Struktur dan komposisi kimia sel File

Kuliah II
DASAR REKAYASA BIOPROSES
Dosen :
Prof. Dr. Ir. Khaswar Syamsu, M.Sc
Dr.Ir. Liesbetini Hartoto, MS
Prof. Dr. Ir. Ani Suryani
JURUSAN TEKNOLOGI INDUSTRI PERTANIAN
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
2012
Kuliah I dan II
I. STRUKTUR SEL MIKROBA
I. SUSUNAN KIMIAWI SEL MIKROBA
2012
I. STRUKTUR SEL MIKROBA
Teori Sel : semua makhluk hidup terdiri dari sel-sel
Sel : satuan kehidupan terkecil yang menyusun tubuh
makhluk hidup  tempat terselenggaranya fungsi
kehidupan
Jenis Sel : berdasarkan organisasi struktur selnya
(organisasi bahan selulernya)
- Prokariot (tanpa membran inti sel )
- Eukariot (mempunyai membran inti sel)
Prokariotik
- terdapat pada mikroorganisme sel tunggal . Contoh :
bakteri & sianobakteri (organisme akuatik & yg
mendapatkan makanan/ energi sendiri melalui
fotosintesis)
- Ciri-ciri sel prokariotik adalah tidak mempunyai inti sel
(nukleus) sejati (Prokariot berarti “pra inti)
- bahan genetik (DNA) tidak terstruktur dalam bentuk
nukleus (DNA terdapat pada nukleoid yang tidak
diselubungi oleh membran)  tidak mempunyai
membran yang memisahkan nukleus dengan
sitoplasma
- pembagian nukleus dengan cara pembelahan
(aseksual sederhana)
http://micro.magnet.fsu.edu/cells/bacteriacell.html
Sel prokariotik biasanya berukuran sel lebih kecil dan lebih
sederhana dibandingkan sel eukariotik .
Lebih kecil sel, maka nisbah permukaan sel terhadap
volumenya lebih besar .
Contoh :
sel bulat berdiameter 2 µm mempunyai nisbah permukaan
thd volume sekitar 3:1. Sedangkan sel berdiamater 20 µm
mempunyai nisbah permukaan thd volume 0.3:1.
Lebih besar nisbah permukaan sel thd volumenya (sel
prokariotik ), berarti nutrien lebih mudah dan cepat berdifusi
mencapai setiap bagian di dalam sel, dibandingkan sel
eukariotik  metabolisme dan pertumbuhan sel lebih
cepat
Eukariotik
Contoh : alga, fungi, protozoa, tumbuhan dan hewan
- mempunyai inti sel sejati dan sistem membran internal
- memiliki inti sel yang amat kompleks dan dikelilingi oleh
selubung inti (membran)
- pembagian nukleus lebih rumit (mitosis)
- Sel eukariotik membutuhkan organel internal sel yang lebih
bervariasi untuk melangsungkan metabolisme,
menghasilkan energi dan mentrasportasikan nutrien ke
seluruh bagian selnya
http://people.eku.edu/ritchisong/301notes1.htm
PENGGOLONGAN ORGANISME
 Sistem 5 Dunia (Kingdom)
(1969
oleh Robert Whitaker ) :
1. Kingdom Prokariota (Monera) : bakteri
- Diketahui merupakan sel tertua
- Tak memiliki inti sel dan membran pada organelnya
Kingdom lain adalah : Eukarota yg memiliki inti sel dan
membran, terdiri dari :
2. Kingdom Protista: kebanyakan uniseluler, tak memiliki
struktur jaringan dan kebanyakan memiliki flagela
Contoh : protozoa, alga bersel tunggal
Sistem 5 Dunia (Kingdom) (lanj.)
3. Kingdom Fungi : dapat uniselular (khamir) atau
multiselular (kapang). Banyak yang “saprotrophs”.
