PENDAHULUAN Makalah ini dibuat sebagai tugas perkuliahan Mikrobiologi 1 mengenai Iisiologi dan metabolisme bakteri. Pada Bab 1 dari makalah ini akan dijelaskan bagaimana Iisiologi dari bakteridan bagaimana pengaruh lingkungan dari tempat hidup (habitat) bakteri. Pada Bab 2 akan dijelaskan bagaimana metabolisme bakteri dan pembagian jenis bakteri berdasarkan bagaimana bakteri bisa mendapatkan senyawa atau sumber energi untuk kelangsungan metabolismenya. Kemudian juga dijelaskan bagaimana proses produksi energi yang dihasilkan dari metabolisme bakteri. A 1 FISIOLOGI AKTERI Secara umum, organisme mikroskopis pada tingkatan seluler memiliki metabolisme seperti pada umumnya sel eukaryotik maupun prokariyotik. Perbedaan terletak pada cara memperoleh nutrisi, dan cara hidup yang akan berpengaruh terhadap kemampuan metabolit yang khas untuk setiap jenis mikroba. Lingkungan tempat hidup (habitat) juga berpengaruh terhadap kemampuan metabolisme suatu mikroba. Kondisi lingkungan yang mendukung dapat memacu pertumbuhan dan reproduksi bakteri. Faktor-Iaktor lingkungan yang berpengaruh terhadap pertumbuhan dan reproduksi bakteri adalah suhu, kelembapan, dan cahaya. Secara umum, terdapat beberapa alat yang dapat digunakan untuk melakukan pengamatan sel bakteri terhadap berbagai parameter tersebut, seperti mikroskop optikal, mikroskop elektron, dan Atomic Force Microscope (AFM). Suhu Suhu berperan penting dalam mengatur jalannya reaksi metabolisme bagi semua makhluk hidup. Khususnya bagi bakteri, suhu lingkungan yang berada lebih tinggi dari suhu yang dapat ditoleransi akan menyebabkan denaturasi protein dan komponen sel esensial lainnya sehingga sel akan mati. Demikian pula bila suhu lingkungannya berada di bawah batas toleransi, membran sitoplasma tidak akan berwujud cair sehingga transportasi nutrisi akan terhambat dan proses kehidupan sel akan terhenti. Berdasarkan kisaran suhu aktivitasnya, bakteri dibagi menjadi 4 golongan: 4 Bakteri psikroIilik, yaitu bakteri yang hidup pada daerah suhu antara 0 30 C, dengan suhu optimum 15 C. 4 Bakteri mesoIilik, yaitu bakteri yang hidup di daerah suhu antara 1555 C, dengan suhu optimum 2540 C. 4 Bakteri termoIilik, yaitu bakteri yang dapat hidup di daerah suhu tinggi antara 40 75 C, dengan suhu optimum 50 - 65 C 4 Bakteri hipertermoIilik, yaitu bakteri yang hidup pada kisaran suhu 65 - 114 C, dengan suhu optimum 88 C. Keasaman (pH) Dilihat dari keasaman lingkungan tempat tinggal bakteri, bakteri dibagi menjadi asidoIilik (lingkungan bersiIat asam), neutraloIilik (lingkungan netral), dan alkaloIilik (lingkungan bersiIat basa). 4 AsidoIilik Bakteri yang hidup pada pH 1-5 (optimum pada pH 3). 4 eutraloIilik Bakteri yang hidup pada pH 5,5-8,5 (optimum pada pH 7,5). 4 AlkaloIilik Bakteri yang hidup pada pH 9-11 (optimum pada pH 10.5). Kebutuhan Oksigen Berdasarkan kebutuhan akan oksigen, bakteri dibagi menjadi 2 macam, yaitu bakteri aerob dan bakteri anaerob. 4 Bakteri Aerob Organisme aerobik atau aerob adalah organisme yang melakukan metabolisme dengan bantuan oksigen. Aerob, dalam proses dikenal sebagai respirasi sel, menggunakan oksigen untuk mengoksidasi substrat (sebagai contoh gula dan lemak) untuk memperoleh energi. Misalnya itrosococcus, itrosomonas dan itrobacter. 4 Aerob Bakteri yang bisa hidup dan tumbuh dalam lingkungan beroksigen. 4 Anaerob IakultatiI Bakteri yang dapat tumbuh tanpa oksigen dan bisa menggunakan oksigen bila tersedia. 4 Bakteri Anaerob 4 Anaerob obligat Bakteri yang tidak bisa hidup di lingkungan beroksigen dan bahkan dirugikan dengan keberadaan oksigen. Bagi bakteri anaerob obligat, oksigen merupakan racun. 4 Aerotoleran Bakteri yang tidak membutuhkan oksigen dalam pertumbuhannya tetapi bisa mentoleransi keberadaan oksigen di lingkungannya. Substansi yang Dibutuhkan Bakteri untuk pertumbuhan dan bertahan hidup memerlukan nutrisi dan sumber energi. Bahan-bahan ini bisa diperoleh dari air, garam organic, mineral, sumber nitrogen, dan karbon dioksida. 