Mikrobiologi : Nutrisi Mikroba

NUTRISI MIKROBA

A.    Tujuan :

1.      Mengetahui jenis-jenis mikronutrien dan perannya bagi sel bakteri

2.      Mengetahui jenis-jenis makroonutrien dan perannya bagi sel bakteri

3.      Mengetahui mekanisme transport nutrien ke dalam sel bakteri yang meliputi transport pasif, transport aktif, difusi terfasilitasi, transport zat besi, dan translokasi gugus.

4.      Mengetahui perolehan energi sel pada mikroba aerob, an aerob, fotosintetik (aerob dan anaerob), dan mikroba fakultatif.

B.     Pembahasan

1. Nutrisi

Mikroba memerlukan nutrisi untuk memenuhi kebutuhan energi dan untuk bahan pembangun sel, untuk sintesa protoplasma dan bagian-bagian sel lain. Setiap mikroba mempunyai sifat fisiologi tertentu, sehingga memerlukan nutrisi tertentu pula.

Nutrisi merupakan aspek yang menyangkut fisiologi yang  disepakati sebagai suplai monomer (bahan dasar monomer) yang dibutuhkan sel untuk tumbuh. Substansi yang diperlukan untuk tumbuh ini disebut nutrien. Organisme berbeda mempunyai kebutuhan nutrien yang berbeda pula, serta beda organisme berbeda kebutuhan nutriennya dan jumlah kebutuhannya.

2. Mikronutrien

Adalah nuttrien yang dibutuhkan dalam jumlah sedikit. Contohnya adalah  Mangan, seng, kobalt, molibdenum, nikel, Boron, Chromium, Besi, Manganase, Selenium, Vanabdium, Zink, dan tembaga. Nutrien ini tersedia di alam bersama sumber nutrisi makro. Mikronutrien berperan sebagai kofaktor dan bagian enzim.

Elemen	Fungsi
Boron (B)	Antibiotik poliketid
Chromium (Cr)
Cobalt (Co)	Vitamin B12, transkarboksilase
Copper (Cu)	Respirasi, sitokrom C oksidase, fotosintesis,dll
Besi (Fe)	Sitokrom, katalase, peroksidase, protein Fe-S, oksigenase.
Manganase (Mn)	Aktivator kebanyakan enzim.
Molibdenium (Mo)	Nitrogenase, nitrat reduktase, sulfid oksidase, dll.
Nikel (Ni)	Urease, hidrogenase, koenzim metanogen.
Selenium (Se)	Format dehidrogenase, hidrogenase
Vanadium (V)	Vanadium nitrogenase, bromoperoksidase
Zinc (Zn)	Alkohol dehidrogenase, RNA dan DNA polimerase.

       

3. Makronutrien

merupakan nutirn yang dibutuhkan dalam jumlah besar. komponen utama sel meliputi karbon, oksigen, nitrogen, fosfor, sulfur, kalium, kalsium, magnesium, dan besi. C, H, O, N, S dan P ada dalam bentuk karbohidrat, protein, lipid dan asam nukleat K dibutuhkan untuk aktivitas enzim, sintesis protein. Ca berfungsi dalam resistensi endospora bakteri terhadap panas Mg kofaktor pada banyak enzim, kompleks dg ATP, stabilitas ribosom dan membran sel. Fe bagian dari sitokrom dan kofaktor untuk enzim.

Berikut tabel elemen makronutrien dan fungsinya.

Elemen	Fungsi Fisiologi	Berat Kering
Hidrogen (H)	Penyusun senyawa organik dan air	8
Oksigen (O)	Penyusun senyawa organik dan air	20
Carbon (C)	Penyusun senyawa organik	50
Nitrogen (N)	Penyusun protein, asam nukleat, dan koenzim	14
Sulfur (S)	Penyusun protein dan beberapa koenzim, sintesis asam amino (Sistein, methionin), komponen vitamin (Thiamin, Biotin, asam lipoat.	1
Phosphor (P)	Penyusun asam nukleat, fosfolipid, dan koenzim	3
Magnesium (Mg)	Kofaktor sejumlah reaksi enzim (ATP), stabilisasi (membran, ribosom, asam nukleat, aktivitas enzim)	0,5
Mn	Kofaktor beberapa enzim	0,1
Kalsium (K)	Kofaktor enzim (protease), pompa Na	0,5
Zat besi (Fe)	Kofaktor beberapa enzim, komponen sitokrom (Pada sistem respirasi)
Potasium	Dalam sintesis Protein (semua organisme)
Sodium (Na)	Pertumbuhan (Bakteri halofilik)

