BAB 3 STRUKTUR SEL BAKTERI
A. MORFOLOGI BAKTERI 1. Koloni Bakteri Bakteri dapat ditumbuhkan dalam suatu medium agar dan akan membentuk penampakan berupa koloni. Koloni sel bakteri merupakan sekelompok masa sel yang dapat dilihat dengan mata langsung. Semua sel dalam koloni itu sama dan dianggap semua sel itu merupakan keturunan (progeny) satu mikroorganisme dan karena itu mewakili sebagai biakan murni. Penampakan koloni bakteri dalam media lempeng agar menunjukkan bentuk dan ukuran koloni yang khas, dapat dilihat dari bentuk keseluruhan penampakan koloni, tepi dan permukaan koloni. Koloni bakteri dapat berbentuk bulat, tak beraturan dengan permukaan cembung, cekung atau datar serta tepi koloni rata atau bergelombang dsb. Pada medium agar miring penampakan koloni bakteri ada yang serupa benang (filamen), menyebar, serupa akar dan sebagainya. Penampakan koloni dapat dilihat pada gambar 3-1.
23
Gambar 3.1 Penampakan koloni bakteri pada cawan agar dan agar miring Sumber : Cappucino, 1987)
2. Bentuk Dan Ukuran Sel Bakteri Bentuk dan ukuran sel bakteri bervariasi, ukurannya berkisar 0,4 – 2,0µm. Bentuk sel bakteri dapat terlihat di bawah mikroskop cahaya, dapat berbentuk kokus (bulat), basil (batang), dan spiral. Bentuk sel kokus terdapat sebagai sel bulat tunggal, berpasangan (diplokokkus), berantai (streptokokkus), atau tergantung bidang pembelahan, dalam empat atau dalam kelompok seperti buah anggur (stafilokokkus). Bentuk sel serupa batang biasanya bervariasi, memiliki panjang mulai dari batang pendek sampai batang panjang yang melebihi beberapa kali diameternya. Ujung sel bakteri serupa batang dapat berupa lingkaran halus, seperti pada bakteri enterik Salmonella typhosa, atau berbentuk kotak seperti pada Bacillus anthracis. Bentuk batang serupa benang panjang yang tidak dapat dipisahkan menjadi sel tunggal diketahui sebagai filamen. Bentuk batang fusiform, meruncing pada kedua ujungnya ditemukan pada bebebrapa bakteri rongga mulut dan lambung. Bakteri batang melengkung bervariasi
mulai dari yang kecil, bentuk koma, atau
sedikit uliran dengan suatu lengkungan tunggal, seperti Vibrio cholerae, sampai bentuk spiroket panjang, seperti Borrelia, Treponema dan Leptospira, yang memiliki banyak uliran.
24
Gambar 3.2
Bentuk umum sel dan rangkaian sel
bakteri (Sumber: Milton R.J. Salton dan Kwang-Shin Kim, 2001)
Beberapa bakteri memiliki bentuk yang berbeda dari bentuk umumnya bakteri seperti di atas, tetapi lebih mirip dengan struktur hifa dari jamur (fungi). Struktrur bakteri dalam kelompok ini dimasukan dalam kelompok aktinomiset yang tubuhnya serupa hifa atau filamen dan menghasilkan spora. Bakteri kelompok aktinomiset terkenal karena dapat menghasilkan senyawa antimikroba berupa antibiotika, seperti: Streptomyces menghasilkan antibiotik streptomisin.
B. STRUKTUR SEL BAKTERI Sebagian besar sel bakteri memiliki lapisan pembungkus sel, berupa membran plasma, dinding sel yang mengandung protein dan polisakarida. Sejumlah bakteri dapat membentuk kapsul dan lendir, juga flagela dan pili. Dinding selnya merupakan struktur yang kaku berfungsi membungkus dan melindungi protoplasma dari kerusakan akibat faktor fisik dan menjada pengaruh lingkungan luar seperti kondisi tekanan osmotik yang rendah.
25
Protoplasma terdiri dari membran sitoplasma beserta komponen-komponen seluler yang ada di dalamnya. Beberapa jenis bakteri dapat membentuk endospora sebagai pertahanan dikala lingkungan tidak sesuai untuk pertumbuhannya. Struktur dinding sel dapat menentukan perbedaan tipe sel
bakteri, seperti bakteri Gram-
positif dan Gram-negatif.
Gambar 3.3 Gambaran umum struktur sel bakteri (Sumber :Fardiaz,1987)
1. Flagela dan Filamen Axial Flagela merupakan filamen protein uliran (helical) dengan panjang dan diameter yang sama, dimiliki oleh beberapa bakteri patogen untuk bergerak bebas dan cepat (pergerakan berenang). Flagela disusun oleh tiga bagian: filamen, hook (sudut), dan basal body (bagian dasar). Bagian dasar menancap pada membran plasma, disusun oleh suatu tangkai serta satu atau dua rangkaian cincin yang mengelilinginya dan berhubungan dengan membran plasma, peptidoglikan, dan pada bakteri Gram-negatif berhubungan dengan membran luar pembungkus sel. Berdsarkan jumlah dan lokasi pelekatan flagela, tipe flagela pada sel bakteri menampakkan bentuk yang khas.Beberapa jenis bakteri seperti pada Pseudomonas memiliki satu flagela pada bagian salah satu ujung sel yang disebut monotrik. Tipe flagela yang tersusun atas banyak flagela yang letaknya pada satu ujung sel dikenal sebagai tipe lofotrik, sedangkan apabila letak flagella dinamakan tipe amfitrik. Kelompok
pada kedua ujung sel
enterobakteri motil seperti Salmonella atau
Bacillus memiliki flagela yang tersebar pada seluruh permukaan sel, yang disebut peritrik. Jumlah flagela setiap jenis bakteri berbeda mulai dari sejumlah kecil pada Escherichia coli sampai beberapa ratus per sel, seperti pada Proteus.