4. Kingdom Plantae : multiselular, fotosintetik  alga
multiseluler, tumbuhan
5. Kingdom Animalia : Multiseluler, heterotrof
 hewan
KARAKTERISTIK MIKROBA
 Berguna untuk mengatur metabolisme/pertumbuhan
mikroba & identifikasi/klasifikasi mikroba)
1. Karakteristik Kultural
- media pertumbuhan (bentuk cair/padat, komponen
media dll)
- suhu (psikrofilik, mesofilik, thermofilik)
- ketersediaan oksigen (aerob/anaerob/fakultatif)
- pH (asam, netral, basa)
2. Karakteristik Morfologis
- Visual  pengamatan dgn mata telanjang
- Bentuk (panjang, lebar, diameter)  mikroskopis
(Pengamatan ukuran, bentuk dan susunan sel, flagela,
kapsul atau spora dengan bantuan mikroskop, baik
dengan pewarnaan maupun tidak)
3. Karakteristik Metabolisme
- Metabolisme (sumber karbohidrat, (gula/pati/hidrokarbon
dll), nitrogen (organik, anorganik )
- Produk Metabolisme (metabolit primer/sekunder/campuran)
4. Karakteristik Antigen
- Komposisi antigen
- Jenis antigen–antibodi
5. Karakteristik Genetik :
- Komposisi basa DNA (guanin dan sitosin)
- Hibridisasi DNA
BAKTERI
Morfologi (Bentuk) Bakteri :
- a. cocci (spherical/bulat)  Streptococcus
- b. bacilli (rod-like/batang)  E. coli
- c. spirilla (spiral)  Leptospira
Bentuk bakteri  merupakan karakteristik bakteri
tertentu
Bentuk sel bervariasi tergantung kondisi pertumbuhan
Variasi bentuk & ukuran sel mikroba mempengaruhi
proses hilir (pemisahan sel)
- Reproduksi Bakteri : umumnya dgn membelah diri
(pembelahan biner)
- Bakteri lain mampu memproduksi spora reproduktif
(e.g. Myxococcus, Streptomyces)
Sel mulai
membelah diri
(Sumber :
www.helenhudspith.com/
resources/food/rachel_yo
ung/bfhPpt2.ppt)
Struktur Sel Bakteri dan Fungsi Organel :
Sel bakteri terdiri dari berbagai organel dengan fungsi
sesuai kebutuhan dan perkembang-biakannya.
(Bahan Inti Sel)
Fungsi dan Komposisi Kimiawi Organella :
Bagian
Ukuran
Komposisi
1. Lendir (Slime) :
a. Mikrokapsul
5-10µ
b. Kapsul
0.5-2µ
c. Lendir
tak tentu
-Protein, polisakarida,
lipida kompleks.
-Bertanggungjawab u/
antigen spesifik.
-Polisakarida, kadangkadang lipid.
-Pelindung sel dari
suhu tinggi.
-Polisakarida
-Pelindung sel dan
pertahanan.
2. Dinding Sel
a. Gram (+)
b. Gram (-)
Ukuran
Komposisi
10-20µ
- Membentuk sel,
pelindung plasma,
kekakuan sel.
- Makromolekul camp.
N-acetyl muramicpeptide-teichoic acid
dan polisakarida.
10-20µ
- Fungsi idem Gram (+)
- Kompleks proteinpolisakarida-lipida
dan sedikit polimer
3. Plasma Membran 5-10µ
-Tempat lewatnya nutrien
-Metabolisme (respirasi)
-Semipermeabel
-protein, lipida, air
4. Flagela
4-12µ
- Protein
- Untuk motilitas
5. Pili
0.5-2µ
- Protein
- Untuk bergerak
6. Bahan Inti Sel
½ sel
-DNA
- Untuk reproduksi dan
pertumbuhan
7. Ribosom
10-30mµ
- RNA & protein.
- Untuk sintesis protein/enzim
Membran Sitoplasma
-Sel prokariota (bakteri) mempunyai membran sel yg disebut
membran sitoplasma  membentuk struktur luar sel dan
memisahkan struktur internal sel dg lingkungan.