4.      Transport Nutrien

Untuk dapat memenuhi kebutuhan nutrisinya, mikroorganisme melakukan transport nutrient dari lingkungan. Transport ini dapat dilakukan dengan cara transport aktif dan transport pasif. Transport pasif merupakan proses transport yang tidak menggunakan energi dari sel, energi  untuk transport ini didapat dari energi yang terjadi dari gradient elektrokimia. Yang termasuk transport pasif diantaranya difusi sederhana, difusi terfasilitasi, dan osmosis. Transport aktif merupakan transport yang memerlukan energy dari ATP untuk memindahkan nutrient atau substansi dari sisi yang berlawanan.

Pada transport sederhana, air diangkut dengan cara osmosis. Osmosis merupakan perpindahan zat pelarut dari gradient tinggi ke gradient yang lebih rendah melalui membrane semi permeable.

Kecuali air, beberapa jenis senyawa dapat memasuki sel melalui difusi. Dalam proses ini solute melintasi membran yang semipermiabel itu sebagai akibat pergerakan molekuler acak dan tidak berinteraksi secara khusus dengan zat apapun pada membran. Mekanisme lain yang dipakai zat-zat untuk melintasi membran semi permiabel tersebut adalah :

·         Difusi sederhana (Simple diffusion)

Difusi sederhana adalah perpindahan solute atau molekul  yang menggunakan energi dari gradient elektrokimia, untuk dapat memasuki sel melalui membran.

Molekul yang dapat menggunakan difusi sederhana diantaranya : oksigen, karbon dioksida, dan zat kimia yang larut dalam lemak.

·         Difusi dipermudah (facilitated diffusion)

Difusi yang dipermudah merupakan perpindahan molekul atau solute yang menggunakan energi dari garient elektrokimia serta memerlukan chanel atau protein pembawa untuk lintasannya. Molekul yang dapat menggunakan difusi dipermudah diantaranya : glukosa, fruktosa, urea, dan beberapa vitamin.

Pada difusi dipermudah, molekul solute bergabung secara reversible dengan suatu molekul menghantar protein khusus (portir) pada membrane dan kompleks solute, penghantar tersebut bergerak antara pemukaan-permukaan membran sebelah dalam dan luar, melepaskan satu  molekul solute yang baru. Tipe difusi ini selalu memindahkan molekul-molekul solute dari daerah konsentrasi tinggi ke yang lebih rendah.

          Baik difusi sederhana maupun difusi dipermudah tidak membutuhkan energi metabolik, juga tidak menyebabkan konsentrasi ataupun akumulasi solute melawan gradient elektro kimiawi atau osmosis

Gambar : a. osmosis. b. difusi sederhana. c. difusi terfasilitasi

Ketika terjadi transport nutrient melalui difusi terfasilitasi, terjadi mekanisme “ping” dan “pong” pada protein kariernya. Pada formasi “pong” sisi pengikatan nutrient pada protein karier membuka ke arah luar membrane atau menuju gradient elektrokimia tinggi. Pada formasi “ping” posisi pegikatan nutrient pada protein karier membuka ke arah dalam dari membran. Perpindahan antara “ping” dan “pong” terjadi secara acak dan reversible setelah selesai melakukan transport. Karena konsentrasi nutrient di luar membran lebih tinggi, maka banyak nutrient yang terikat pada protein karier formasi pong dari pada ping, sehingga terjadi transport nutrient dari luar sel  ke dalam sel yang disebabkan oleh perbedaan gradient elektrokimia.

 

Gambar : Mekanisme “ping dan pong” pada transport difusi terfasilitasi

 Tidak semua molekul dapat menggunakan difusi atau transport pasif untuk dapat melintasi membran, ada molekul yang tidak dapat melintasi membran dengan transport pasif, maka molekul tersebut harus menggunakan cara transport lain untuk dapat masuk ke dalam membran.

 

Gambar : Beberapa molekul yang dapat masuk ke membran begitu saja dengan transport pasif, dan molekul yang tidak dapat masuk ke membran harus menggunakan transport yang lain.