26
Gambar 3.4 Beberapa tipe flagel pada sel bakteri (Sumber: Milton R.J. Salton dan Kwang-Shin Kim, 2001) Fungsi utama flagela pada bakteri adalah sebagai alat untuk pergerakan. Flagela bukan merupakan alat untuk pertahanan hidup. Flagela dapat dipisahkan dengan guncangan atau dengan putaran dalam alat pengocok seperti sentrifuga. Sel tetap hidup dan memperoleh motilitas dengan pertumbuhan kembali flagela. Sel bakteri berflagela dapat menghampiri sumber nutrisi dan menghindari racun dengan menghampiri suatu kemoatraktan atau meninggalkan senyawa yang tidak diinginkan. Pergerakan sel oleh flagela mendorong sel dengan putaran melingkar searah sumbu panjangnya, seperti baling-baling. Putaran flagela dikuatkan oleh arus listrik. Fungsi flagela dibangun oleh
respon kemotaktik, menunjukkan suatu sistem
regulasi sensori umpan balik. Flagela ganda memutar berlawanan dengan arah jarum jam untuk membentuk suatu berkas yang terkoordinir dan efek pergerakan sel umumnya ke arah nutrisi (kemotaksis positif). Pengaruh adanya senyawa yang tidak diinginkan,menyebabkan koordinasi menjadi hilang, berkas flagela mengalami kekacauan, dan sel berputar dan cenderung menjauhi senyawa tersebut. Koordinasi fungsi
flagela
melibatkan
kemoreseptor,
yang
disebut
“protein
pengikat
periplasmik”, yang berinteraksi dalam transpor membran. Koordinasi pergerakan flagela juga melibatkan proses metilasi suatu protein membran plasma spesifik. Adanya kemoatraktan, proses metilasi protein tersebut meningkat, sebaliknya dengan adanya racun/senyawa yang tidak diinginkan, proses metilasi menurun. Pada beberapa kelompok bakteri spiroket seperti Treponema, Leptospira, dan
27
Borrelia, bergerak dengan suatu gelombang uliran berjalan, suatu tipe gerakan sel untuk menembus medium kental. Bakteri tersebut memiliki filamen axial yang serupa flagela yang melilit mengelilingi sel. Filamen tersebut terdapat dalam daerah periplasma
di antara membran luar dan membran dalam sel. Treponema
microdentium membentuk dua filamen dalam setaip selnya, T. reiteri membentuk enam sampai delapan, dan beberapa spesies membentuk lebih banyak filamen.
Gambar 3.5 Struktur flagela bakteri Escherichia coli (Sumber: Fardiaz,1987)
2. Mikrofibril: Fimbria dan Pili Seks (Adhesin, Lektin, Evasin, dan Aggressin) Fimbria, disebut jua pili dapat diamati dengan mikroskop elektron pada permukaan beberapa jenis sel bakteri. Fimbria merupakan mikrofibril serupa rambut berukuran 0,004 – 0,008 µm,. Fimbria lebih lurus, lebih tipis dan lebih pendek dibandingkan dengan flagela. Struktur fimbria serupa dengan flagela, disusun oleh gabungan monomer, membentuk rantai yang berasal dari membran plasma. Salah satu bakteri yang memiliki banyak fimbria, dapat menginfeksi saluran urin. Sel berfimbria melekat kepada ruang antar sel, permukaan hidrofobik, dan reseptor spesifik. Fungsi fimbria dianggap membantu bakteri untuk bertahan hidup dan berinteraksi dengan inang. Fungsi fimbria, di antara komponen permukaan sel bakteri yang lainnya, dapat dianggap memiliki aktivitas fungsional seperti adhesin, lektin, evasin, agresin, dan pili seks. Pada bakteri patogen yang menyebabkan infeksi, fimbria dan komponen permukaan lainnya dapat berperan sebagai faktor pelekat spesifik, yang disebut adhesin. Spesifisitas perlekatan fimbria dapat menyebabkan bakteri menempel dan berkoloni pada jaringan inang spesifik. Fimbria 987P, K88, K99 pada strain E. coli enteropatogen (penyebab diarhe) berfungsi untuk
28
kolonisasi dalam usus babi dan anak sapi. Pada beberapa jenis bakteri, permukaan sel memiliki protein membran. Protein membran pada Streptococcus pyogenes grup A, diketahui sebagai faktor virulensi, berperan sebagai faktor pelekat (adhesin) pada proses kolonisasi pada faring, perlekatan tidak terjadi jika protein membran dinetralisasi oleh antiserum spesifik, dapat mencegah fagositosis ( berperan sebagai suatu evasin) dan akhirnya berperan sebagai leukosidal (berperan sebagai agresin atau toxin). Fimbria lain yang masuk kelompok protein disebut lektin, ditemukan pada hewan dan tumbuhan, yang berikatan dengan gula spesifik pada permukaan sel. Sebagai contoh, perlekatan fimbria E. coli dan Shigella flexneri terhadap sel darah merah dan jaringan (epitel usus) secara spesifik dihambat oleh D-manosa dan D-metilmanosida. Pada bebrapa jenis bakteri seperti pada Pseudomonas aeruginosa memiliki fmbria spesifik untuk mengikat metil-D-galaktosa, L-fruktosa atau D-mannosa pada Vibrio cholerae dan suatu oligosakarida mengandung D-galaktosa pada Neisseria gonorrhoeae. Fimbria strain N. gonorrhoeae yang berbeda memperlihatkan variasi antigenik yang sangat besar. Hal ini terjadi karena variasi unit monomer fimbria yang disusun oleh domain peptida terminal antigenik variabel dan menyimpan suatu domain peptida non-antigenik., domain peptida non-antigenik dapat bersifat antigenik hanya pada saat diisolasi dengan senyawa kimia. Variabilitas antigenik dari fimbria gonococcus nampaknya merupakan tipe lain dari fenomena penolakan sistem imun inang melalui variasi antigenik parasit. Berdasarkan hal tersebut, fimbria gonococcus disebut evasin. Mikrofibril bakteri Gram-negatif, sering disebut pili umum (fimbria) atau sebagai pili seks. Mikrofibril terdapat secara bebas atau secara simultan
pada sel
yang sama. Pada permukaan sel tersebar sekitar100 – 200 fimbria, hanya 1- 4 pili seks ditemukan pada daerah tertentu. Pili seks berfungsi untuk mendeteksi adanya antigen spesifik
atau diduga untuk meng-inaktifkan bakteriofaga tertentu, yang
menempel secara spesifik pada pili seks. Faga RNA spesifik menempel sepanjang filamen pili seks, sedangkan faga DNA berbentuk filamen menempel pada ujung pili. Struktur mikrofibril juga dapat dilibatkan dalam meluncur dan gerak kedutan lambat pada bakteri yang tidak berflagel (translokasi permukaan).
