangsungan hidup secara independen sebagai uniselular. Contoh : virus (berbentuk mikroskopik, non-selular, memiliki DNA atau RNA) 2 tema yang dipelajari : Basic = proses selular o Penerapan = penerapan pada bidang pertanian, industri, kesehatan dll.. o Pentingnya mikroorganisme : Evolusi O2 dan sel pertama di bumi o Aktivitasnya berdampak terhadap kelangsungan jaringan kehidupan di bumi o Mikroorganisme terdapat dimana mana. Mikroba terdapat dapat suatu populasi yang menempati suatu lokasi di lingkungan (habitat) Populasi mikroorganisme jarang hidup sendiri, dan membentuk perkumpulan dari beberapa populasi yang berbeda (komunitas mikroba) Interaksi antara komunitas ini : Bermanfaat : kerjasama mencari makanan (pelepasan nutrisi) o Berbahaya : produk limbah merupakan penghambatan. o Ekosistem : interaksi antara makhluk hidup dengan sifat fisik dan kimia dari lingkungannya. Kelangsungan hidup dari mikroba : Kekuatan = 5 x 10^30 -> untuk prokariot o Jumlah C dalam angka kekuatan di sel sama dengan total semua tumbuhan di bumi ini. o Sel prokariot : o Menempati sebagian besar biomassa bumi Kunci wadah dari nutrisi esensial untuk kelangsungan hidup. Banyak terdapat di lautan dan sub-permukaan terestial MIkroba dan Pertanian Fiksasi Nitrogen o Asosiasi antara tumbuhan (legumes) dan bakteri Mengurangi kebutuhan pupuk Rumen mikroba dari hewan ternak dan domba = memungkinkan terjadi pencernaan dan perombakan o rumput dan jerami Siklus nutrisi ( C, N, S) o Penyakit pada tumbuhan dan hewan o Mikroba dan Pangan Mikroba berguna untuk mencegah makanan menjadi rusak/basi dan penyakit makanan bawaan o Manufaktur makanan o Mikroorganisme, energi dan lingkungan Menghasilkan gas alami (metana), etanol (biofuel), dan bioremediasi o Mikroba dan masa depan Bioteknologi, rekayasa genetika o Mikroorganisme sangat berguna terutama di penelitian, karena : Memiliki struktur yang sederhana o MIkroba dalam jumlah banyak dapat digunakan dalam penelitian untuk memperoleh hasil statistic o yang dapat diandalkan dalam harga yang terjangkau (mudah direkayasa) Mudah membelah (reproduksi dengan cepat) sehingga berguna ketika mempelajari transfer informasi o genetic. Terdapat 5 macam mikroorganisme : Bakteri o Uniselular, prokariot, berbentuk spiral, batang dan pejal. Contoh : Klebsiella pnuemoniae Alga o Uniselular, Eukariot (ada nucleus dan organel lainnya), mampu berfotosintesis
Hidup di air tawar dan lingkungan lautan Contoh : Micrasteria Micrasteria (334X) Jamur (Fungi) o Ada yang uniselular (disebut ragi) dan multiselular (disebut jamur) Eukariot, banyak terdapat di air dan tanah yang bertindak sebagai decomposer makhluk mati, beberapa penting di obat-obatan Contoh : Philobolus crystallinus (50X) Virus o Aselular = sangat kecil untuk dilihat dari mikroskop cahaya Terdiri dari nucleus dan protein Membentuk Membentuk bakteriofag = yaitu virus yang menginfeksi bakteri (ex : flu, antraks) Membentuk viroids = asam nukleat yang tidak memiliki selaput protein. (ex: menyerang tanaman) Membentuk prions = Partikel protein yang sangat berbahaya. (ex : penyebab sapi gila) Protozoa o Uniselular, eukarit, memiliki nucleus (terikat pada membrane) and struktur intraselular Terdapat di berbagai lingkungan air dan tanah Contoh : Amoeba, Acanthrocirrus Acanthrocirrus retrirostris (189X) Rekayasa genetika bakteri digunakan untuk mengetahui bagaimana diet mempengaruhi resiko kanker Menginspeksi plastik yang terbentuk dari 40% pati (potongan dalam basket) menunjukkan mikroba akuatik sedang memdegradasi plastik tersebut. Dekontaminasi Limbah Dengan menggunakan jaring untuk menentukan kutu yang bisa menyebarkan penyakit terhadap ternak dan manusia Mempertahankan binatang peliharaan dan binatang domestic sehat dan meningkat produktivitasnya, maksudnya ilmu hewan maju (veterinary science)
Sejarah Mikrobiologi : 1664 : Robert Hooke o 1684 : Anton Van Leeuwenhoek o Ferdinand Cohn : penemu bakteriologi o Louis Pasteur : tidak setuju dengan teorema Spontaneous generation, berhasil membuat vaksin dan o menemukan pasteurisasi. Robert Koch : menyatakan teori kuman (Germ Theory) yang menyatakan mikroorganisme spesifik o menyebabkan penyakit spesifik (Postulat Koch). Dia juga membuat isolasi untuk patogen yang berbahaya. Berhasil mengembangkan teknik yang memajukan mikrobiologi. (1843-1910) “The Triumph of Death “ oleh Pieter Brughel dan Elder o Teori pada Mikrobiologi: Mikrobiologi: o Teori Sel : semua sel adalah unit fundamental dari hidup dan menjalankan kelangsungan fungsi dasar dari makhluk hidup Teori Kumam untuk Penyakit : menyatakan mikroorganisme dapat menyerbu organisme lainnya dan menyebabkan penyakit.
o
o o
o
o
o
o
o o
o
o
Yang tidak setuju dengan Spontaneour Generation : Pasteur melakukan eksperimen dengan labu kaca leher angsa Peneliti historis di Mikrobiologi Anton Van Leeuwenhoek Louis Pasteur Joseph Lister Edward Jenner Elie Metchnikoff (1845 – 1916) – menemukan tobacco mosaic virus (617000X) Paul Ehrlich (1854 – 1915) Sir Alexander Fleming (1881 – 1955) Kontribusi penting dari Pasteur: Mengembangkan Teknik pasteurisasi untuk membunuh mikroorganisme yang tidak diinginkan Asosiasi bahwa organisme spesifik menyebabkan penyakit spesifik Pengembangan vaksin Postulat Koch 1. Mikroba harus ditemukan dalam hewan yang sakit, tidak pada yang sehat. 2. Mikroba harus diisolasi dari hewan sakit dan dibiakkan dalam kultur murni. 3. Mikroba yang dikulturkan harus menimbulkan penyakit pada hewan yang sehat. 4. Mikroba tersebut harus diisolasi ulang dari hewan yang dicobakan tersebut Teknik untuk mempelajari Mikroorganisme Fannie Hesse mengusulkan untuk menggunakan agar sebagai agen soludifikasi Richard Petri membentuk cawan petri yang digunakan untuk meletakkan media kultur padat (agar dan nutrisi) Robert Koch menggunakan Teknik tersebut untuk mengisolasi bakteri yang menyebabkan TBC Bekerja dalam Mengontrol Infeksi (Antiseptic (Antiseptic Surgery): = digambarkan pada prangko pos 1865 Hasil pecahan dari Mikrobiologi : Tobacco Mosaic Virus = Inti heliks dari RNA yang dikelilingi oleh selaput yang terdiri dari unit protein yang berulang. Struktur partikel yang regular sehingga virus dapat di kristalisasi Ilmuwan tumbuhan menggunakan pengetahuan yang diperoleh dari penelitian Model virus yang menyebabkan AIDS (HIV)
CHAPTER 2
Tipe cell standar : Prokariot = organisme uniselular dan semua bakteri o Eukariot = organisme uniselular dan multiselular o Kesamaan dan perbedaan Prokariot dan Eukariot No. 1 2 3 4 5
Karakteristik Karakteristik Materi Genetik Lokasi DNA Nucleolus Histon DNA extrakromosomal
Prokariot Kromosom bulat tunggal Daerah nuclear (nucleoid) Tidak ada Tidak ada Di plasmid
6
Membran plasma
7 8 9 10 11 12
Membran internal Organel Ribosom Enzim respiratori Sitoskeleton Dinding sel
13
Lapisan eksternal
Struktur fluida-mosaik yang kekurangan sterols Hanya di organisme fotosintesis Tidak ada 70s Membran sel Tidak ada Peptidoglikan Peptidoglik an ditemukan di sebagian besar sel Kapsul atau lapisan slime
14
Flagela
Terdiri dari fibrils dari flagelin
15
Silia
Tidak ada
16
Pili
Ada. Untuk penempelan dan konjugasi pili