-Membran ini merupakan penghalang selektif, sehingga
hanya senyawa/bahan tertentu dapat masuk & keluar sel
- Terdiri dari 2 lapisan (bilayer) fosfolipida yang mempunyai
bagian polar dan non-polar
Bagian polar mempunyai kepala yg mengandung fosfat
(hidrofilik) di bag luar dan bagian non-polar mempunyai
dua ekor yg terdiri dari asam lemak yg hidrofobik di
bagian tengah  barier yang relatif impermeabel
Metode penyimpanan nutrien oleh bakteri saat lingkungan
buruk :
- Penyimpanan karbon dalam bentuk polihidroksi alkanoat
(PHA : dapat untuk bahan bioplastik) atau glikogen
- Penyimpanan nutrien yang dapat larut seperti nitrat dalam
vakuola
- Granula sulfur disimpan sebagai deposit secara intra/
ekstraseluler (pada bakteri yang menggunakan H2S
sebagai sumber elektron pada metabolismenya)
Endospora :
Digunakan untuk adaptasi bakteri terhadap lingkungan
yang buruk
Tahan terhadap senyawa kimia dan lingkungan ekstrim
(suhu tinggi, konsentrasi garam tinggi dll)
Diproduksi hanya 1 endopsora/sel
 Genus bakteri : bakteri Gram-positif Bacillus &
Clostridium.
Lokasi endospora di dalam sel spesifik untuk tiap
spesies, sehingga digunakan untuk identifikasi bakteri .
Endospora Bacillus subtilis
Endospora
FUNGI (Kapang & Khamir)
Karakteristik Fungi
•
•
•
•
•
Mikroorganisme Eukariotik
Uniseluler dan multiseluler (hifa)  lihat foto
Saprofit, parasit dan mutualistis
Distribusi suhu – 20 s.d 30oC
Lebih menyukai pH asam  mencegah kontaminasi
bakteri
• Kebanyakan aerob atau fakultatif (sedikit)
• Khamir kebanyakan osmotoleran (tahan terhadap
kadar gula tinggi)
• organisme heterotrofik, tak memiliki khlorofil
Khamir Uniseluler
Kapang Berfilamen
Pemanenan sel dengan filtrasi
KAPANG
- Lebih tahan kekeringan dibanding khamir atau bakteri,
mesofilik & lebih menyukai kondisi asam
- Umumnya hanya dapat hidup dengan adanya oksigen
(obligat aerob)  perlu aerasi; tebal hamparan terbatas
pada kultivasi substrat padat (fermentasi tempe, kecap,
asam sitrat dll)
- Cara reproduksi : pembelahan sel, pertunasan atau
pembentukan spora aseksual (lebih banyak) dan
seksual (lebih sedikit & pd waktu tertentu)
- Struktur hifa berseptat atau non-septat
 perhatikan agitasi pada bioreaktor, sebaiknya
pengadukan dg udara (non mekanis)
- Multiseluler, pertumbuhan pd ujung hifa  membentuk
miselium  pemisahan sel dg filtrasi membran
KHAMIR
• Uniseluler, beberapa spesies multiseluler dengan
adanya pseudo hifa/miselium
• Bentuk sel : bulat, oval (seperti lemon/pir) atau silindris
• Ukuran sangat bervariasi, lebih besar dari bakteri
• Reproduksi aseksual dgn “budding” (pertunasan),
pembelahan biner atau sporulasi (askospora)
S. cerevisiae  pertunasan
Schizosaccharomyces pombe  pembelahan biner
pseudo miselium
S. cerevisiae
Candida albicans
Morfologi Koloni Khamir
Pembelahan Biner
Pertunasan
(Budding)
Sumber : Kanya Preechasuth, Course : CMB 508301June 9, 2005
Division of Clinical Microbiology
Faculty of Associated Medical Science, CMU
- Khamir termasuk kemoorganotrof, menggunakan
senyawa organik sbg sumber energi.
-Sumber karbon utama gula heksosa (glukosa,
fruktosa), disakarida (sukrosa, maltosa). Beberapa
spesies dapat menggunakan gula pentosa (ribosa),
alkohol dan asam organik  bisa untuk identifikasi
-Biasanya membutuhkan sumber N berupa protein
hidrolisat (pepton, yeast extract dll)
- Aerobik obligat, anaerob fakultatif (S. cerevisiae 
ada O2 respirasi  biomassa & bila tdk ada O2
fermentasi  etanol)
- Tumbuh baik pada pH netral atau sedikit asam
KOMPOSISI SEL MIKROBA & FUNGSINYA
Ditentukan oleh laju pertumbuhan dan komposisi media
tumbuh.