29
Gambar 3.6 (A) Pengamatan mikroskop electron struktur pili yang nampak berbeda dari flagel pada bakteri E. coli (B) pili seks pada bakteri E. coli ketika konjugasi antar dua sel (Sumber: Milton R.J. Salton dan Kwang-Shin Kim, 2001) 3. Selubung Sel Selubung sel bakteri terdiri dari membran plasma, dinding sel serta protein khusus atau polisakarida dan beberapa bahan pelekat luar. Komponen selubung sel sebagai lapisan pelindung yang tersusun atas beberapa lapis sel yang umum terdapat pada sel bakteri, tersusun dari 20% atau lebih dari berat kering sel. Selubung sel bakteri mengandung daerah transpor untuk nutrisi dan daerah reseptor untuk virus bakteri dan bakteriosin, mempermudah interaksi inang-parasit, disamping itu sebagai tempat reaksi komplemen dan antibodi, dan sering mengandung komponen toksik untuk inang.
4. Kapsul Virulensi patogen
sering berhubungan dengan produksi kapsul. Strain
virulen Pneumococcus menghasilkan polimer kapsuler yang melindungi bakteri dari fagositosis. Bakteri tersebut membentuk koloni mukoid atau cair (tipe M) atau koloni halus (tipe S) pada medium padat dan sebaliknya strain kasar (tipe R ) tidak membentuk kapsul. Hilangnya kemampuan untuk membentuk kapsul melalui mutasi berhubungan dengan kehilangan virulensi dan kerusakan oleh fagosit tapi tidak mempengaruhi kelangsungan hidup bakteri. Bentuk kapsul yang kental yang cenderung melekat kepada sel, sedangkan lendir dan polimer ekstraseluler lebih mudah tercuci. Kapsul lebih mudah dilihat dengan pewarnaan negatif. Di bawah mikroskop, dalam campuran tinta India kapsul kelihatan lebih terang mengelilingi sel. Kapsul juga dapat diwarnai secara khusus. Sel bakteri yang tidak membentuk kapsul dan secara serologi dapat bereaksi dengan
30
serum antikapsul, dikatakan menghasilkan mikrokapsul.
Gambar 3.7 Struktur kapsul pada sel bakteri dilihat dengan mikroskop cahaya (Sumber: Todar,K.,2001)
5. Dinding Sel Dinding sel, ditemukan pada semua bakteri
hidup bebas kecuali pada
Mycoplasma. Dinding sel berfungsi melindungi kerusakan sel dari lingkungan bertekanan osmotik rendah dan memelihara bentuk sel. Hal ini dapat diperlihatkan melalui plasmolisis, dengan mengisolasi partikel selubung sel setelah sel bakteri mengalami kerusakan secara mekanik, atau dengan penghancuran oleh lisozim. Jika seluruh sel atau selubung sel diisolasi kemudian diberi lisozim, partikel dinding sel bakteri (bukan archeabakteria) dapat lisi dengan perlakuan lisozim tersebut dan membentuk protoplast (Bakteri Gram positif) dan spheroplas (Bakteri Gram negatif). Komponen kaku dinding sel eubakteria patogen adalah suatu makromolekul raksasa berbentuk kantung tunggal atau sakulus, disusun oleh jaringan hubunganlintas peptidoglikan (murein). Murein dan komponen yang berhubungan terdapat sekitar 2-40% dari berat kering sel. Komponen glikan disusun oleh dua gula amino, glukosamin dan asam muramat. Struktur glikan terdapat secara berselang-seling sebagai residu (-1,4 linked N-acetyl-D-glukosamine (GlcNac) dan N-acetyl-Dmuramic acid [3-0(1’-D-carboxyethyl)-N-acetyl-D-muramic acid] (contoh, MurNac). Rantai tersebut bervariasi dari 10 sampai 170 unit disakarida. Unit peptida dan glikan tersebut terikat pada gugus karboksil asam laktat dari MurNac kepada ujung amino suatu tetrapeptida. Glikotetrapeptida tersebut dihubungkan-lintas (cross-linked) melalui unit tetrapeptida, membentuk kerangka yang berkesinambungan. Gambaran
31
yang sama pada komponen tetrapeptida adalah adanya D-alanin, yang selalu mengikat unit di antara rantai peptidoglikan.
Gambar 3.8 Struktur peptidoglikan pada bakteri E. coli . Tipe ini ditemukan pada umumnya bakteri Gram negatif. Rangka utama glikan merupakan polimer dari dua gula asam amino N-acetilglukosaamin (G) dan asam N-acetilmuaramat (M). Pada M terikat tetrapeptida terdiri dari L-alanin-D-glutamat-asam diaminopimelat ADP-Dalanin (sumber: Brock & Madigan,1991). Komponen peptida terikat-asam muramat pada beberapa bakteri adalah tetrapeptida –L-ala-D-iso-Glu-mesoADP (atauL-Lys)-D-ala. Hubungan-lintas di antara dua rantai peptidoglikan dapat dilihatkan pada Gambar 3.8 atau melalui suatu letak jembatan peptida (Gambar 3.9).