Eukariot Pasangan kromosom Nucleus membran-enclosed Ada Ada Di organel, seperti mitokondria, kloroplas dan plasmid Struktur fluida-mosaik yang terdapat sterols Banyak organel membran-enclosed membran-enclose d ada 80s (70s di organel) mitokondria Ada Selulosa, kitin, atau keduanya ditemukan di sel tumbuhan dan fungi Pellicle, test atau shell di protist tertentu Terdiri dari struktur membranenclosed kompleks Ada sebagai struktur lebih pendek dari flagela Tidak ada
PROKARIOT Terkecil diantara organisme lainnya. Berada pada batas diameter 0.5 – 2.0 mikrometer dan panjang o 1.0 – 60 mikrometer. Pengeculian : 1991 – Epulopiscium fishelsoni = bakteri simbiont dari ikan sturgeon (diameter 80 mikrometer dan panjang 60 mikrometer) Giant Bacteria : contoh lain : Thiiomargarita namibia (mengakumulasi granula-granula sulfur -> o sebagai cadangan energi) Bentuk bakteri secara umum : o Kokus, contoh : Neisseria Kokusbasilus, cnth : E.Coli Vibrio, bentuk seperti tanda koma Basilus, bentuk batang panjang. Ada basilus (biasa) dan streptobasilus. Basilus memiliki bentuk tidak simetris (makanya cuma ada s trepto…) Spirilum, bentuk spiral Spirochete, bentuk seperti per Bentuk dan Penempatan Bakteri o Diplokokus, cnth: Neisseria Streptokokus, cnth : Streptococcus Tetrad, cnth : Merisopedia Sarcinae, cnth : Sarcinia lutea (kukus ber-8) Staphylococci, cnth :Staphylococcus (bentuk seperti anggur, tidak beraturan) Rosette (pembelahan tidak tentu, bisa melepas menjadi free-living, dan tempel pada benda kaya nutrisi dan membentu rosette lagi)
Bakteri berbentuk bintang, cnth : Stella Bakteri berbentuk kotak, cnth : Haloarcula (kandungan garam tinggi) Secara struktur, sel bakteri terdiri dari : o Membran sel = biasanya dikelilingi dinding sel Sitoplasma internal dengan ribosom, daerah nuclear, dan granula atau vesikel Kapsul, flagel dan pili (eksternal) A. Dinding Sel 2 fungsi: a. Mempertahankan bentuk karakteristik b. Mencegah sel dari pecah ketika fluida mengalir ke dalam sel dengan osmosis Komponen dinding sel bakteri a. Peptidoglikan (murein) = komponen tunggal yang paling penting. Peptidoglikam terbentuk dari 2 unit gula yang dapat bertukaran: N-acetylglucosamine (NAG) dan Macetylmuramic acid (NAM) b. Gula dihubungkan dengan rantai peptide pendek yang terdiri dari 4 asam amino (tetrapeptides) lainnya. Asam Tektoat Komponen tambahan di dinding sel bakteri gram positif Terdiri dari gliserol, fosfat, ribitol (gula alkohol) -> polimer ini memanjang hingga sisa dinding selnya 2 fungsi : a. Tempat penempelan untuk bakteriofag b. Alur jalan untuk pergerakan ion masuk dan keluar sel B. Membran Luar Membran bilayer yang ditemukan di bakteri gram negatif Membentuk lapisan terluar dari dinding sel, menempel dengan peptidoglikan oleh lapisan kontinu dari molekul lipoprotein Protein disebut porins, membentuk channel melalui OM Ada permukaan antigen dan reseptor C. Lipopolisakarida Lipopolisakarida (LPS) Disebut juga endotoksin yang digunakan oleh bakteri gram negatif Dilepaskan ketika dinding sel bakteri rusak Terdiri dari polisakarida dan lipid A D. Daerah Periplasmik Area diantara membran sitoplasma dan membran plasma di bakteri gram negatif Merupakan area aktif untuk metabolisme sel Terdiri dari dinding sel, enzim pencernaan dan protein transpor Bakteri gram positif kekurangan membran luar dan daerah periplasmik o
o
o
Membedakan bakteri dengan dinding sel Bakteri gram postif memiliki lapisan peptidoglikan yang lebih tebal (60 – 90 %) Bakteri gram negatif memiliki dinding sel yang kompleks dengan lapisan peptidoglikan yang tipis (10 – 20%) Bakteri Acid-fast juga tebal seperti bakteri gram negatif tapi kandung peptidoglikan lebih sedikit dan ada lipid 60%. Bakteri Acid-fast Ditemukan di bakteri genus Mycobacterium sp. Kandungan dinding sel umunya adalah lipid (komponen lipid = asam micolit) Menodai bakteri gram positif Mengontrol bakteri dengan merusak dinding sel Antibiotik penisilin menghalang tahap terakhir pada sintesis peptidoglikan
o
o
o
Enzim lisosom yang terdapat di air mata dan sekresi tubuh manusia lainnya mencerna peptidoglikan Mengganggu cross-link pada dinding sel Organisme tanpa ada dinding sel Contohnya : bakteri dari genus Mycoplasma Dilindungi dari pembengkakan osmosis dan pecah dengan membran sel yang telah dikuatkan yang mengandung sterols Strains untuk bakteri yang tidak memiliki dinding sel yaitu L-forms Bakteri L-form Mampu bermutasi dari memiliki dinding sel menjadi tidak ada Tidak mudah mati karena tujuan kita adalah merusak dinding sel Tiba-tiba kalau tidak makan obat, bakteri akan membentuk kembali dinding sel Struktur Internal (di sitoplasma) Bakteri fotosintetik dan sianobakteria mengandung sistem membran internal yang disebut chromatophores Diperoleh dari membran sel dan mengandung pigmen fotosintesis Bakteri Nitrifying juga memiliki membran internal Ribosom Terdiri dari asam ribonucleat dan protein. Sebagai tempat sintesis protein Berlebih pada sitoplasma di bakteri Rantai panjangnya disebut polyribosomes Di bakteri 70s, di eukariot 80s Streptomycin dan Erythromycin mengikat ke ribosom 70s dan mengganggu sintesis protein bakteri Daerah nucleoid Di tengah daerahnya terdapat DNA (sebagian besar), tapi ada juga RNA dan protein DNA : umumnya 1 besar dan bulat kromosomnya Vibrio Cholerae : ada 2 kromoson (1 besar dan 1 kecil) Plasmid : bagian ekstrakromosomal dengan DNA yang bulat dan lebih kecil Inklusi Granula : tidak mengikat pada membran dan mengandung substansi densely compated (glikogen atau polifosfat) Vesikel : Struktur membran-enclosed spesialisasi yang mengandung gas atau poly-Bhydroxybutyrate hydroxybutyrate (lipid) Vakuola Endospora (bakteri tertentu) Struktur spesialisasi yang mendiam di bakteri seperti Bacillus sp. dan Clostridium sp. Membantu sel bakteri untuk tetap bertahan hidup ketika kondisi sekitar tidak memungkinkan Sangat resistan terhadap panas, pengeringan, asam, basa, dan beberapa desinfektan dan radiasi. Struktur Eksternal Struktur yang memanjang keluar atau disekitar dinding sel Flagela dan pili : memanjang dari membran sel melewati dinding sel dan beyond Susunan flagela bakteri: 1. Monotrichous : bakteri dengan flagelum polar tunggal di 1 ujung. Cnth: Pseudomonas 2. Amphitrichous Amphitrichous : bakteri dengan 2 flagela, masing-masing masing-masing ujung 1. Cnth: Spirillum 3. Lophoterichous : bakteri dengan banyak flagela di 1 ujung saja. Cnth : Helicobacter pylori 4. Peritrichous : bakteri dengan flagela di seluruh permukaannya. Cnth : Salmonella, Proteus 5. Atrichous : bakteri tanpa flagela. Cnth: 6. Bakteri berbentuk cocci : jarang ada flagella Flagela terdapat di bakteri berbentuk batang
o
o
