Mikrobiologi Kuliah 4 Struktur Sel Bakteri

Kuliah 4 STRUKTUR & FUNGSI

KOMPONEN SEL Eubakteri & Archaebakteri

FARMASI – FMIPA – UHAMKA

2011

Priyo Wahyudi

STRUKTUR & FUNGSI KOMPONEN SEL

a. Eubakteri dan Archaebakterib. Dinding sel c. Kapsul d. Flagelae. Pilif. Sitosol g. Polisomh. Fimbria

Bacteria dan Archaea

Filogeni Prokariot

Bacteria

Jumlah sangat banyak Bentuk mahluk hidup yang tertua (3,5 milyar tahun lalu) Termasuk Prokariot, yang bersel tunggal Seluruh organisme lain di muka bumi ini berevolusi dari

bakteri (Fossil evidence) Hidup di seluruh bagian Bioma bumi

Bacteria• Eubacteria• Eu = Sebenarnya• Kuman

Archaea• Archaebacteria• Archae = kuno

Domain Archaea

Hidup di lingkungan ekstrem dan tempat-tempat umum

Dinding sel tidak mempunyai PEPTIDOGLIKAN Asam amino yang berbeda dengan bakteri

Dinding Sel Archaea

Pseudopeptidoglycan : terdiri atas N-acetyl talosaminuronic acid (NAT)

Ikatan Glikosidik antar Gula penyusun adalah b-1,3 glikosidik, bukan b-1,4 glikosidik dari peptidoglikan (sehingga Lysozyme insensitive)

Membran Bacteria vs Archaea

Archaea mengandung lipid yang terikat dengan ether Pada Archaea tidak ada asam lemak namun merupakan

suatu isoprene (5 carbon hydrocarbon) Beberapa Archaea mempunyai lipid monolayer

Monolayer Membrane of Archaea Monolayer results from covalent linkage of

glycerol side chains

HALOPHILES

METHANOGENS

METHANOGENS

THERMOACIDOPHILES

THERMOACIDOPHILES

Archaea : Methanogen

Mendapatkan energi dengan mengkonversi hidrogen dan CO2 menjadi gas metan

Oksigen bersifat racun padanya

Hidup pada kondisi anaerobik Dasar danau, rawa Limbah Saluran usus (humans and

cows)

Archaea: Halofilik

Archaebacteria yang menyukai garam Kadar garam tinggi (Great Salt Lake – Utah, Laut Mati -

Baltik) Menggunakan garam untuk mendapatkan energi (ATP) Halofil tertentu dapat mengubah air laut menjadi

berwarna Pink (dark pink) Warna pink tsb adalah suatu pigmen yang menyerupai

Rhodopsin pada retina mata manusia Pigmen pink tsb digunakan untuk melakukan semacam

fotosintesis (namun tidak menghasilkan oksigen) Halofil bersifat aerobik

Archaea: Thermoacidofilik

Hidup pada lingkungan yang sangat ekstrem

Panas yang sangat ekstrem tinggi hotsprings volcanic vents hydrothermal vents

Umumnya bersifat anaerobik

Domain Bacteria

Bakteri pada umumnya Dikenal dengan istilah kuman (Germs) Berbeda secara genetik dan sifat biokimia

dengan Archaea

SEL BAKTERI

Struktur Sel Bakteri

Struktur Sel Bakteri

Dinding Sel Membran Sitoplasma Sitoplasma

• Organella– Flagela & Fimbria– Pili

• Endospora• Kapsul

19

DINDING SEL

Dinding Sel

DS merupakan struktur yang esensial yang melindungi protoplasma dari kerusakan mekanik atau lisis.

Tdpt 2 tipe struktur DS bakteri: Gram positif (G+) & Gram negatif (G-)

DS mengandung PEPTIDOGLIKAN DS mempunyai peranan:

Struktur esensial untuk viabilitas Mengandung komponen unik yang tidak ditemui dimana pun di

alam Menjadi tempat penting bagi “Modus aksi”antibiotik Terdapat ligand sebagai adherence & receptor untuk obat atau

virus Menjadi penyebab symptoms of disease pada hewan Menjadi penciri dari sifat immunologis and variasi immunologis

dari berbagai jenis bakteri

Bakteri Gram (+) & Gram (-)

23

Fig. 4.16

Teichoic acids are found only in Gram-positive cell walls. They are negatively charged and their function is unknown.