Pada gambar tersebut mewakili struktur
peptidoglikan bakteri E. coli dan semua eubakteria Gram-negatif, sedangkan S. aureus, Streptococcus, dan eubakteria Gram-positif lainnya memiliki hubunganlintas melalui suatu letak jembatan peptida yang dapat disusun oleh satu atau beberapa residu asam amino. Hubungan-lintas langsung pada E. coli tersebut dapat melalui –D-Ala-ADP- atau –ADP-ADP-, sedangkan bakteri Gram-positif, hubunganlintas terjadi melalui D-Ala (asam amino)n-L-Lys-jembatan lintas tetapi pada
32
beberapa organisme dapat juga termasuk hubungan-lintas melalui jembatan diamin melalui asam isoglutamat,iso-D-Glu(NH-diamin-NH)-D-Ala. Lebih lanjut modifikasi termasuk perubahan residu D-alanin terminal dari tetrapeptida secara in vivo seperti pada E. coli., atau perubahan unit peptida dari rantai glikan. Kejadian ini pada
E.
coli dan Micrococcus luteus, dimana setengah atau lebih rantai glikan tidak berhubungan-lintas dan dapat bebas dari bagian atau semua unit tetrapeptida tersebut. Oleh karena itu, ikatan-lintas peptidoglikan pada mikroba tersebut hanya sekitar 3070%. Sebaliknya, glikan S. aureus menyimpan semua unit tetrapeptidanya, yang secara lengkap berhubungan-lintas. Sebagai tambahan untuk variasi hubungan-lintas, variasi terjadi dengan adanya polipeptida terikat-peptidoglikan, polisakarida, atau protein. Pada E. coli dan bakteri gram-negatif, lipoprotein dibentuk dan E. coli berbentuk bola menghasilkan peptidoglikan serupa. Rantai glikan cenderung menjadi lurus mengelilingi sel, sebaliknya pada arah longitudinal dari hubungan-lintas unit tetrapeptida. E. coli mengandung 106 pengulangan unit tetrapeptida-disakarida, atau cukup untuk dua atau tiga lapisan peptidoglikan. Suatu sel Gram-positif, dapat mengandung peptidoglikan sebanyak 20 kali, cukup untuk 40 lapisan atau lebih.
Gambar 3.9
Struktur peptidoglikan yang dihubungkan dengan jembatan ikatan
silang peptida pada bakteri Gram positif (Sumber: Brock & Madigan,1991).
6. Perbedaan Sel Bakteri Gram-positif dengan Gram-negatif
33
Kelompok Bakteri Gram-positif dapat menghasilkan polisakarida permukaan yang spesifik (10-50% dari dinding sel) dan protein yang berhubungan dengan peptidoglikan. Polisakarida yang sangat dikenal adalah asam teikoat (biasanya mengandung ribitol dan kadang-kadang gliserol), sejumlah senyawa kapsul Pneumococcus, dan polisakarida kelompok Streptococcus. Polimer asam poli-Dglutamat dihasilkan oleh beberapa spesies Bacillus, dan protein membran Streptococcus grupA merupakan suatu faktor virulensi. Membran sel bakteri yang tersusun oleh asam lipoteikoat (LTAs) merupakan polimer gliserolfosfat yang berakhir pada glikolipid, yang menembus membran sitoplasma. Asam teikuronat (TAs) merupakan polimer yang terdiri dari N-asetylgalaktosamine (galNac) dan glucoronic acid (GlcUA), terikat sebagai unit pengulangan disakarida (GlcUA ( 1,3 ( GalNac)n. TAs tidak mengandung fosfat, tetapi terdapat sebagai polimer polianionik bersifat asam disebabkan karboksil dari asam uronat. TAs berikatan melalui N-asetilglukosamin-1- fosfodiester kepada grup hidroksil C-6 asam muramat. Asam teikuronat dapat ditemukan pada sel bersama dengan asam teikoat; asam teikuronat disintesis ketika sel kehilangan fosfat, untuk membuat asam teikoat. Di bawah mikroskop elektron, irisan melintang sel Gram-positif, dinding sel sebagai lapisan di atas membran plasma yang relatif tebal, yang sensitif terhadap lisozim. Protein dan polisakarida, menyokong lapisan substruktur dinding sel. Protein membran tipe-spesifik serologik dari Streptococcus grup A membentuk suatu lapisan dinding fimbria eksternal yang tebal dan tersebar, yang dapat dirusak oleh tripsin tanpa mengganggu kelangsungan hidup sel. Bakteri Gram-negatif memperlihatkan tiga lapis pembungkus sel, yaitu : membran luar (OM=outer membran), lapisan tengah yang merupakan dinding sel atau lapisan murein yang terdapat ruang periplasma, dan membran plasma dalam.