Struktur 2 Flagela Bakteri yang berbeda 1. Bakteri gram negatif : ring lebih dari 1, tempel di membran luar, peptidoglikan dan membran sel 2. Bakteri gram positif : motor utama/inner ring tempel di membran sel. Karena energi dihasilkan di membran sel Pili : projeksi yang kecil dan berongga. Digunakan untuk menempelkan bakteri ke permukaan dan tidak ikut dalam pergerakan Pili konjugasi panjang (F-Pili) o Pili penempelan pendek (fimbriae) o Kapsul dan lapisan slime di sekitar dinding sel Glycocalyx : menyatakan seluruh polisakarida/substansi yang mengandung polipeptida yang terdapat di eksternal ke dinding sel, yaitu kapsul, lapisan slime. Semua bakteri ada paling tidak lapisan slime yang tipis Kapsul Struktur luar dinding sel yang melindungi organisme yang mensekresinya. o Hanya bakteri tertentu yang bisa membentuk kapsul o Komposisi kimia setiap kapsul adalah unik terhadap ketegangan dari bakteri yang o mensekresinya. Bakteri yang terenkapsulasi mampu menghindari mekanisme pertahanan inang. o Lapisan Slime Kurang terikat secara kuat ke dinding sel dan umumnya lebih tipis dari kapsul o Melindungi sel dari kekeringan, menangkap nutrisi dan menyatukan sel (biofilm) o Kemotaksis : kadang bakteri bergerak mendekati dan menjauhi dari substansi di lingkungannya melalui proses tidak random. Kemotaksis positif : hasil net adalah bergerak menuju atraktan (nutrisi) o Kemotaksis negatif : hasil net adalah bergerak menjauhi repelen o Bakteri Magnetotaktik, cnth : Aquaspirillum magnetotacticum, Magnetosomes
EUKARIOT Nukleus memiliki lubang kecil di permukaannya o Mitokondria o Pada membran dalam, terdapat enzim pernapasan yang berguna sebagai sumber energi Bagiannya adalah cristae, membran luar, membran dalam, matriks, dan enzim pernapasan. Flagela : o a. Mikrotubules b. Pergerakan flagela pada sel eukariot c. Pergerakan siliari Pseudopodia o Endosimbiosis o
Metabolisme: Jumlah dari semua proses kimia yang dilakukan oleh semua organisme hidup Anabolisme: Reaksi yang memerlukan energy untuk sintesis molekul kompleks dari molekul sederhana Katabolisme: Reaksi yang melepaskan energy dengan memecah molekul kompleks menjadi molekul sederhana yang bisa digunakan kembali sebagai blok pembangun. Semua reaksi katabolic melibatkan transfer electron yang secara langsung berkaitan dengan oksidasi dan reduksi Metabolisme: gabungan katabolisme dan anabolisme Oksidasi: Kehilangan electron o Reduksi: memperoleh electron o
Mikroorganisme dikelompokkan berdasarkan penangkapan energy dan bagaimana memperoleh karbon Autotrof: menggunakan karbon dioksida untuk sintesis molekul organic o Photoautotrof: memperoleh energy dari cahaya. Contoh: bakteri fotosintesis: green sulfur, purple sulfur, cyanobacteria ; algae Kemoautotrof: memperoleh energy dari pengoksidasi sederhana substansi inorganic. Contoh: besi, sulfur, hydrogen, bakteri nitrifikasi, archaeobacteria Heterotrof: mendapat karbon dari molekul organic siap pakai o Photoheterotrof: memperoleh energy kimia dari cahaya. Contoh: purple/green nonsulfur bacteria Kemoheterotrof: memperoleh energy dari mematahkan senyawa organic siap pakai. Contoh: bakteria, protozoan, fungsi, hewan Jalur metabolic Rantai reaksi: produk dari suatu reaksi menjadi substrat untuk selanjutnya: A-B-C-D o Glikolisis, fermentasi, respirasi aerobic, dan fotosintesis masing-masing terdiri dari serangkaian reaksi o kimia Jalur katabolic menangkap energy dalam bentuk yang bisa digunakan sel o Jalus anabolic membuat molekul kompleks yang bentuk strukturnya dari sel, enzim, dan molekul yang o mengontrol sel Sifat enzim: Umumnya, reaksi kimia yang melepas energy bisa o terjadi tanpa masukan energy Oksidasi glukosa melepaskan energy, tapi reaksi o tersebut tidak terjadi tanpa masukan energy Energi aktivasi: energy yang dibutuhkan untuk o memulai reaksi Enzim menurunkan energi aktivasi sehingga o reaksi bisa muncul pada suhu rendah pada sel hidup Enzim Menyediakan permukaan di mana reaksi o berlangsung Sisi aktif: wilayah di permukaan enzim di o mana enzim membentuk ikatan longgar dengan substrat Substrat: zat di mana enzim bertindak o Enzim substrat kompleks: terbentuk o ketika molekul substrat beradu dengan sisi aktif enzim tersebut
o o o
Enzim umumnya memiliki spesifisitas tingkat tinggi Endoenzim (intraseluler) atau eksoenzim (ekstraseluler) Tiap substrat berikatan dengan sisi aktif, memperoduksi enzim substrat kompleks. Enzim membantu reaksi kimia terjadi, dan satu atau lebih produk terbentuk
Sifat dari koenzim dan kofaktor Banyak enzim bisa mengakatalis reaksi hanya jika zat bernama koenzim atau kofaktor ada Apoenzim: porsi protein dari enzim o Holoenzim: koenzim atau kofaktor nonprotein yang aktif ketika o bergabung dengan apoenzim Koenzim: molekul nonprotein organic terikat (kuat atau longgar) o dengan enzim Kofaktor: organic ion (magnesium, (magnesium, zink) yang sering meningkatkan o kecocokan enzim dengan substratnya Transfer energi dengan molekul pengangkut: molekul pengangkut seperti sitokrom dan koenzim lain membawa energi dalam bentuk electron di banyak reaksi biokimia. Koenzim seperti FAD membawa seluruh atom hydrogen (electron bersama proton); NAD membawa satu atom hydrogen dan satu electron telanjang (electron bebas). Ketika koenzim tereduksi, mereka meningkatkan energi; ketika mereka teroksidasi, mereka mengurangi energi Inhibisi enzim Inhibitor kompetitif: molekul yang mirip strukturnya dengan substrat bisa berikatan dengan sisi aktif o enzim dan bersaing dengan substrat (obat sulfa) Inhibitor nonkompetitif: melekat pada enzim di sisi alosterik yang merupakan sisi lainnya dari sisi aktif o Inhibitor nonkompetitif mendistorsi struktur protein tersier dan mengubah bentuk dari sisi aktif o Inhibisi balik (feedback inhibitor): mengatur laju dari jalur metabolic ketika produk akhir dari jalur o terakumulasi dan terikat, serta menonaktifkan enzim pertama di jalur metabolik
Faktor yang mempengaruhi reaksi enzim: 1. Temperature dan pH Enzim dipengaruhi oleh panas dan pH ekstrim Bahkan perubahan kecil pH bisa mengubah perubahan listrik pada berbagai kelompok kimia di molekul enzim, dengan demikian mengubah kemampuan enzim untuk berikatan dengan substratnya dan mengkatalisis sebuah reaksi. Banyak enzim memiliki suhu optimum, mendekati suhu tubuh normal dan pH optimum mendekati netral di mana mereka mengkatalisis reaksi paling cepat
TIngkat di mana enzim mengkatalisis reaksi, meningkat dengan suhu naik hingga suhu optimum 2. Juga dipengaruhi oleh konsentrasi substrat, produk dan enzim
Terdiri dari glikolisis dan fermentasi A. Glikolisis (Jalur Embden-Meyerhof) adalah jalur metabolic yang digunakan oleh banyak organisme autotrofik dan heterotrofik untuk memulai memecah glukosa Tidak memerlukan oksigen, tapi bisa terjadi dengan adanya atau tidak adanya oksigen Fosforilasi: penambahan sebuah kelompok fosfat ke molekul, sering dari ATP dan umumnya meningkatkan energi molekul 4 peristiwa penting yang muncul di tahap glikolisis: 1. Level substrat fosforilasi: transfer kelompok fosfat dari ATP ke glukosa (glukosa bertambah) 2. Memecah 6 molekul karbon (glukosa) menjadi dua-tiga molekul karbon 3. Transfer dua electron menjadi koenzim NAD 4. Penangkapan energi dalam ATP
B. Fermentasi Suatu proses di mana piruvat selanjutnya dimetabolisme dalam ketiadaan oksigen Hasil dari kebutuhan untuk mendaur ulang NAD berjumlah terbatas dengan membebaskan electron dari NAD tereduksi ke molekul lainnya Fermentasi asam homolaktik: asam piruvat dikonversi secara langsung menjadi asam laktat, menggunakan electron dari NAD tereduksi pada tahap ke-6 glikolisis
Metabolisme aerobic Respirasi o
Fermentasi alcohol: Terdapat 2 tahapan : karbon dioksida terlepas dari piruvat membentuk asetaldehid, o Asetaldehid direduksi menjadi etil alcohol (etanol) oleh NAD o
a.