1). Air 80-90 % b.k sel,
sisanya : C (50 %), O2 (20 %), N2 (14 %), H (8 %), P (3 %),
S (1 %) dan sekitar 18 unsur (K, Na, Ca, Mg, Cl) dan vitamin
(contoh sel bakteri)
 Membentuk komponen seluler utama : protein, asam
nukleat, polisakarida dan lemak
2). Asam Amino & Protein (40-70 % b.k),
- Protein tersusun dari asam amino bentuk L (bentuk D
sangat jarang dijumpai di alam; banyak terdapat di
dinding sel)
Fungsi Biologis Protein :
1). Bagian stuktural struktur sel, contoh glikoprotein
(dinding sel)
2). Katalis biologis (enzim)
3). Transport/carrier senyawa agar masuk ke dalam sel
4). Hormon : insulin, hormon pertumbuhan, hormon
reproduksi dll
5). Toksin (botulinum dari Clostridium botulinum), difteri
6). Antibodi
3). Lemak (10-15 % d.b) & Steroid
Fungsi lemak dalam sel :
a. Komponen struktural membran  menentukan
permebilitas sel
b. Simpanan energi
c. Supply energi yg dpt ditranportasikan
d. Pelindung dinding sel
Steroid
Terbuat dari sterol ;variasi steroid ditentukan berdasarkan
gugus fungsionalnya
 Steroid ditemukan pada a.l sel fungi
 Sintesis steroid : dg transformasi mikrobial
(stereoselektivitas tinggi & lokasi reaksi enzim
selektif) yg dikombinasikan dgn reaksi kimia
Contoh :
- Cortisone untuk anti-inflamatory (rematik dan penyakit
kulit)
4). Karbohidrat
Sebagai bahan bakar bagi sel, terdapat sbg struktur
sel (e.g. dinding sel) & senyawa simpanan glukosa 
karbohidrat)
Glikogen (contohnya murein)
merupakan peptidoglikan dalam dinding sel
bakteri, terdiri dari N-acetyl-D-glucosamine +
N-acetyl-muramic acid.
5). Asam Nukleat (13-34 % d.b)
- berperan utama dlm mekanisme reproduksi
- Terbuat dari nukleotida yang juga sbg molekul untuk
menyimpan energi, koenzim & agen pereduksi
Nukleotida penting :
- ATP, GTP (adenosine(guanine)-5-triphosphate)
 pembawa energi (ADP, AMP, cAMP)
- UDP  pembawa residu gula pada sintesis polisakarida
- Coenzyme A  bergab dg acetyl membentuk acetyl CoA
(awal Siklus Krebs)
- NAD, NADP &d FMN (nicotine-amid-adeninedinucleotide(phosphate) dan flavin-mononucleotide)
 pembawa “reducing power”
TRANSPORTASI MELEWATI MEMBRAN SEL
-Pengontrolan transportasi ion dan molekul antara sel
dan lingkungannya sangat penting untuk menjalankan
fungsi normal sel
- Membran sel mengatur permeabilitas selektif thd
beragam komponen media dan konstituen sel
- Pengaturan proses transpor berguna untuk :
a. mempertahankan komposisi intraseluler dan selang
pH yg sesuai untuk aktivitas enzim
b. mengatur volume sel, mengatur
konsentrasi nutrien dan mensekresikan senyawa
toksik
Cara Pengambilan Nutrien oleh Mikroba
(Uptake of nutrients)
1. Phagocytosis – Protozoa
2. Absorpsi Permeabilitas – kebanyakan m.o
• Transport Pasif
Difusi sederhana
• Difusi Terfasilitas (Facilitated diffusion)
• Transpor Aktif
• Translokasi Group
Sumber : 210.36.18.48/gxujingpin/dwwswx/ppt/6.ppt
Difusi Pasif
Merupakan proses dimana molekul berpindah
melalui membran dari daerah berkonsentrasi tinggi
ke konsentrasi lebih rendah.