34
Gambar. 3.10 Diagram skematik dinding sel bakteri Gram positif (a) dan Gram negatif (b) (Sumber:Fardiaz, 1987)
Membran luar mengandung fosfolipid, lipopolisakarida (LPS ) atau yang diketahui juga sebagai antigen permukaan O somatik atau endotoxin, dan berbagai protein, dimana protein (porin) dan lipoprotein jumlahnya sangat banyak. Membran luar tersedia sebagai organel aktif secara fisiologik, yang membentuk suatu barrier untuk senyawa hirdofilik, berfungsi sebagai molekul penyaring untuk molekul larutair, terdapat tempat menempel untuk bakteriofaga dan sel inang dan konyugasi bakteri, dalam hal patogenesis dapat mengandung protease dan enzim lain, aggresin, evasin, dan toxin untuk sel inang, menutup dan melindungi dari racun lingkungan dan lisis peptidoglikan dinding sel, komponen gel periplasmik, dan membran plasma, melepaskan vesicular bleb dari LPS dan protein yang tersedia sebagai fungsi sekretori, dan memiliki LPS dan protein yang mengandung molekul sinyal yang dirasakan/diterima oleh sel hewan. Membran luar mengandung protein unik yang berbeda dari protein membran plasma. Dua lembaran (leaflet) luar dan dalam pada membran luar juga merupakan bentuk asimetrik yang unik. fosfatidiletanolamin
terdapat
Pada bakteri enterik (contoh, Salmonella), seluruhnya
pada
bagian
dalam,
sedangkan
lipopolisakarida hidrofilik, anionik terdapat hanya pada bagian luar dari membran luar. Pada spesies Neisseria dan Haemophilus, fosfolipid terdapat pada bagian luar dan dalam dari membran plasma. Protein yang disebut porin yang terdapat pada membran luar membentuk saluran difusi transmembran. Porin terdapat sebagai saluran untuk senyawa larut-air dengan berat molekul-kecil, atau sebagai reseptor bakteriofaga (virus). Pada sel bakteri Gram-negatif, titik hubungan di antara membran luar dan
35
dalam disebut sebagai daerah perlekatan atau Bayer junctions. Bayer junction aktif secara fisiologi. Pada bagian luar merupakan tempat masuknya DNA-yang menempel pada bakteriofaga dan lisis yang diperantarai oleh suatu komplemen. Di bagian dalam, daerah perlekatan memperlihatkan suatu zona pertumbuhan (sebagai tempat septa periannular), dan tersedia sebagai tempat untuk translokasi protein sekretori, protein membran luar, lipopolisakarida, dan polisakarida kapsuler dan sebagai daerah munculnya pili seks dan fagel. Daerah periplasma di antara membran luar dan membran sitoplasma diisi dengan suatu cairan kental (gel), yang dikenal sebagai gel periplasma (termasuk protein dan turunan-membran oligosakarida [Membrane-derived Oligosaccharides] MDOs).
Protein
gel
periplasma
merupakan
protein
terikat-substrat
yang
menyebabkan konsentrasi substrat dapat melawan gradien dan berbagai enzim hidrolitik. Fluktuasi MDOs kebalikan dari kekuatan ionik medium eksternal, dan dengan cara ini bakteri dapat mengatur osmolaritas sel. Membran plasma dan membran luar tebalnya sekitar 0,0075 µm . Dengan mikroskop elektron transmisi, kedua membran tersebut dilihat dalam irisan melintang membran, memperlihatkan bentuk struktur “sandwich bileaflet-trilayer” yang berurutan: terdapat dua lapisan hidrofilik masing-masing 2,5 nm (25A ), lapisan tengah merupakan suatu lapisan hidrofobik 2,5 nm yang biasanya disusun oleh rantai alkil asam lemak. Suatu heliks /uliran lipoprotein, satu dari ketiga lapisan yang berikatan secara kovalen pada ujung satu kepada permukaan luar peptidoglikan, menyisipkan ujung lipidnya ke dalam membran luar, menancapkan membran luar kepada sel. Pembungkus sel dapat diisolasi secara bebas dari cairan sitoplasma dengan merusak sel dan sentrifugasi diferensial. Membran dalam dapat dilarutkan dengan sedikit deterjen nonionik, melepaskan ikatan membran luar dari peptidoglikan yang tidak larut. Membran luar dapat dirusak oleh EDTA, detergen ionik kuat, fenol encer, ekstraksi butanol. Peptidoglikan eubakteri Gram-negatif merupakan struktur tipeA. Diikat molekul lipoprotein secara kovalen, dengan mikroskop elektron terlihat sebagai daerah setiap 10-12 nm pada permukaan luar struktur peptidoglikan. Murein tidak larut ada sekitar 1-2% dari berat kering sel, setelah dihancurkan oleh tripsin untuk membuang sejumlah lipoprotein (lebih dari 4% berat kering sel). Sepertiga dari
36
lipoprotein total terikat secara kovalen pada ujung karboksinya melalui urutan sensitif-tripsin, Lys-Tyr-Arg-Lys, kepada unit asam meso-diaminopimelat (DAP) peptidoglikan. Pada ujung-N, karena berikatan kovalen dengan asam lemak jenuh (contoh, palmitat) dan takjenuh (contoh, palmitoleat dan vaksenat) yang disisipkan ke dalam bilayer lipid membran plasma, lipoprotein bersifat lipofilik kuat dan menancapkan membran plasma bagian luar kepada dinding sel. Lipoprotein juga berhubungan dengan protein OmpA. Lipoprotein tidak mengandung histidin , prolin, fenilalanin, atau triptofan. Lipoprotein merupakan antigen permukaan utama dari dua spiroket, Borrelia burgdorferi
dan Treponema pallidum, juga Mycoplasma
pneumoniae (tanpa dinding sel). Endotoksin merupakan istilah yang digunakan sebelum ditemukan identitas endotoksin sebagai komponen lipid A dari LPS. Sekitar 100 tahun endotoksin digambarkan sebagai suatu yang tahan-panas, pyrogenik berhubungan dengan sel (penyebab demam), dan toxin mematikan dari bakteri gram-negatif yang bersifat kebalikan dari exotoksin protein tidak tahan-panas, contohnya toksin tetanus, yang ditemukan di luar sel dalam filtrat kultur. Sekitar 50 tahun yang lalu, LPS diisolasi dan ditemukan mengandung aktivitas endotoksik. Selanjutnya, komponen lipid A dari LPS bakteri gram-negatif endotoksik, memperlihatkan struktur dasar yang identik dan mampu melakukan aktivitas endotoksik. Lipopolisakarida (LPS)
merupakan
suatu gugus amfifil ( satu ujung
hirofilik, ujung lain hidrofobik), dengan tiga daerah : daerah I (polisakarida Ospesifik), daerah II (core polisakarida), dan daerah III (lipid A). Beberapa bakteri, sebagai contoh, spesies Neisseria, dan Haemophilus, yang tidak menhasilkan polisakarida
daerah
I,
menghasilkan
polimer
terpendek
yang
disebut
lipooligosakarida (LOS) yang tercatat sebagai daerah II. Spesifisitas serologik terutama terletak pada daerah I, juga kadang-kadang daerah II, dan pusat bioaktif, atau endotoxin, pada daerah III. Lipid A, dengan asam lemak pada ujung satu dan grup fosfat pada ujung lainnya, juga merupakan amfifil. Sebagai amfifil, LPS terisolasi dan bentuk lipid A, aktif secara biologik, self-aggregating complexes, atau misel dengan berat molekul mulai dari 105 – 108.