Fermentasi menghasilkan sejumlah kecil ATP Oksidasi sebagian dari atom karbon Perbedaan potensi reduksi antara donor electron dan aseptor adalah kecil (menara electron) b. Respirasi (aerobic atau anaerobic): Molekul substrat teroksidasi seluruhnya menjadi CO2 Hasil ATP yang jauh lebih tinggi Siklus krebs
SIKLUS KREBS Pintu keluar masuk menuju siklus krebs: piruvat kehilangan sebuah molekul CO2 dan dioksidasi oleh NAD. Hasil kelompok asetil yang memiliki 2 karbon melekat pada koenzim A, membentuk asetil CoA
Transport electron dan fosforilasi oksidatif electron: proses yang mengarah ke transfer electron electron dari substrat ke oksigen Transport electron: oksidatif: energi melepaskan reaksi Fosforilasi dehidrogenasi yang ditangkap pada ikatan berenergi tinggi sebagai Pi, kombinasi dengan ADP membentuk ATP Rantai transport electron digambarkan sebagai air terjun: Ketika electron ditransfer dari karier (pembawa) ke karier di rantai, energi mereka berkurang dan beberapa dari energi yang mereka hilangkan digunakan untuk membuat ATP Rantai transport electron rangkaian reaksi oksidasi reduksi, rantai o Melalui transport electron melangsungkan 2 fungsi: 1. Menerima electron dari donor electron dan mentransfer mereka menjadi aseptor electron 2. Menghemat sintesis ATP, beberapa energi dilepas selama transfer electron o Beberapa tipe enzim kompleks terlibat di transport electron Pembawa electron membrane terkait: 1. Menerima dan mentrasnfer electron 2. Menghemat energi yang dilepas untuk sintesis ATP Enzim oksidasi/reduksi: NADH dehydrogenase, Flavoprotein, Protein besi sulfur, Sitokrom, Quinones (lemak terlarut)
Elektron untuk atom hydrogen hilang dari reaksi siklus krebs ditransfer melewati system transport electron Transport electron membuat potensial H menyebrangi membrane ATP diproduksi oleh gaya penggerak proton (pmf) dengan membiarkan H menyebrangi membrane Kombinasi dari hydrogen/ Electron pengangkut Peter Mitchell 1961
Respirasi anaerobic
Penerima elektron selain oksigen yang digunakan, seperti: oksigen inorganic- mengandung molekul seperti nitrat (NO3-), sulfat (SO4 2-), besi (Fe 3+), karbonat (CO3 2-), dan perklorat(ClO 4-) dilepaskan Sedikit energi yang dilepaskan Mengizinkan mikroorganisme berespirasi di lingkungan anoksik Penerima electron terakhir: respirasi aerobic, respirasi anaerobic, dan fermentasi mempunyai penerima electron terakhir yang berbeda Pembersihan mikroba: 1989 Exxon Valdez minyak tumpah di Gulf, Alaka seperti Green Island Bioremediasi, aplikasi nutrisi (nitrogen dan fosfor) mempercepat degradasi bakteri dari minyak menjadi karbon dioksida dan air
Banyak mikroorganisme seperti hewan bisa memperoleh energi dari lemak 1. Lemak dihidrolisis menjadi gliserol dan 3 asam lemak 2. Gliserol dimetabolisis dengan glikolisis 3. Asam lemak dipecah menjadi 2 bagian karbon oleh beta-oksidasi
Protein bisa di metabolisis untuk energi Mereka pertama dihidrolisis menjadi asam amino tunggal oleh enzim proteoliktik Asam amino dideaminas Molekul ini memasuki glikolisis, fermentasi dan siklus krebs
Fototropi Ada dua tipe fotosintesis pada mikroorganisme: 1. Berbentuk sama seperti fotosintesis tumbuhan (evolusi oksigen) – cyanobacteria dan algae
2. Fotosintesis bakteri – Fototropik purple sulfur bacteria
Kemoautotrof Generasi energi melibatkan inorganic bukan kimia organic Donor electron merupakan inorganic kimia seperti hydrogen sulfide, gas hydrogen, besi (Fe2+) dan ammonia (NH3) Respirasi aerobic tapi sumber energinya inorganic Banyak kemolitotrof menggunakan karbon dioksida sebagai sumber karbon (autotroph)
Bioluminisensi Kemampuan organisme untuk memancarkan cahaya, tampaknya telah berevolusi sebagai produk sampingan dari metabolism aerobic Bakteri dari golongan Photobacterium dan Achromobacter, kunang-kunang, cacing bercahaya, dan organisme laut yang hidup di laut dalam memperlihatkan bioluminisensi Banyak organisme pemancar cahaya memiliki enzim luciferase bersama dengan komponen lainnya dari system transport electron Contoh : bakteri bioluminisensi, angler fish
Pertumbuhan dan pembelahan sel Pertumbuhan mikroba didefinisikan : 1. Sel induk ukurannya menjadi 2x lipat dari biasanya 2. Terbagi menjadi 2 sel anak Pertumbuhan mikroba : peningkatan jumlah sel yang terjadi karena pembelahan sel. Pembelahan Sel : Pembelahan biner (pembelahan sel yang sama): 1 sel menduplikasi o komponen-komponennya dan terbagi menjadi 2 sel. Septum: 1 partisi/ sekat tumbuh diantara 2 sel anak maka 2 sel o tersebut terpisah Budding (pembelahan sel yang tidak sama): sel baru yg kecil o berkembang dari permukaan sel induk, lalu memisah dari induknya Fase pertumbuhan Organisme memiliki 4 fase umum pertumbuhan : 1. The lag phase Jumlah organisme tidak bertambah signifikan Aktif secara metabolik Bertumbuh secara ukuran, sintesis enzim, dan menerima/menggabungkan molekul dari medium Memproduksi energi dalam jumlah yang besar dalam bentuk ATP 2. The logarithmic phase Organisme telah beradaptasi dengan medium o tumbuhnya Pertumbuhan terjadi saat exponential (log) o Synchronous growth: situasi hipotesis di mana jumlah sel kultur bertambah sesuai dengan pola-pola tangga , terjadi ketika membelah secara bersama Nonsynchronous growth: situasi alami di mana pembelahan sel terjadi tidak pada waktu yang bersamaan, ada yang lebih lambat Pembelahan terjadi pada tingkat yang paling cepat o Biasanya interval (waktu generasi) ditentukan secara genetik o 3. The stationary phase Pembelahan sel menurun pada suatu titik di mana jumlah sel o baru yang diproduksi sama dengan rasio jumlah sel tua yang mati. Jumlah sel yang hidup konstan o 4. The death phase Kondisi di mana medium menjadi kurang o mendukung pembelahan sel Sel kehilangan kemampuan untuk membelah o dan kemudian mati. Jumlah sel yang hidup berkurang sesuai o logarithmic rate Kondisi toksin semakin banyak sedangkan o nutrisi habis Serial Dilution and Standard Plate Counts o Standard plate count = salah satu metode untuk mengukur pertumbuhan bakteri. Seperti yang dilakukan Robert Hooke o Agar plate
o
cawan petri yang mengandung nutrisi yang dipadatkan dengan agar bakteri diletakkan di medium pertumbuhan bakteri (padatan mirip agar) medium yang digunakan biasanya : agar nutrisi (NA) dan kaldu nutrisi (NB) Serial dilutions digunakan untuk mengencerkan kultur bakteri asli sebelum dipindahkan ke plat agar. Menghitung jumlah bakteri per ml menggunakan serial dilution.