Lipopolysaccharide and outer membrane are only found in Gram-negative cell walls.

Thick – 20-80 nm Thin – 8-11 nm

Gram (+) vs Gram (–)

Gram (+) vs Gram (–)

Property Gram-positive Gram-negative

Thickness of wall thick (20-80 nm)

thin (10 nm)

Number of layers 1 2

Peptidoglycan (murein) content >50% 10-20%

Teichoic acids in wall present absent

Lipid and lipoprotein content 0-3% 58%

Protein content 0 9%

Lipopolysaccharide content 0 13%

Sensitivity to Penicillin G yes no (1)

Sensitivity to lysozyme yes no (2)

24

Gram (+) dan Gram (–)

25

The Gram stain has four steps:

1. crystal violet, the primary stain: followed by2. iodine, which acts as a mordant by forming a crystal violet-iodine

complex, then3. alcohol, which decolorizes, followed by4. safranin, the counterstain.

Pewarnaan Gram

27

The Gram stain has four steps:

1. crystal violet, the primary stain: followed by2. iodine, which acts as a mordant by forming a crystal violet-iodine

complex, then3. alcohol, which decolorizes, followed by4. safranin, the counterstain.

Gram (+) dan Gram (–)

Is this gram stain positive or negative? Identify the bacteria.

Is this gram stain positive or negative? Identify the bacteria.

Figure 27.5x Gram-positive and gram-negative bacteria

Dinding Sel

• Bakteri yang tidak mempunyai Dinding Sel

• Mycoplasma adalah kelompok bakteri yang tidak mempunyai DS. Sebagai gantinya Mycoplasma mempunyai suatu bentuk sterol-like molecules yang tersusun pada membran sel mereka

• Mycoplasma pneumoniae adalah penyebab primer penyakit pneumonia bakterial atipikal yang lebih dikenal sebagai "walking pneumonia".

KAPSUL

Attach to outer surface of cell wall “Glycocalyx” (gly-koh-kay’licks) is the general

term of the polysaccharide capsule/ slime layer Produced when proper growth conditions

Excess of nutrients

Made from a variety of polysaccharides Poly D-glutamate in Bacillus sp.

Kapsul / Slime layer

Capsule: the polysaccharide that has a uniform thickness & can be thicker than cell

Streptococcus pneumoniae infectious to human, capsule help protect the cell against phagocytosis

Can be observed by performing Negative staining with India Ink

Slime layer: the polysaccharide adhered to the cell wall in a diffuse arrangement

Bacteria that cause dental carries help bacteria to colonise surface

Kapsul / Slime layer

Kapsul Disebut juga Glycocalyx suatu

polisakarida pada permukaan luar sel bakteri (external surface)

Membantu penempelan bakteri pada permukaan S. mutans menempel pada enamel

gigi Mencegah Fagocytosis

Complement tidak dapat menembus gula

Lapisan Polisakarida ekstraseluler yang menyelimuti sel bakteri, sehingga menyerupai kapsul

Berguna untuk melindungi bakteri dari kondisi lingkungan yang ekstrim (cont: bahan beracun)

Kapsul

FLAGELA

Flagella

43Proteus vulgaris

Peritrichous

Spirillum

Pseudomonas

Bentuk seperti cambuk Berfungsi untuk pergerakan bakteri

• Melibatkan ekspresi 40 gen yang mengkodekan protein struktural, transporter dan regulator

• Flagellum tumbuh dari ujung (bukan dari pangkal spt rambut hewan)

• Cap diperlukan untuk mengarahkan sintesis subunit flagelin untuk menjadi filamen

SINTESIS FLAGELLA

• Energy untuk rotasi flagela berasal dari Proton-motive force

• Bakteri dapat bergerak sejauh 60x panjang tubuhnya/detik (Bandingkan dengan kecepatan tertinggi dari seekor cheetah

saat berburu adalah hanya 25 x panjang tubuh/detik)

• Berbagai model gerakan tergantung pada susunan flagela

Pergerakan Bakteri

Prokaryotic flagella (Bacillus)

Prokaryotic flagella (A. serpens)

Prokaryotic flagella

Struktur Flagel

Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.

51

Flagella dapat berputar 60,000 rpm

Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.