37
Gambar 3.11 Diagram perbandingan dinding sel bakteri Gram positif dan Gram negatif secara detail. Gram postif memiliki dinding sel yang tebal, sedangkan Gram negatif dindingselnya tipis (Sumber: Milton R.J. Salton dan Kwang-Shin Kim, 2001) 7. Selubung Bakteri tahan asam (Acid-fast) dan Bakteri sejenis Anggota dari genus Mycobacterium dan beberapa spesies Nocardia, yang berwarna merah dengan pewarna karbolfuksin dan tahan terhadap dekolorosasi dengan alkohol-asam, disebut acid-fast (tahan-asam). Komponen terwarnai tersebut berhubungan dengan adanya asam mikolat pada dinding sel bakteri yang utuh. Asam mikolat
merupakan
pengganti
asam
lemak
(hiroksi
yang
terdapat
pada
Mycobakterium sebagai ester yang terikat pada polisakarida dinding sel dan sebagai komponen
glikolipid
yang
bebas,
kadang-kadang
disebut
“cord
factor”.
Corynebakteri, Nokardiae, dan Mykobakteri penghasil-asam mikolat diketahui sebagai kelompok bakteri CNM. Kelompok CNM menghasilkan asam mikolat yang bertambah panjang rantainya mulai dari asam corynemikolat (C30), melalui asam nokardat (C50) dan asam mikolat (C90), Hanya nokardiae dan mykobakteri yang menghasilkan asam mikolat terikat-dinding sel.
38
Dinding sel bakteri Mycobakterium tuberculosis mengandung sejumlah peptidoglikan, arabinan, dan lipid yang seimbang. Lebih dari 50% komponen lipid merupakan asam mikolat yang teresterifikasi, sedangkan 25% merupakan asam lemak normal. Asam poli-L-glutamat terikat-peptidoglikan juga terdapat pada Mycobacterium tuberculosis. Struktur dasar peptidoglikan Corynebacterium diphtheriae, spesies Nocardia, dan M. tuberculosis.. Asam muramat 6-fosfat merupakan
ikatan
primer
di
antara
arabinogalaktan
terikat-dinding
sel,
arabinomanan, dan peptidoglikan. Asam mikolat terikat-dinding sel diesterifikasi melalui C-5-karboksil dari residu D-arabinosa arabinogalaktan netral. Polimer dinding sel terbesar kedua, arabinomanan, sangat asam, dapat tersuksinilat dan teresterifikasi dengan residu inositol-1-fosfat. Glikolipid. Beberapa glikolipid yang tidak umum yang tidak terikat dinding sel, terdapat pada bakteri acid-fast dan yang berhubungan. Termasuk didalamnya ialah
mikolat
trehallosa,
sulfolipid,,
dan
lipooligosakarida,
mikosid,
dan
lipopolisakarida. Tabel 3.1 Perbandingan Tipe Karakteristik Komponen Pembungkus Bakteri ____________________________________________________________________ Bakteri Gram-positif Bakteri acid-fast Bakteri Gram-negatif ____________________________________________________________________ Peptidoglikan 0,02-0,06 nm Peptidoglikan 0,01 nm Peptidoglikan 0,01 nm (multilayer) (trilayer) (bilayer atau trilayer) Protein Polipeptida Lipoprotein Asam lipoteikoat As.Mikolat-glikolipid Membran luar Asam teikoat Arabinogalaktan Lipopolisakarida Arabinomannan Asam teikuronat Cord faktor Protein Polisakarida Sulfolipid Polisakarida Mykosid Lipoologosakarida ____________________________________________________________________ 8. Protoplas dan Sferoplas Bakteri biasanya lisis dalam air atau serum, ketika lapisan peptidoglikan dinding sel yang kaku dilarutkan oleh lisozim atau zat lain. Walaupun demikian, jika distabilkan oleh larutan sukrosa atau garam hipertonik (0,2 – 0,5 M, tergantung pada organisme), akan dilepaskan suatu bagian yang berbentuk bola dan sensitif secara osmotik, yang disebut protoplas. Komponen pembungkus yang tetap ada pada bagian
39
yang sensitif tersebut, dinamakan sferoplas. Pada saat komponen membran luar terbentuk , bakteri gram-positif umumnya membentuk protoplas, sedangkan bakteri gram-negatif menghasilkan sferoplas. Sferoplas juga dihasilkan dalam pertumbuhan pada lingkungan hipertonik dengan adanya penghambat sintesis dinding sel, seperti penisilin.
9. Periplasma Periplasma, merupakan komponen yang terdapat di antara membran dalam dan membran luar dari membran sel bakteri. Periplasma dapat diamati pada bakteri Gram-negatif, tapi pada bakteri Gram-positif tidak semua atau hanya sedikit/sulit diamati. Hal ini dapat dijelaskan dengan tingginya tekanan osmotik dalam sel bakteri Gram-positif (0,05 – 0,2 Pa [5 – 20 atm]) dibandingkan dengan bakteri Gram-negatif (0,03 – 0,05 Pa [3 – 5 atm]) . Daerah periplasma bakteri Gram-negatif bervariasi karena kondisi pertumbuhan di antara masing-masing individu bakteri. Gel yang sangat kental dan jumlahnya dapat sangat besar dalam struktur. Gel mengelilingi dan diselingi dengan peptidoglikan berpori. Gel periplasma mengandung oligosakarida yang dihasilkan oleh membran (MDO) yang terdapat dalam ukuran kebalikan dari osmolaritas medium
pertumbuhan, berbagai enzim hidrolitik seperti fosfatase,
nuklease, ( β-laktamase yang dikendalikan plasmid (penisilinase), dan protein yang secara spesifik mengikat gula, bahan-bahan transpor, asam amino, dan ion anorganik. Substansi tersebut dapat dilepaskan dari sel melalui “shock” osmotik, sebagai contoh, dengan pengenceran secara cepat suspensi sel hipertonik (0,5 M sukrosa), sesudah pemberian EDTA.