Metode perhitungan bakteri 1. Pour plate: dibuat dengan terlebih dahulu menambahkan 1.0 ml kultur encer ke 9 ml agar-agar cair. Bakteri diambil dan dihomogenasi dengan agar yang masih panas. Kemudian dituangkan ke cawan petro (diinkubasi). Nantinya koloni bakteri tumbuh di permukaan dan bawah permukaan. 2. Spread plate: dibuat dengan menambahkan 0.1 ml kultur encer ke permukaan medium padat. Setiap larutan dilakukan duplo, triplo dll.. Nanti koloni bakteri akan muncul di permukaan Direct Microscopic Counts Menggunakan Petroff-Hausser counting chamber Suspensi bakteri dimasukkan ke chamber dengan pipa yang dikalibrasi Mikroorganisme dihitung di daerah kalibrasi yang spesifik Jumlah per satuan volume diukur menggunakan formula yang tepat Most Probable Number (MPN) Metode untuk memperkirakan jumlah sel Digunakan ketika sample mengandung sangat sedikit organisme untuk menghitung jumlah populasi dari standar plate count Seri dari pengenceran yang semakin besar Test MPN terdiri dari 5 tabung yang masing-masing memiliki 3 volume (e.g. 10, 1, and 0.1ml) A MPN test: tabung yang menghasilkan gelembung udara diberi label (+), yg berarti mengandung organisme Turbiditas = kekeruhan / tampak berawan Indicator pertumbuhan bakteri di urun (tabung sebelah kiri) Dihitung dengan Optical Density (OD), dibaca dengan spectrometer. Dari hasil OD yang diperoleh, dapat menentukan jumlah bakteri per mm kubik dengan melihat table. •
•
•
Spectrophotometer: Spectrophot ometer: alat yang dapat digunakan untuk mengukur pertumbuhan bateri dengan menentukan derajat transmisi melalui kultur Faktor yang mempengaruhi pertumbuhan bakteri Jenis organisme yang ditemukan dalam suatu lingkungan tertentu dan tingkat pertumbuhannya dapat dipengaruhi oleh berbagai faktor, seperti fisik dan biokimia
Faktor fisik meliputi: pH, suhu, konsentrasi oksigen, kelembaban, tekanan hidrostatik, tekanan osmotik, dan radiasi Faktor gizi meliputi: ketersediaan karbon, nitrogen, sulfur, fosfor, mineral, dan, vitamin pH pH optimum : terjadi pertumbuhan mikroorganisme paling baik (e.g. pH 7) Berdasarkan toleransi asam basanya, bakteri diklasifikasikan : 1. Acidophiles (suka asam):pH 0.1-5.4 0.1-5.4 2. Neutrophiles: pH 5.4 to 8.0 3. Alkaliphiles (suka basa): pH 7.0-11.5 Suhu Obligate: organisme harus berada di kondisi lingkungan yg spesifik Facultative: organisme mampu menyesuaikan diri dan mentolerir kondisi lingkungan, tapi dapat hidup dengan kondisi lain Berdasarkan suhu pertumbuhannya, bakteri dikasifikasikan : 1. psychrophiles: 15-20 oC 2. Mesophiles: 25-40 oC 3. Thermophiles: 50-60 oC -> Thermophilic sulfur bacteria dapat hidup dan bertumbuh di geyser meskipun suhunya mendekati suhu mendidih
•
•
•
Oksigen Aerobes: butuh oksigen untuk tumbuh Obligate aerobes: harus memiliki oksigen bebas untuk respirasi aerobik(e.g. Pseudomonas) Anaerobes: tidak membutuhkan oksigen untuk tumbuh Obligate anaerobes: mati jika ada oksigen bebas (e.g. Bacteroides) Microaerophiles: Microaerophi les: tumbuh terbaik dengan sedikit oksigen bebas Capnophiles: suka CO2, berkembang dibawah kondisi oksigen yang rendah Facultative anaerobes: melakukan metabolisme aerobik ketika ada O2 dan melakukan metabolisme anaerobik ketika tidak ada O2 Aerotolerant Aerotoleran t anaerobes: dapat hidup dengan adanya O2, tapi tidak menggunakan O2 untuk metabolismenya
Tekanan Hidrostatik Air di laut dan danau memiliki tekanan yang sebanding dengan kedalamannya Tekanan menjadi 2x lipat ketika kedalaman bertambah 10 m Barophiles: bakteri yang hidup pada tekanan tinggi, tapi mati pada tekanan tekanan standar
Tekanan Osmosis Lingkungan yang mengandung zat terlarut mengakibatkan tekanan osmosis, dan tekanan dapat melampaui zat terlarut di dalam sel Hyperosmotic environments: sel kehilangan air dan mengalami plasmolisis ( sel menyusut) Hypoosmotic environment: sel mendapat air, membengkak ,dan lisis
Halophiles
•
•
•
Suka garam, membutuhkan jumlah garam yang banyak Sistem transportasi membran aktif mengangkut ion Na keluar sel dan kalium ke dalam Kenapa halofil butuh garam? 1. Sel membutuhkan Na untuk mempertahankan konsentrasi kalium intraseluler yg tinggi untuk fungsi enzimatik. 2. Sel butuh Na untuk mempertahankan integritas dinding selnya Faktor Nutrisi Sumber karbon, sumber nitrogen, sulfur dan fosfat, trace elemen (cnth: tembaga, besi, seng, kobalt), vitamin (cnth: asam folat, vitamin B-12, vitamin K) Spiroplasma memerlukan campuran 80 bahan untuk mendukung pertumbuhan nutritionalnya. Spiroplasma sp. = penyebab penyakit ratusan pangan dan binatang Lokasi Enzim Exoenzymes: produksi enzim yang dilepaskan melalui sel / membran plasma Extracellular enzymes: biasanya digunakan bakteri gram positif , dilakukan di medium sekitar organisme Periplasmic enzymes: biasaya diproduksi bakteri gram negatif, dilakukan di ruang periplasmic Sporulation Pembentukkan endosporea, terjadi pada Bacillus, Clostridium and bakteri gram-positive lainnya Pelindung / mekanisme bertahan hidup, bukan sebagai alat reproduksi Ketika pembentukkan endospora dimulai, DNA direplikasi dan membentuk nukleoid yang pajang, compact, dan axial Inti/core (bagian dari endospora hidup): sebagian besar RNA sel dan beberapa molekul protein sitoplasma berkumpul di sekitar DNA Asam dipicolinic: terkandung dalam inti bersama dengan ion kalsium Endospora septum: tumbuh di sekitar inti, mengapit inti di dalam membran dgn ketebalan ganda Cortex: membentuk lapisan-lapisan saat peptidoglikan dilepaskan ke ruang antara membran septum endospora Pelindung spora: keratin seperti protein, tahan terhadap bahan kimia, ada di sekitar korteks Exosporium: ditemukan di beberapa endospora, membran lipid-protein terbentuk di luar pelindung