52

PILUS / PILI

Pili

Protein filamen Struktur filamen halus,

panjang dan jumlah tidak sebanyak filamen halus lainnya (Fimbriae)

Struktur menyerupai flagela namun tidak berfungsi untuk pergerakan

Pili berfungsi untuk: Penempelan pada suatu

permukaan sel atau substrat Konjugasi

Pili

SITOPLASMA / SITOSOL

Sitoplasma

All structures and components inside the cytoplasmic membrane Bacterial Chromosome: DNA Plasmids Ribosome Protein, mostly enzymes Inclusion bodies Gas vesicles

Sitoplasma

80% DNA (deoxyribonucleic acid) + 10% RNA (ribonucleic acid) + 10% Protein

Packed in a part of cytoplasm termed “Nuclear region” or “Nucleoid”

The DNA is supercoiled and contains several loops

Function: Storage & transfer of genetic information

Kromosom Bakteri

An extrachromosomal DNA Free/ integrated in Chromosome Circular, small and Self-replicated Nonessential to viability of a cell But, often carry important genetic information Impact, for example:

The spread of infectious disease The spread of antibiotic resistance Genetic engineering

Plasmid

Composed of Ribosomal RNA/ rRNA (60%) Protein (40%)

The sedimentation of the molecule using ultracentrifugation refer to its shape & size which are measured as a “Svedberg Unit (S)”

Bacterial ribosome is 70S (30S+50S subunits)

Function: the site of protein synthesis

Ribosom

Ribosom

30S

50S

Soluble Proteins Mostly are enzymes Each Escherichia coli cell contains

approximately 1,000 different enzymes These proteins are vary in size:

Molecular weight (MW): 8,000 to >1,000,000 The average MW 40,000

Protein

Or “Cytoplasmic granules” Some enclosed by a membrane-like protein

layer Functions: Storage products of bacterial

metabolisms Energy Specific proteins Gas vesicles

Buoyancy for cells living in aquatic environments e.g. the cyanobacterium, Nostoc sp.

Inclusion bodies

Glycogen Highly branched polymer of glucose Carbon source

Cyanophycins A polymer of arginine and aspartic acid Nitrogen source e.g. Cyanobacteria

Inclusion bodies

Metachromatic granules accumulation of phosphate or polyphosphate *Metachromatic, as they change toluidine blue to a

radish violet color e.g. Corynebacterium sp., Mycobacterium sp.

Polyhydroxybutyrate (PHB) A polymer of hydroxybutyrate a reserve material that help the cell to survive under

low-nutrients environments e.g. Bacillus cereus under certain growth conditions

Inclusion bodies

POLISOM

Butir-butir ribosom yang tersusun berderet-deret dihubungkan oleh benang-benang halus substansi sel

Jumlah ribosom dalam poliribosom dapat memberikan informasi tentang ukuran molekul protein yang disintesis di tempat tersebut

Dalam eritroblas berkaitan dengan pembentukan hemoglobin

Polisom (Poliribosom)

Topografi polisom pada membran organel

FIMBRIA

Fimbria Protein filamen, bentuk halus jumlah banyak dan pendek (lebih pendek

daripada pili) Struktur seperti rambut-rambut halus yang berfungsi untuk penempelan

sel bakteri pada substrat atau sel lainnya (BIOFILM) Tidak berperan dalam motilitas Tidak berperan dalam konjugasi (bacterial mating)

Fimbriae Versus Flagella

Pilus Versus Fimbriae

Figure 3.10

ENDOSPORA

EndosporaProperty Vegetative cells Endospores

Surface coats Typical Gram-positive murein cell wall polymer

Thick spore coat, cortex, and peptidoglycan core wall

Microscopic appearance Nonrefractile Refractile

Calcium dipicolinic acid

Absent Present in core

Cytoplasmic water activity

High Very low

Enzymatic activity Present Absent

Macromolecular synthesis

Present Absent

Heat resistance Low High

Resistance to chemicals and acids

Low High

Radiation resistance Low High

Sensitivity to lysozyme Sensitive Resistant

Sensitivity to dyes and staining

Sensitive Resistant

76

endospore

sporangium

central spore

subterminalspore

terminalspore

terminal sporewith swollensporangium

Figure 3.42

Core Wall

Spore Coat

Exosporium

Cortex

Core

Apakah yang membuat endospora resisten?

Calcium (complexed with dipicolinic acid) in the core

acid-soluble, DNA-binding proteins dehydrated core spore coat (protein layers) DNA repair enzymes (during germination)

Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.

80

Figure 3.44

Transformation of endospore into vegetative cell

complex, multistage process