Dua mekanisme lainnya yang membawa solute melintasi membran yaitu :

1.      Translokasi kelompok

Pada translokasi kelompok, substansi yang akan diangkut harus dimodifikasi secara kimiawi sebelum diangkut kedalam sel oleh penghantar. Proses yang menuju pada modifikasi kimiawi membutuhkan energy metabolik.

  Contoh yang baik mengenai translokasi kelompok ialah pengangkutan senyawa-senyawa gula tertentu. Seperti gluksa, fruktosa, manosa kedalam sel. Dalam proses ini, mula-mula suatu protein yang tahan panas (HPr) diaktivasi dengan cara memindahkan sebuah gugusan fosfat dari senyawa berenergi tinggi fospoenolpiruvat (PEP) pada HPr didalam sel,seperti tampak pada

              Enzim 1

PEP +HPr                         Piruvat + fosfo – HPr

Pada saat yang bersamaan ,gula bergabung dengan  enzim 2 pada permukaan    membrane dan diangkut ke permukaan dalam membrane. Disini lalu bergabung dengan gugusan  fosfat yang dibawa oleh HPr teraktivasi. Gula fosfat tersebut kemudian dilepaskan oleh enzim 2 dan memasuki sel. Reaksi ini dapat disingkat sebagai berikut :

Fosfo-HPr + gula                       gula-fosfat + HPr

(di luar sel)                               (didalam sel)

Reaksi pengangkutan ini hanya mengangkut gula ke dalam sel, karena gulla fosfat didalam sel tidak mempunyai afinitas terhadap penghantar

  HPr dan enzim 1 adalah protein sitoplasmik terlarut. HPr mempunyai berat molekul rendah dan dapat dimurnikan sampai taraf yang tinggi. Enzim 2 terikat pada membrane dan spesifik bagi senyawa-senyawa gula tertentu yang diangkutnya. Enzim tersebut telah dapat dilarutkan dan dimurnikan sebagian Proses-proses translokasi kelompok lainnya yang diketahui mencakup pengambilan adenine dan butirat pada permukaan luar sel dan pengubahannya pada permukaan dalam membrane, masing-masing menjadi adenosinemenofosfat (AMP) dan butiril-KoA.

 

Gambar :

T1 : tempat pengikatan glukosa yang membuka ke bagian luar membran

T2 : tempat pengikatan glukosa yang membuka ke bagian dalam membran

1.      1.     Glukosa terikat pada sisi T1 tanpa ATP

2.      2.    Pengubahan formasi glukosa dari S_out . T1menjadi S_in . T2, karena terjadi lintas membrane

3.      3.    Glukosa dilepaskan ke sitoplasma melalui T2

4.      4.    Transporter kembali ke bentuk semula.

1.      Transport aktif. 

Pada transport aktif, solute diangkut oleh suatu penghantar osmotic atau elektrokimiawi dengan menggunakan energi metabolic. Kecuali dalam hal kebutuhannya akan energi metaboloik untuk melangsungkan pengankutan ini, transport aktif banyak persamaanya dengan difusi dipermudah.  Hampir semua solute termasuk gula, asam amino, peptida, nukleusida dan ion-ion, diambil oleh sel melalui transport aktif, ketiga langkahnya adalah :

1.      Pengikatan solud pada situs penerima pada protein penghantar yang terikat pada membran

2.      Translokasi kompleks solute penghantar melintasi membrane

3.      Penggandengan translokasi pada suatu reaksi penghasil energi untuk mengurangi afinitas penghantar protein terhadap solute pada permukaan dalam membrane sehingga protein penghantar akan melepaskan solute tersebut kedalam sel.

Telah diusulkan beberapa mekanisme untuk menjelaskan dasar molekuler angkutan aktif solut pada mikroorganisme. Bukti-bukti yang ada menyarankan bahwa angkutan aktif juga dapat dijelaskan dengan teori kemiosmotik Mitchell. Dalam hal ini, energi yang dilepaskan selama mengalirnya electron atau lepasnya sebuah gugusan fosfat dari ATP mendorong proton keluar dari sel. Ini membangkitkan perbedaan nilai Ph dan tegangan listrik antara daerah di dalam dan diluar sel atau melintasi membrane. Gradient proton ini menciptakan tenaga yang digerakkan oleh proton (daya protonmotif) yang dapat digunakan untuk memompa solute ke dalam sel. Ketika proton memasuki kembali sel, mungkin dengan cara menginduksi perubahan konfirmasi pada molekul penghantar sehingga afinitasnya terhadap solute berkurang dan solute tersebut dilepaskan ke dalam sel.