10. Membran Plasma Membran plasma merupakan pembungkus sel yang terletak di bagian dalam dari lapisan dinding sel yang kaku dan berhubungan dekat dengan membran sitoplasma yang lembut, bersifat sangat penting untuk sel. Pada irisan tipis membran plasma di bawah mikroskop elektron memperlihatkan suatu bentuk struktur “sandwich trilaminar” lapisan gelap-terang-gelap. Meskipun bakteri dianggap toleran terhadap perubahan tekanan osmotik yang ekstrim pada lingkungan luar, protoplasnya akan mengalami plasmolisis
40
(menyusut) atau plasmoptisis (membengkak-pecah) ketika ditempatkan dalam media yang tidak sesuai. Penempatan sel dalam larutan hipertonik menyebabkan plasmolisis, terjadi penyusutan/pelepasan membran dan sitoplasma dari dinding sel. Sel Gram-negatif lebih mudah mengalami plasmolisis dibanding sel Gram-positif, yang berhubungan dengan tekanan osmotik dalam selnya. Barrier osmotik pada bakteri ditunjukkan dengan kemampuannya untuk memadatkan asam amno tertentu melawan gradien. Pada bakteri Gram-positif, suatu gradien 300 – 400 kali lipat dapat melintasi lapisan permukaan. Ester fosfat, asam amino, dan larutan lain menyokong tekanan osmotik dalam sel. Aktivitas asmotik juga ditunjukkan melalui permeabilitas selektif untuk berbagai senyawa. Komponen membran plasma teridiri dari sekitar 30% atau lebih dari berat sel. Membran mengandung 60-70% protein, 30-40% lipid, dan sejumlah kecil karbohidrat. Fosfatidiletanolamin (75%), fosfatidilgleserol (20%), dan glikolipid sebagai unsur utama. Umumnya tidak terdapat kolin, sfingolipid, asam lemak poliunsaturated
(tak-jenuh),
inositida,
dan
steroid.
Glikolipid
termasuk
diglikosildigliserida terutama ditemukan pada membran bakteri garam-positif, yang juga mengandung asam lipoteikoat. Alkohol poliisoprenoid 55-karbon yang diketahui sebagai baktoprenol atau undekaprenol terdapat dalam jumlah yang kecil. Aktivitas berbagai enzim dihubungkan dengan protein membran. Termasuk sitokrom bakteri penghasil-energi dan sistem fosforilasi oksidatif, sistem permeabilitas membran, dan berbagai sistem pensintesis-polimer. Suatu ATPase sudah diisolasi dari struktur membran mirip-tombol serupa dengan yang ditemukan dalam mitokondria eukariot. Lebih dari 90% ribosom dapat diisolasi sebagai suatu kumpulan DNA-poliribosom-membran. Pada bakteri Gram-positif terdapat struktur pelipatan membran plasma ke bagian dalam yang disebut mesosom. Mesosom biasanya terlihat sebagai kantung sitoplasma penghubung-membran yang terdiri dari lamela (lembaran), tubuler (bentuk tabung) atau struktur vesikuler (kantung); semuanya sering dihubungkan dengan septa pembelahan sel. Penempelan mesosom kepada kromatin DNA dan membran, dapat dilihat pada irisan tipis di bawah mikroskop elektron.
41
Gambar 3.12 Ilustrasi skematik struktur membran luar, dinding sel dan mebran plasma bakteri Gram negatif (Sumber: Kenneth,T., 2001)
C. KOMPONEN-KOMPONEN SITOPLASMA 1. Materi Inti (Bahan nukleus) Materi inti suatu sel bakteri terdisi dari DNA dan RNA. DNA bakteri dapat ditentukan sebagai nukleoid atau badan kromatin dengan mikroskop cahaya dan pewarnaan Feulgen. Teknik
pewarnaan langsung terhadap materi inti, badan
kromatin sulit dilihat karena RNA berkonsentrasi tinggi, yang dapat dihilangkan dengan pemberian ribonuklease sebelumnya. Badan kromatin dapat dilihat pada semua tahap siklus pertumbuhan. Materi inti bila dilihat dengan mikroskop elektron menampakkan materi inti sebagai suatu jaring DNA, tidak teratur, seringkali merupakan kumpulan paralel terhadap sumbu sel. Suatu penempelan langsung kepada membran kadang-kadang terlihat nyata. Selama perbanyakan sel, DNA bakteri tetap sebagai jaring kromatin yang tersebar dan tidak pernah berkumpul untuk membentuk suatu kromosom yang tampak jelas selama pembelahan sel, sifat sebaliknya dari kromosom eukariot. Pada saat sel bakteri dihancurkan secara hati-hati, kromosom bakteri dapat dilihat dengan radioautograf sebagai suatu molekul sirkuler. Meskipun DNA bakteri hanya 2-3% berat sel, tapi menempati 10% atau lebih volume sel.
2. Ribosom. Ribosom merupakan suatu partikel sitoplasma, bila diamati di bawah mikroskop elektron, terlihat suatu partikel sitoplasma kecil. Ribosom terdapat dalam
42
padatan sesudah protoplas setelah sel bakteri dirusak dengan sentrifugasi 100.000 g. Ribosom bakteri berukuran 70S (800 KDa), dan dapat dipisahkan menjadi subunit 30S dan 50S.
Subunit 30S mengandung RNA 16S,
sedangkan subunit 50S
mengandung RNA 23S dan 5S. Kumpulan poliribosom-membran mengandung semua komponen sistem pensintesis-protein; poliribosom merupakan rantai ribosom 70S (monomer) menempel kepada mRNA. Jumlah ribosom bervariasi sesuai dengan kondisi pertumbuhan: sel tumbuh-cepat dalam medium yang sesuai, mengandung lebih banyak ribosom dibandingkan dengan sel tumbuh-lambat dalam medium yang kurang memadai. Protein
mirip-histon saat ini sudah ditemukan dalam jumlah yang kecil
berhubungan dengan DNA E. coli. Pada bakteri, juga telah diketahui adanya poliamin, seperti putreskin dan spermidin.