Laju difusi sebanding dg gaya penggerak perbedaan
konsentrasi melewati membran
 Beberapa senyawa seperti O2, CO2 & gliserol
dapat melalui membran plasma dengan cara difusi
pasif
Bg luar sel
Membran sel
S S
S S
SS
Bg dlm sel
S
S
S S
Difusi Terfasilitas
Menggunakan carrier protein  laju difusi melalui
membran permeabel selektif dapat ditingkatkan oleh
penggunaan “carrier protein” (kadang disebut permease),
yang tertanam dalam membran
Karena proses ini ditolong oleh “carrier”, maka disebut
Difusi Terfasilitas  unt molekul>
Laju difusi terfasilitas meningkat oleh gradien konsentrasi
Sumber : 210.36.18.48/gxujingpin/dwwswx/ppt/6.ppt
Model Difusi Terfasilitas
Carrier membran dapat berubah
konformasinya setelah mengikat
molekul dari luar sel dan selanjutnya
melepaskan molekul pada bagian
dalam sel.
Carrier selanjutnya kembali ke
bentuk semula dan siap mengikat
molekul solut lainnya
Karena tidak perlu input energi, maka
molekul akan terus masuk ke dalam sel
selama konsentrasi di bagian luar sel
lebih besar
Sumber : 210.36.18.48/gxujingpin/dwwswx/ppt/6.ppt
Transpor Aktif
ions, glucose, and amino acids
Transpor aktif merupakan proses transportasi
molekul solut ke daerah berkonsentrasi lebih tinggi
atau melawan gradien konsentrasi dengan
menggunakan input energi metabolik
glukosa, asam amino, laktosa, galaktosa, Na+, K+
Translokasi Group
Contoh translokasi group  phosphoenolpyruvate:
sugar phosphotransferase system (PTS), yang
mentrasportasi berbagai gula ke dalam sel prokariotik
dan secara simultan memfosforilasi menggunakan
phosphoenolpyruvate (PEP) sebagai donor fosfat
PEP + sugar (outside)
pyruvate + sugar-P (inside)
contoh : transportasi gula & turunannya
 glukosa, fruktosa, manitol
The phosphoenolpyruvate (PEP) :
 sugar phosphotransferase system of E. coli.
Komponen yang terlibat pada sistem :
PEP : phosphoenolpyruvate
E I : enzyme 1
HPr : low molecular weight heat-stable protein
E II : enzyme II & E III : enzyme III.
Sumber : 210.36.18.48/gxujingpin/dwwswx/ppt/6.ppt
Perbandingan Sistem Transpor
Aspek
Difusi
Pasif
Difusi
Terfasilitas
Transport
Aktif
Translokasi
Group
carrier
proteins
Tidak
Ya
Ya
Ya
transport
speed
Lambat
Cepat
Cepat
Cepat
Tidak
Ya
Ya
Specificity
Specificity
Specificity
Perlu
Perlu
Perlu
Berubah
Berubah
Berubah
Melawant
Tidak
gradien kons.
transport
molecules
No specificity
metabolic
energy
Tak perlu
Molekul solut Tak berubah
Sumber : 210.36.18.48/gxujingpin/dwwswx/ppt/6.ppt
Senyawa
Bakteri
Fungi
Asam amino
Transpor aktif
Transpor aktif
Glukosa
Transpor aktif (PTS &
permease)
Difusi aktif &
terfasilitas
Laktosa
Transpor aktif (PTS &
permease)
Difusi aktif &
terfasilitas
Gliserol
Difusi pasif &
terfasilitas
Difusi pasif &
terfasilita
Etanol
Difusi pasif
Difusi pasif
Asam laktat
Difusi pasif & aktif
Difusi pasif
Asam asetat
Difusi pasif
Difusi pasif
CO2
Difusi pasif
Difusi pasif
O2
Difusi pasif
Difusi pasif
Air
Difusi pasif
Difusi pasif
•PTS : phosphotransferase system
Sumber : Nielsen et al., 1994