4 Air - Bakteri membutuhkan air dalam konsentrasi tinggi. - Merupakan pengantar semua nutrisi yang diperlukan sel. - Membuang semua zat yg tidak diperlukan keluar sel. 4 aram Anorganik - Untuk mempertahankan tekanan osmotik sel. - Memelihara keseimbangan asam basa. - Sebagai aktivator reaksi enzim. 4 Mineral - SulIur (belerang) sebagian besarsulIur sebagai H2S. - FosIor-IosIat (PO4) diperlukansbg komponen asam nukleat & berupa koenzim. - Aktivator enzim : Mg, Fe, K & Ca 4 Sumber itrogen - itrogen yang dipakai bakteri, diambil dlmbentuk O3, O2, H3, 2 & R-H2 (R-radikal organik). 4 CO2 - Diperlukan dalam proses sintesa dengan timbulnya asimilasi CO2 di dalam sel. Kelembaban relatif Pada umumnya bakteri memerlukan kelembaban relatiI (#elative Humidity, RH) yang cukup tinggi, kira-kira 85. Kelembaban relatiI dapat dideIinisikan sebagai kandungan air yang terdapat di udara. Pengurangan kadar air dari protoplasma menyebabkan kegiatan metabolisme terhenti, misalnya pada proses pembekuan dan pengeringan. Sebagai contoh, bakteri Escherichia coli akan mengalami penurunan daya tahan dan elastisitas dinding selnya saat RH lingkungan kurang dari 84. Bakteri gram positiI cenderung hidup pada kelembaban udara yang lebih tinggi dibandingkan dengan bakteri gram negatiI terkait dengan perubahan struktur membran selnya yang mengandung lipid bilayer. Cahaya Cahaya merupakan salah satu Iaktor yang mempengaruhi pertumbuhan bakteri. Secara umum, bakteri dan mikroorganisme lainnya dapat hidup dengan baik pada paparan cahaya normal. Akan tetapi, paparan cahaya dengan intensitas sinar ultraviolet (UV) tinggi dapat berakibat Iatal bagi pertumbuhan bakteri. Teknik penggunaan sinar UV, sinar X, dan sinar gamma untuk mensterilkan suatu lingkungan dari bakteri dan mikroorganisme lainnya dikenal dengan teknik iradiasi yang mulai berkembang sejak awal abad ke-20. Metode ini telah diaplikasikan secara luas untuk berbagai keperluan, terutama pada sterilisasi makanan untuk meningkatkan masa simpan dan daya tahan. Beberapa contoh bakteri patogen yang mampu dihambat ataupun dihilangkan antara lain Escherichia coli 0157:H7 and Salmonella. Radiasi Radias pada kekuatan tertentu dapat menyebabkan kelainan dan bahkan dapat bersiIat letal bagi makhluk hidup, terutama bakteri. Sebagai contoh pada manusia, radiasi dapat menyebabkan penyakit hati akut, katarak, hipertensi, dan bahkan kanker. Akan tetapi, terdapat kelompok bakteri tertentu yang mampu bertahan dari paparan radiasi yang sangat tinggi, bahkan ratusan kali lebih besar dari daya tahan manusia tehadap radiasi, yaitu kelompok einococcaceae. Sebagai perbandingan, manusia pada umumnya tidak dapat bertahan pada paparan radiasi lebih dari 10 ray (y, 1 y 100 rad), sedangkan bakteri yang termasuk dalam kelompok ini dapat bertahan hingga 5.000 y. Pada umumnya, paparan energi radiasi dapat menyebabkan mutasi gen dan putusnya rantai DA. Apabila terjadi pada intensitas yang tinggi, bakteri dapat mengalami kematian. einococcus radiodurans memiliki kemampuan untuk bertahan terhadap mekanisme perusakan materi genetik tersebut melalui sistem adaptasi dan adanya proses perbaikan rantai DA yang sangat eIisien. A 2 METAOLISME AKTERI Metabolisme adalah suatu reaksi kimia dan biologi yang terjadi dalam sel. Mteabolisme pada semua organisme pada prinsipnya memiliki kesamaan (unity in biochemeistry) namun ada adanya sebuah perbedaan tergantung pada jenis organismenya. Metabolisme pada mikroba adalah semua reaksi biokimia yang terjadi dalam sel mikroba yang berperan penting dalam regenerasi energi dan proses metabolit. Ada 3 jenis metabolism, yaitu: 4 Katabolisme Katabolisme adalah reaksi pemecahan/pembongkaran senyawa kimia kompleks yang mengandung energi tinggi menjadi senyawa sederhana yang mengandung energi lebih rendah. Tujuan utama katabolisme adalah untuk membebaskan energi yang terkandung di dalam senyawa sumber. Bila pembongkaran suatu zat dalam lingkungan cukup oksigen (aerob) disebut proses respirasi, bila dalam lingkungan tanpa oksigen (anaerob) disebut Iermentasi. Contoh Respirasi: C6H12O6 O2 ~ 6 CO2 6 H2O 688 KKal. Contoh Fermentasi: C6H12O6 ~ 2 C2H5OH 2 CO2 Energi. 