Siklus vegetatif dan sporulasi bakteri yang mampu bersporulasi
Germination Spora kembali ke vegetatif, terjadi dalam 3 tahap : 1. Activation 2. Germination proper 3. Outgrowth Kultur Bakteri 2 masalah kultur bakteri di lab : •
•
•
1. Kultur murni (kultur yang hanya berisi 1 spesies organisme ) dari 1 spesies dibutuhkan untuk mempelajari karakteristik dari suatu organisme 2. Harus menemukan media yang mendukung pertumbuhan bakteri yang diinginkan Metode streak plate menggunakan plate agar untuk kultur murni Tipe media kultur : 1. Natural Media: di alam, banyak spesies mikoorganisme bertumbuh bersama di laut, danau, tanah, hidup di organisme yang hidup / mati 2. Synthetic medium: Medium disiapkan di laboratorium dari bahan yang tepat dan dikomposisikan dengan baik. 3. Complex medium: mengandung bahan-bahan yang sudah biasa digunakan tapi dengan sedikit variasi dalam komposisi kimia dari batch ke batch (e.g. peptone, produk dari enzim pencernaan protein) Media yg biasa digunakan: Yeast Extract, Casein Hydrolysate, Serum, Blood agar, Chocolate agar Medium dibagi menjadi : 1. Medium Selektif: mendorong pertumbuhan beberapa organisme tetapi menekan pertumbuhan organisme lainnya (e.g. antibiotics), yg boleh tumbuh cuma 1 jenis organisme aja. Yang tumbuh hanya bakteri yang kita inginkan. Cnth : jamur – yang diinginkan dan bakteri – diberi antibiotik 2. Medium Diferensial: medium yg mengandung beberapa jenis bakteri yg bisa dibedakan dari karakternya. Semua bakteri dapat tumbuh, tapi bakteri yang diinginkan dapat diobservasi/dibedakan. 3. Medium Pengaya: mengandung nutrisi khusus yg memungkinkan pertumbuhan organisme tertentu lebih banyak daripada organisme lainnya, sehingga lebih mudah diisolasi dan diidentifikasi Pengawetan kultur o Untuk menghindari risiko kontaminasi dan untuk mengurangi laju mutasi, organisme kultur harus disimpan dalam kultur pengawetan, kultur di mana organisme dipertahankan dalam keadaan tidak aktif 1. liofilisasi 2. Dibekukan pada -70oC 3. Pendinginan o Reference culture (type culture): pengawetan kultur yang mempertahankan karakter asli organisme Metode Melakukan Tes diagnostic multiple 1. The Enterotube System 2. The Analytical Profile Index (API) System Berbagai spesies Enteobacteriaceae dengan berbagai reaksi, sehingga memungkinkan memungkinkan untuk diidentifikasi
Tambahan : 3 spesies Candida dapat dibedakan dalam kultur campuran ketika tumbuh di piring CHROMagar Candida
Candle Jar culture of anaerobes and microaerophiles
Anaerobic transfer
Identifikasi patogen saluran kemih dengan Media diferensial (CHROMagar)
Untuk mengkultur anaerob obligat, semua molekul O2 harus dihilangkan dari media. Plate agar diinkubasi dalam toples tertutup yg mengandung zat kimia yg mampu menghilangkan O2 dan menghasilkan CO2 / air
Kebanyakan prokariotik punya tunggal, kromosom bundar Ketika perenggangan, molekul DNA tunggal ini sepanjang 1mm (1000 kali lebih panjang daripada sel) Molekul yang sangat besar ini cocok dengan sel nucleoid dengan memutar di sekeliling dirinya (supercoiling)
DNA superkoil DNA bisa menjadi superkoil pada tujuan positif dan negative Superkoil negative muncul ketika DNA berputar pada porosnya dengan arah berlawanan dari double helix kidal Ini dalam bentukan bahwa DNA supercoil banyak ditemukan di alam Topoisomerase DNA supercoiling pada prokariot biasanya membawa ragam yang berbeda dengan eukariot Pada bakteri dan archaea, DNA gyrase (topoisomerase II) memperkenalkan supercoil negative Girase terbalik: ditemukan di hipertermofilik spesies dari Archaeal memperkenalkan supercoiling positif (overwinding) Vibrio cholera Bakteri sel ini memiliki 2 kromosom bundar, 1 besar dan 1 kecil Kromosom: molekul DNA harus memiliki informasi genetika esensial untuk organisme bertahan hidup Plasmid mengandung hanya informasi genetika yang bisa sangat membantu untuk organisme, tapi mereka bisa bertahan tanpanya Definisi dari gen: Unit dasar dari hereditas; urutan linear dari DNA nukleotida yang membentuk unit fungsional dari kromosom atau plasmid Gen dengan informasi yang berbeda pada tempat yang sama dinamakan alleles Karena prokariot punya kromosom tunggal, mereka umumnya hanya punya satu versi atau alel dari tiap gennya
Transfer informasi dari DNA ke protein Metode untuk menentukan gen mana yang terletak pada kromosom spesifik
Replikasi DNA di beberapa prokariot Asal replikasi: tempat pada kromosom di mana sintesis DNA dimulai Terdiri dari urutan tertentu sekitar 300 basis yang dikenali oleh protein inisiasi spesifik Sebagai kelanjutan replikasi, sisi replikasi (cabang replikasi), mengambil pengaturan antiparallel yang dikenal sebagai alur terpimpin dan tertinggal Pada DNA sirkuler, replikasi dua arah ini mempimpin ke formasi dari karakteristik struktur yang disebut struktur theta
Ketika dua cabang replikasi bertemu, dua kromosom baru berpisah – masingmasing mengandung satu baru dan satu lama alur.