3. Granula Sitoplasma Granula, diidentifikasi dengan prosedur pewarnaan yang sesuai, menandakan adanya pengumpulan cadangan makanan termasuk polisakarida, lemak, atau polifosfat. Granula bervariasi menurut tipe medium dan tempat fungsional sel. Glikogen merupakan bahan cadangan utama dari bakteri enterik (40% dari berat sel pada beberapa spesies). Dengan cara yang sama, pada beberapa spesies Bacillus dan Pseudomonas granula ini terdiri dari 30% atau lebih dari berat bakteri, tersimpan sebagai poli-(β-hidroksibutirat. Dengan pewarnaan metakromatik, polifosfat, juga dikenal sebagai Babes-Ernst atau granula volutin, terdapat pada Corynebacterium diphtheriae,Yersinia pestis,
Mycobacterium
tuberculosis, dan yang lainnya.
Pewarnaan granula volutin dalam berbagai warna, nampak berbeda mulai dari merah sampai biru (contoh, secara metakromatik), dengan toluidin dan metilen biru.
D. ENDOSPORA BAKTERI Endospora khususnya dihasilkan oleh bakteri aerobik genus Bacillus dan anaerobik genus Clostridium. Endospora tahan terhadap keadaan lingkungan yang merugikan seperti kering, panas, dan kurang tersedia nutrisi. Endospora yang sebenarnya merupakan suatu badan yang sangat membias terbentuk dalam sel bakteri vegetatif. Ukuran, bentuk, dan posisi spora dalam sel induk, sifatnya relatif tetap,
43
menandai suatu spesies. Sampul spora termasuk lapisan peptidoglikan yang kaku, dengan perbedaan komposisi dari sel vegetatif induknya. Antigen permukaan spora biasanya berbeda dari yang dimiliki bentuk batang vegetatif.
a
b
c
Gambar 3.13. Beberapa tipe endospora berdasarkan bentuk dan lokasinya pada sel bakteri (a) tipae endospora di ujung sel/terminal (b) di tengah sel (sentralis) dan (c) tipe endospora bakteri streptobasil (Sumber : Kenneth,T., 2001). Endospora bakteri terbentuk bukan merupakan strategi reproduktif bagi bakteri, tetapi sebagai bentuk pertahanan sel ketika lingkungan tidak mendukung untuk pertumbuhan sel vegetatifnya. Endospora sangat tahan terhadap fisik dan panas, karena dilindungi oleh beberapa lapisan berupa korteks, eksoporium dan dinding sel endospora. Endospora dapat bergerminasi atau berkecambah ketika beerada dalam lingkungan yang sesuai untuk pertumbuhannya. Suatu endospora bakteri juga dilengkapi dengan materi inti seperti DNA dan ribosom yang dapat melakukan sintesis protein sendiri ketika berkecambah. Struktur endospora dapat dilihat pada gambar 3.14.
44
Gambar 3.14. Struktur endospora bakteri dilihat dengan mikroskop elektron (Sumber Kenneth,T., 2001)
RANGKUMAN Morfologi sel bakteri memiliki karakteristik yang unik. Berturut-turut meliputi struktur luar dari dinding sel berupa kapsul, membran luar, flagela dan fimbria, serta struktur bagian dalam dinding sel yaitu membran plasma, sitoplasma, bahan inklusio dan materi genetik. Setiap komponen penyusun sel bakteri tersebut memiliki struktur dan fungsi yang khsusus untuk mendukung kelangsungan hidup, pertumbuhan, virulensi serta pertahanan bakteri dari tekanan (stress) lingkungan. Berdasarkan komponen penyusun dinding sel, maka bakteri dapat dikelompokkan menjadi bakteri Gram positif yang memiliki satu lapisan tunggal peptidoglikan dan bakteri Gram negatif yang memiliki tiga lapisan yaitu membran luar, dinding sel dan membran plasma. Peptidoglikan merupkan komponen utama dari bakteri Gram posistif, sedangkan lipid merupakan komponen terbesar penyusun bakteri Gram negatif. Beberapa tipe sel bakteri memiliki kelengkapan tambahan seperti mesosom yang merupakan pelipatan membran plasma ke bagian dalam yang diduga berfungsi sebagai fungsi khusus dan endospora yang memiliki struktur yang tahan terhadap
45
panas sebgai adaptasi sel ketika berada dalam lingkungan yang tidak menguntungkan bagi pertumbuhannya. PERTANYAAN DAN TUGAS 1. Jelaskan struktur dan fungsi dari: a. fimbria b. falgela c. kapsul 2. Deskripsikan perbedaan struktur bakteri Gram positif dan bakteri Gram negatif, tunjukkan perbedaan yang mendasar antara keduannya ! 3. Gambarkan struktur endospora pada sel bakteri. Kapankah endospora terbentuk ? 4. Antibiotik sejenis Penisilin dikenal efektif membunuh bakteri Gram-positif. Namun kebanyakan bakteri Gram negatif lebih resisten dari antibiotik ini dan beberapa bakteri Gram positif yang patogen pada manusia seperti Staphylococcus aureus juga resisten terhadap antibiotik ini. Mengapa hal ini bisa terjadi? Jelaskan ! 5. Apa perbedaan antara protoplas dan sferoplas ? Bagaimana pengaruh lisozim pada sel eubakteria dan bagaimana mekanismenya ? Dimana kita dapat menemukan Lisozim secara alami ? ISTILAH PENTING • • • • • • • • • • • • • • • • •
flagela fimbria pili seks kapsul dinding sel murein peptidoglikan periplasm membran plasma mesosom ribosom kromosom protoplas sferoplas Gram negatif Gram positif endospora
46