4 Anabolisme Anabolisme adalah suatu peristiwa perubahan senyawa sederhana menjadi senyawa kompleks, nama lain dari anabolisme adalah peristiwa sintesis atau penyusunan. Anabolisme memerlukan sumber energi, misalnya: energi cahaya untuk Iotosintesis, energi kimia untuk kemosintesis. Metabolisme pada mikroba dapat dibagi berdasarkan: 1. Bagaimana organisme mendapatkan karbon untuk sintesis sel: - AutotroI: karbon didapatkan dari karbon dioksida (CO2). - HeterotroI: karbon didapatkan dari senyawa organik. - MixotroI: karbon didapatkan dari senyawa organic maupun melalui Iikasasi karbon dioksida. 2. Bagaimana organisme mendapatkan senyawa untuk konservasi energi atau reaksi biosintesis: - LitotroI: dari senyawa inorganik. - OrganotroI: dari senyawa organik. 3. Bagaimana organisme mendapatkan energi untuk hidup dan pertumbuhan. - KemotroI: energy didapat dari senyawa kimia dari luar. - FototroI: energi didapat dari sumber cahaya. Pada kenyataannya, jenis metabolism ini selalu didapat dalam bentuk kombinasi dari ketiga jenis klasiIikasi diatas. Contoh dari kombinasi tersebut: 4 Chemolithoautotrophs dimana energi didapatkan dari oksidadi senyawa inorganic dan karbon didapat dari Iiksasi karbon dioksida. Contohnya: itrifying bacteria, Sulfur-oxidi:ing bacteria, Iron-oxidi:ing bacteria, Knallgas-bacteria. 4 !hotolithoautotrophs mendapatkan energi dari matahari dan karbon dari Iiksasi karbon dioksida, serta menggunakan senyawa inorganik untuk proses penguraian. Contohnya: Cyanobacteria (dibantu air untuk proses penguraian), Chlorobiaceae, Chromatiaceae (dibantu hidrogen sulIida (H2S) untuk proses penguraian), Chloroflexus (dibantu H2 untuk proses penguraian). %4 Chemolithoheterotrophs mendapatkan energi dari oksidari senyawa inorganik, tetapi tidak bisa memIiksasi karbon dioksida. Contohnya: beberapa jenis %hiobacilus, beberapa jenis Beggiatoa, beberapa jenis itrobacter spp., Wolinella (dibantu dengan H2 untuk proses penguraian), beberapa jenis Knallgas-bacteria, beberapa jenis sulfate-reducing bacteria. 4 Chemoorganoheterotrophs mendapatkan energi, karbon, dan bahan pengurai dari biosintesis senyawa organic. Contohnya: kebanyakan bakteri, misalnya, Escherichia coli, Bacillus spp., Actinobacteria. 4 !hotoorganoheterotrophs mendapatkan energi dari cahaya, karbon dan bahan pengurai dari senyawa organik. Beberapa spesies sangat heterotroph, beberapa lainnya bisa memIiksasi karbon dioksida dan merupakan mixotroI. 4 Contohnya: #hodobacter, #hodopseudomonas, #hodospirillum, #hodomicrobium, #hodocyclus, Heliobacterium, Chloroflexus. Ada beberapa proses dalam memproduksi energi oleh bakteri, yaitu proses Iotosintesis, produksi energi secara aerob dan anaerob. 1. Produksi energi dari Iotosintesis DeIinisi Iotosintesis adalah proses penyusunan atau pembentukan dengan menggunakan energi cahaya atau Ioton. Sumber energi cahaya alami adalah matahari yang memiliki spektrum cahaya inIra merah (tidak kelihatan), merah, jingga, kuning, hijau, biru, nila, ungu dan ultra violet (tidak kelihatan). Dalam Iotosintesis, dihasilkan karbohidrat dan oksigen, oksigen sebagai hasil sampingan dari Iotosintesis, volumenya dapat diukur, oleh sebab itu untuk mengetahui tingkat produksi Iotosintesis adalah dengan mengatur volume oksigen yang dikeluarkan dari tubuh tumbuhan. Dua jenis proses Iotosintesis berdasarkan: - Calvin-Benson Cycle atau C3 carbon fixation Merupakan rangkaian reduksi biokimia yang berlangsung di stroma dari kloroplas dalam organisme Iotosintesis. - Hatch-Slack Cycle atau C4 carbon fixation Salah satu dari 3 jenis mekanisme biokimia, bersama dengan Iotosintesis C3 dan CAM, yang digunakan dalam Iiksasi karbon. Dinamakan demikian berdasarkan %4 molekul karbon yang diproduksi pertama kali dari Iiksasi karbon dalam proses Iotosintesis. 