SIntesis protein – prokaroit dan eukariot prokariot, transkripsi da Pada translasi muncul di sitoplasma eukariot: transkripsi Pada bertempat di nucleus, translasi di sitoplasma Eukariot dan Achaeans mempunyai wilayah gen yang merupakan kode untuk protein (exon) dan wilayah nonkode disebut introns Transkripsi RNA dari template DNA -PPP menunjukkan energi tinggi trifosfat dan –PP menunjukkan sebuah pirofosfat Pada RNA, urasil (U) berpasangan dengan adenine(A) daripada timin(T) RNA transkrip pada 5’ ke 3’ Helai RNA komplementer digunakan sebagai template untuk mentranskrip helai DNA baru
Eukariotik gen berbeda dalam kompleksitas dengan gen prokariot pengkodean Urutan dari DNA disebut exons(E) dan urutan nonkode disebut introns(I) ditranskripsi Stelah menjadi RNA, introns hilang dan ekson disambung bersama dengan spliceosomes Hasil mRNA siap untuk mengarahkan sintesis protein dan meninggalkan nucleus Tipe RNA tipe RNA 3 berpartisipasi pada sintesis protein:
RNA ribosom (rRNA) RNA messenger (mRNA) o RNA transfer (tRNA) o Tiap2nya disintesis dengan transkripsi menggunakan helai tunggal dari DNA sebagai template o
Struktur Ribosom Prokariot Tidak mengandung pesan genetic, melainkan berfungsi sebagai sisi untuk sintesis protein Erat mengikat protein spesifik untuk memproduksi dua subunit ribosom (besar dan kecil), yang berkombinasi bersama untuk membentuk ribosom. sintesis protein adalah pada Wilayah persimpangan dari tiga komponen mRNA membawa informasi genetika dari gen (DNA) keluar dari nucleus masuk ke sitoplasma sel di mana ditranslasi untuk memproduksi protein Mengandung basis kembar tiga dinamakan kodon yang merupakan kode genetic Menempel satu atau lebih ribosom Kode genetik Tiga huruf dasar singkatan untuk asam amino yang dikenal sebagai kodon UAA, UAG, dan UGA bukan kode untuk beberapa asam amino, kode tersebut untuk berhenti menunjuk kodon terminator AUG untuk memulai dan asam amino, methionine(met) SIntesis protein selalu dimulai dengan met
Transfer RNA Fungsinya adalah untuk mentransfer asam amino dari sitoplasma ke ribosom untuk mengganti menjadi molekul protein Tiap tRNA molekul mengandung 75-80 nukleotida yang terlipat kembali pada dirinya untuk membentuk beberapa lilitan yang stabil dengan pasangan basa komplementer Trasnkripsi vs translasi Transkripsi adladh sintesis mRNA dari template DNA Translasi adalah proses di mana sintesis protein ribosom menggunakan produksi RNA transkrip dewasa selama transkripsi Beberapa ribosom bisa diikat pada pin yang berbeda sepanjang molekul RNA untuk membentuk poliribosom (polysome) Poliribosom Adanya banyak ribosom naik secara bersamaan sepanjang satu bagian dari mRNA Memungkinkan untuk bersamaan bertranskripsi dan bertranslasi pada prokariot
Langkah sintesis protein
Signifikasi mekanisme pengaturan Bakteri yang bertahan bergantung pada kemampuan mereka untuk tumbuh walau kondisi jauh dari ideal Bakteri telah mengembangkan mekanisme untuk menyalakan/mematikan reaksi sesuai kebutuhan mereka Sel tersebut menggunakan energi untuk sintesis zat pada jumlah yang diperlukan dan menghentikan sintesis sebelum produksi berlebihan Kategori mekanisme pengaturan: 1. Umpan balik atau inhibisi produk akhir Aktivitas enzim diatur secara o langsung Mekanisme control o menentukan seberapa cepat enzim sudah akan mengkatalisis reaksi Produk akhir dari tahap o biosintetik secara langsung menginhibisi enzim pertama pada tahap itu Inhibisi umpan balik o mengizinkan sel untuk mengkonversi energi dalam dua jalan: Sel mengeluarkan energi untuk sintesis produk akhir hanya ketika dibutuhkan Regulasi dari aktivitas enzim membutuhkan sedikit energi dibandingkan proses kompleks yang mengatur ekspresi gen 2. Enzim Induksi : biasanya mengatur katabolisme 3. Enzim Represi : biasanya mengatur anabolisme Induksi vs represi mekanisme Enzim terinduksi: dibuat hanya ketika substratnya ada di lingkungan Enzim terepresibel: enzim yang sintesisnya diinhibisi dengan adanya sinyal molekul (repressor) Enzim konstitutif: enzim tak diatur yang selalu diproduksi pada tingkat konstan karena selalu diperlukan
Operon prokariot Operon: satu set gen yang berhubungan erat yang dihubungkan oleh operator tunggal dan ditranskrip bersama
Satu operon mencakup: Gen structural: membawa informasi untuk sintesis protein spesifik o Sisi regulatori: mengontrol ekspresi dari gen structural; berjarak dari operon o Regulasi transkripsi Banyak mekanisme pengaturan bertindak transkripsi Mereka merubah aktivitas dari RNA polymerase Ini dicapai dengan mengganti frekuensi pada gen particular yang ditranskrip Jika transkrip dibuat jarang, sedikit protein yang dibuat Protein regulasi yang mengikat DNA Transkripsi sering diatur oleh protein yang mengikat DNA Protein ini mengikat wilayah spesifik DNA yang disebut operator Operator dekat dengan promoter gen di mana RNA polymerase normalnya diikat The lac operon 3 enzim dibutuhkan untuk metabolism laktosa dikode oleh lac operon: 1. Galactosidase permease (lacY gene) 2. Betha-galactosidase (lacZ gene) 3. Galactosidase transacetylase (lacA gene) Wilayah promoter-operator (sisi regularori) Lac repressor Gen regulator I mensintesis langsung lac repressor Lac repressor adalah protein yang mengikat operator dan mencegah transkripsi dari gen Z, Y dan A yang berdekatan Gen I adalah contoh dari gen konstitutif; selalu menjalani sintesis protein
Ketika laktosa tidak ada, repressor mengikat operator, mencegah transkripsi untuk muncul
Ketika laktosa ada, mengikat repressor, menonaktifkan
Enzim represi Proses control di mana substansi yg dibutuhkan untuk tumbuh disintesis Sintesis dari asam amino triptofan Trp operon Seperti operon lain, trp operon memiliki lebih dari satu tipe regulasi Trp operon Mengandung lima gen structural untuk tahap biosintetik tritofan Enzim pertama tahap ini, anthranilate synthetase adalah subjek untuk inhibisi umpan balik oleh triptofan Ketika triptofan tersedia untuk sel bakteri, dia mengikat ke repressor inaktif dan mengaktifkannya Repressor aktif mengikat ke promoter dimana merepresi sintesis enzim yang diperlukan untuk memproduksi triptofan Enzim induksi dan enzim represi keduanya adalah mekanisme pengaturan yang mengontrol produksi enzim dengan merubah ekspresi gen Walau kedua mekanisme ini memperlihatkan efek yang berbeda, mereka sesungguhnya mewakili dua contoh dari operasi mekanisme tunggal untuk menghidupkan dan mematikan gen Represi katabolit Mengatur ekspresi dari banyak gen dan operon dalam respon untuk ketersediaan sumber karbon untuk tumbuh Mencegah ekspresi dari katabolisme gen yang mengkode sumber karbon ketika sumber karbon yang lebih baik tersedia Melindungi sel dari ekspresi lac operon jika sumber karbon yang lebih cocok tersedia Jika glukosa dan laktosa tersedia untuk E coli, dia menggunakan glukosa terlebih dahulu
Kurva pertumbuhan bakteri yang mengandung glukosa dan laktosa
Tipe dan signifikasi transfer gen Gen transfer: mengacu pada perpindahan dari informasi genetic antar organisme Rekombinasi: kombinasi dari gen (DNA) dari dua sel yang berbeda Transfer gen vertical: ketika gene melewati orangtua menuju keturunannya Horizontal (lateral) transfer gen: Melewati gen ke mikroba lain dari generasi yang sama Mekanisme lateral transfer gen pada bakteri A. Transformasi Perubahan karakteristik organisme karena transfer informasi genetika DNA telanjangL DNA yang terlepas dari sebuah organisme setelah sel tersebut lisis dan DNA tidak lagi dimasukkan ke kromosom Faktor kompetensi yang terlepas menuju perantara dan tampaknya memfasilitasi masuknya DNA ke dalam sel DNA transport protein dan eksonukleus ( enzim yang memotong DNA) selalu dibutuhkan