2. Produksi energi dari proses aerob - Krebs Cycle atau Siklus Asam Sitrat Merupakan sebuah rangakaian reaksi metabolisme pernaIasan selular yang terpacu enzim yang terjadi setelah proses glikolisis, dan merupakan pusat dari sekitar ratusan reaksi metabolisme yang terjadi di dalam sel organisme, terutama organisme yang membutuhkan oksigen dalam proses respirasi sel. Lintasan katabolisme akan menuju pada lintasan siklus ini dengan membawa molekul kecil untuk diurai guna menghasilkan energi, sedangkan lintasan anabolisme merupakan lintasan yang bercabang keluar dari lintasan siklus ini dengan penyediaan substrat senyawa karbon untuk keperluan biosintesis. - Reaksi Anaplerotik Senyawa intermediate dalam TCA digunakan juga untuk biosintesis asam amino, asam nukleat dan komponen penting lainnnya dalam sel. Pengambilan senyawa intermediet tersebut dari dalam siklus untuk tujuan biosintesis menyebabkan ketidakseimbangan senyawa 4 karbon yang digunakan untuk kelangsungan siklus. Jadi harus ada mekanisme yang dapat menyediakan kembali senyawa yang dipakai tersebut. Mekanisme yang demikian disebut dengan anaplerotik. Contoh: banyak bakteri yang menggunakan enzim PEP karboksilase untuk membnetuk senyawa 4 C oksaloasetat dari priosa pospat dalam jalur Embden-MeyerhoI-Parnas. Tanpa adanya mekanisme yang demikian, sel yang hanya menggunakan glukosa sebagai sumber karbon tidak mungkin dapat tumbuh. - lukoneogenesis Adalah lintasan metabolisme yang digunakan oleh organisme, selain glikogenolisis, untuk menjaga keseimbangan kadar glukosa. Pada lintasan glukoneogenesis, sintesis glukosa terjadi dengan substrat yang merupakan produk dari lintasan glikolisis, seperti asam piruvat, asam suksinat, asam laktat, asam oksaloasetat. - Oksidasi Lemak Oksidasi asam lemak dimulai dengan reaksi trigliserida dan air yang dipecah dengan bantuan enzim lipase menjadi gliserol dan asam lemak. Kemudian gliserol dan ATP akan diubah dengan bantuan enzim gliserol kinase dan katalisator Mg2 menjadi ADP dan gilesrol triIosIat. liserol triIosIat dan AD akan diubah menjadi dehidroksi aseton IosIat dan ADH2 dengan bantuan gliserol dehidrogenase. Dihidroksi aseton IosIat akan masuk ke siklus glikolisis dan menuju ke Krebs Cycle. - Oksidasi Protein Protein dengan protease diubah menjadi peptide dan lalu dengan enzim peptidase menjadi asam amino. Asam amino diubah menjadi asam keto dengan 3 cara, yaitu oksidasi oleh oksidase, oksidasi oleh dehidrogenase, dan transaminase. Asam keto ini diubah menjadi asetil CoA atau suksinil CoA. 3. Produksi energi dari proses anaerob - Respirasi anaerob Bakteri pereduksi sulIat SO42-SO2- (sulIit) Reduksi nitrat (denitriIikasi) O3-O2 (nitrit)2(gas) Reduksi metana CO2CH4 - Fermentasi - Pemecahan glukosa membentuk asam piruvat - Pemecahan asam piruvat menjadi produk akhir Iermentasi: asam lemak, etanol, asetat, butanol, dll. Pada bakteri dikenal 4 macam jalur pemecahan glukosa menjadi asam piruvat, yaitu: 1. Jalur Embden-MeyenhoI-Parnas (EMP) 2. Jalur Hexose Mono Phosphate (HMP) 3. Jalur Enter DoudoroII 4. Jalur FosIoketotase Penggunaan jalur berdasarkan enzim yang dimiliki oleh bakteri. DAFTAR PUSTAKA Jawetz, Melnick, Adelberg. Medical Microbiology, 22th Edition. Appleton & Lange. 2001. erkman, ilson. Bacterial !hysiology. Academic Press Inc. ew York. 1951