Eksperimen Griffith Mekanisme transformasi bakteri B. Transduksi Sebuah metode mentransfer material genetika menggunakan bakteriofag Bakteriofag: sebuah virus yang menginfeksi bakteri Fag: terdiri dari inti dari asam nukleat dilindungi oleh lapisan protein Fag mampu menginfeksi sebuah bakteri yang menempel ke sisi reseptor pada dinding sel Fag jahat: mampu menyebabkan infeksi dan destruksi serta kematian dari sel bacterial Fag sederhana: biasanya tidak menyebabka infeksi yang menggangu digabungkan menjadi inang bakteri bakteri DNA Profag: DNA yang digabungkan Lisogeni: Kegigihan dari profag tanpa fag bereplikasi dan distruksi sel bakteri
S i k l u s H i d u p B a k t e r i o f a g
I. Transduksi khusus Beberapa fag lisogenik dikenal untuk membawa transduksi khusus Lambda fag pada E Coli sudah dipelajari Fag selalu masuk pada lokasi spesifik ketika mereka bergabung dengan sebuah kromosom Lambda fag masuk ke kromosom E Coli antara gen galaktosa dan gen biotin II. Transduksi umum 1. Infeksi bakteriofag pada inang bacterium memulai siklus litik 2. Kromosom rusak menjadi pecahan yang bisa dibawa dan dikemas dengan DNA fag
3. Partikel terlepas dan menginfeksi sel bakteri yg lain 4. Inang menempati gen yang telah dibawa (transduksi) dari sel sebelumnya
T r a n s d u k s i U m u m
Transduksi khusus oleh lambda fag pada E Coli
C. Konjugasi Informasi genetic ditransfer dari satu sel ke yang lain Konjugasi berbeda dengan mekanisme lainnya di 2 hal: Memerlukan kontak antara donor dan penerima sel Mentransfer kuantitas yg lbh besar dr DNA Kadang seluruh kromosom bisa ditransfer
Transfer Plasmid F F plasmid adalah bundar, molekul DNA beruntai ganda F+ sel mengandung F(fertilitas) plasmid dan membuat F pilus F- sel kekurangan F plasmid F pilus (pilus reproduksi): sebuah jembatan konjugasi pilus yang menempel pada F- sel Perkawinan F+ dan F1. Sel mentransfer satu helai DNA dari F plasmidnya ke F= sel lewat jembatan konjugasi 2. Untaian komplementer dari F plasmid DNA disintesis 3. Penerima sel mendapat kopi an lengkap dari F plasmid dan sel pendonor menguasai kopian lengkap Rekombinasi Rekombinasi frekuensi tinggi (Hfr) Bisa menyebabkan lebih dari 1000x jumlah genetic rekombinasi terlihat di F+ dan F Helaian Hfr muncul dari helai F+ ketika plasmid F bergabung menjadi bakteri kromosom pada beberapa sisi yang memungkinkan Ketika sebuah Hfr sel menjadi pendonor pada konjugasi, plasmid F memulasi transfer DNA kromosom Bagian memulai: bagian dari plasmid F yang ditransfer bersama dengan gen kromosom berdampingan
Experimen Lederberg (penemuan Konjugasi)
Transfer Plasmid F
Transfer F ’ plasmid DNA yang digabungkan ke dalam sebuah kromosom bisa dipisahkan darinya dan menjadi F plasmid lagi PAda banyak kejadian pemisahan ini muncul dengan tidak tepat, dan sebuah pecahan dari kromosom terbawa dengan plasmid F Sel mengandung banyak plasmid yang disebut untaian F’ Plasmid F plasmid mengarahkan sintesis protein yang merakit diri menadi konjugasi pili Plasmid resistan membawa gen yang memberikan perlawanan ke berbagai antibiotic Plasmid lain mengarahkan sintesis protein bakteriosidal yang disebut bakteriosins Plasmid bervirus membawa gen yang menyebabkan penyakit Plasmid tumor terinduksi menyebabkan formasi tumor di tumbuhan
Transfer F’ Plasmid
Rekombinasi frekuensi tinggi (Hfr)
Beberapa plasmid mengandung fen untuk enzim katabolik
Teknik genetika Mengacu pada manipulasi bertujuan dari material genetika untuk mengubah karakterisktik dari sebuah organisme pada cara yang diinginkan Fusi genetic: mengizinkan transposisi gen dari satu lokasi pada kromosom ke yang lain
Fusi protoplast: dicapai dengan penghapusan enzimatis dinding sel organisme dari dua untai dan menggabungkan hasil protoplast
Teknologi DNA rekombinasi Membuat DNA rekombinan melibatkan 3 proses: 1. Manipulasi DNA in vitro 2. Rekombinasi dari DNA organisme lain dengan DNA bacterial dalam fag atau plasmid 3. Kloning atau produksi banyak keturunan genetic yg identic, atau fag atau plasmid yang membawa DNA asing
Sterilization and Disinfection Antimicrobial Therapy Prinsip dari sterisilasi dan disinfektasi : Disinfektan : agen kimia yang diterapkan ke benda mati o Antiseptik : agen kimia yang diterapkan pada jaringan hidup o Sterilisasi : membunuh / menghilangkan semua sel hidup, spora, virus pada suatu objek o Sterility : tidak ada organisme yg hidup pada suatu objek o Disinfeksi : pengurangan jumlah mikroorganisme patogen ke suatu titik di mana patogen tersebut o tidak akan menyebabkan penyakit Mengontrol pertumbuhan bakteri Jumlah bakteri yg mati pada interval tertentu o Semakin sedikit jumlah organisme yang ada, semakin sedikit waktu yang diperlukan untuk mencapai o steril. Respon mikroba berbeda-beda terhadap suatu antimikroba o Fase yg paling mudah untuk dilakukannya sterilisasi : fase logaritmik o Germisida : agen yang mampu membunuh patogen dan nonpatogen, tapi belum tentu bisa o membunuh endospora Agen Bakteriostatik : agen yang menghambat pertumbuhan bakteri o 1. Bakterisida : membunuh 2. Bakteriostatik Bakteriostat ik : hanya menghambat pertumbuhannya saja Agen Antimikroba kimia o Potensi : waktu, suhu, pH, konsentrasi Mengevalusasi efektivitas 1. Koefisien phenol 2. Filter paper method 3. Dilution test mekanisme aksi
a) Perusakan protein : gambar sebelah kiri b) perusakan membran dengan surfaktan : gambar sebelah kanan c) merusak komponen sel lainnya asam nuleat dan sistem penghasil energi (ex allcalyting agents) formasi dinding sel dgn pewarna/ dicelup ke bahan tertentu menghambat fermentasi (mencegah untuk menghasilkan energi) , ex asam nukleat, asam propinat Jenis-jenis disnfektan 1. sabun / detergen 2. asam / basa 3. logam berat 4. halogen
s t u k t u r d i s i n
f e k t a n
menggunakan metode fisika untuk mengontrol pertumbuhan bateri: 1. pemanasan cara yg paling umum digunakan untuk membunuh mikroba bisa menggunakan panas lembab dan panas kering (oven) paparan air mendidih selama 10 menit bisa membunuh sel vegetatif dan spora sterilisasi uap (autoclaving) digunakan untuk membunuh endospora A. autoclaving diturunkan, maka titik titik didih naik, naik, sehingga sehingga suhu bisa bisa diatas 100 o C jika tekanan diturunkan, tekanan : 15 lbs per square inch (psi) 5 – 20 menit pada 121 oC Prions sangat tahan panas, maka harus disterilisasi lebih lama dan suhu lebih panas (134 oC selama 18 menit)
mengecek sterilisasi B. pasteurisasi Proses yg ditemukan oleh Pasteur untuk menghancurkan mikroba yg menyebabkan anggur menjadi asam Membunuh patogen : Salmonelladan Mycobacterium Susu dipasteurisasi dgn dipanaskan hingga 71.6 oC selama minimal 15 detiik (flash method) Susu dipasteuriasi dgn dipanaskan hingga 62.9 oC selama 30 menit (holding method) 2. Temperatur Dingin 3. Filtasi dapat digunakan untuk mensterilkan zat-zat yg tidak tahan panas Untuk memisahkan virus dari bakteri (pembuatan vaksin) Untuk mengumpulkan mikroorganisme dari sampel udara dan air (pengujian kualitas air) 4. Radiasi radiasi ultraviolet (260 nm) : cukup untuk membunuh mikroba, tapi tidak bisa menembus kaca, dirt film, air
Ionizing radiation (IR): baik untuk sterilisasi karena kemampuannya untuk menembus jauh ke dalam objek, sehingga dapat menghilangkan endospora, sel vegetatif eukariot dan prokariot Ionizing radiation Menggunakan X rays dan gamma rays Mampu mengeluarkan elektron dari atom untuk membentuk ion Merusak DNA dan memproduksi peroksida (oksidator yg kuat dalam sel) Deinococcus radiodurans: Mampu bertahan dari 1000X jumlah radiasi yang dapat membunuh manusia (bioremediasi lokasi yang terkontaminasi radioaktif)