 

          Selain transport nutrient dengan cara transport aktif dan pasif yang telah dijelaskan, terdapat beberapa nutrient yang memerlukan cara khusus untuk dapat ditambat dan dimanfaatkan oleh mikroorganisme, diantaranya :

1.      Amonia

        Bakteri yang mampu memanfaatkan ammonia sebagai sumber energi disebut bakteri penitrifikasi. 5 genus bakteri penitrifikasi adalah Nitosoccocus, Nitrosomonas, Nitrosospira, Nitrosolobus,  Nitrosovibio. Semuanya adalah bakteri kemolitoautotrof aerob dan juga mampu mengasimilasi CO₂ dari siklus calvin. Bakteri penitrofikasi biasanya hidup di area perbatasan aerob anaerob ,tempat ammonia biasanya terdifusi didaerah perbatasan tersebut.

        Proses nitrifikasi biasanya melibatkan lebih dari satu mikroba. Misalnya Nitrosomonas mengoksidasi ammonia menjadi nitrit,kemudian dioksidasi menjadi nitrat oleh Nitrobacter .

        Nitrosomonas pertama kali mengoksidasi ammonia nenjadi hidroksiamin dan air dengan bantuan ammonia monooksigenase (AMO) . hidroksiamin dipindah dari sitiplasma ke periplasma .   kemudian dioksidasi oleh hidroksamin oksireduktase (HAO) menjadi nitrit. Pada reaksi itu dihasilkan 4 proton dan 4 elektron .4 elektron ditransfer ke sitikrom C554. Dari 4 elektron ,2 elektron ditransfer ke ubikuinon selanjtnya ditransfer ke AMO dan 2 elektron ditransfer ke sitokrom C552. Selanjutnya 2 elektron dari sitokrom C554 dipindah ke sitoplasma melalui sitokrom aa3 dan diterima oleh oksigen menjadi air. perpindahan electron aa3 dikopling dengan antiport dengan perpindahan proton. Jadi pada reaksi itu sebagian oksigen direduksi menjadi air dan sebagian lagi diinkorporasi dengan ammonia menjadi hidroksiamin. Sitokrom aa3 dapat megkopling electron dengan antoport proton karena sitokrom aa3 mampu memindahkan proton jika ada arus electron yang melewati dirinya.

 

Gambar : oksidasi ammonia oleh Nitrosomonas

 2. Belerang

          Prokariota yang mampu mengoksidasi belerang adalah pengoksidasi sulfur fotosintetik, pengoksidasi sulfur nonfotosintetik (Beggiatoa,Thiothrix,Thiobacillus). Sulfur biasanya sebagai sumber energi dan electron. Sulfur tersebut adalah hydrogen sulfide (H₂S). sulfur (S^o), sulfit (HSO₃) dan tiosulfat (S₂O₃^2-). Semuanya dioksidasi menjadi sulfat.

Bakteri pengoksidasi sulfur biasanya tumbuh pada media rendah oksigen, karena oksidasi sulfur dapat berlangsung cepat, jika oksigen rendah. Prokariota mengoksidasi sulfur biasanya autotrof, tetapi dapat berubah menjadi heterotrof, jika terdapat senyawa karbon organic dalam media.

 

Gambar : Oksidasi thiosulfat oleh Thiobacilus versutus

Di periplasma thiosulfat dioksidasi oleh kompleks multienzim mejadi 2 molekul sulfat dan menghasilkan 8 elektron dan 8 proton. Proton dilepaskan ke periplasma, sedangkan electron ditransfer ke sitokrom C₅₅₂ membran sel. Kemudian, electron ditransfer ke sitokrom oksidase dan akhirnya diterima oleh oksigen dan proton menjadi air (H₂O).

Delapan proton masuk ke sitoplasma melalui ATP sintase sehingga menghasilkan 2,67 ATP. Selanjutnya, proton yang berada di sitoplasma bersama 2 molekul oksigen menerima 8 elektron, sehingga menghasilkan 4 molekul air.

 3. Besi

Beberapa prokariota mampu mengoksidasi ion ferri (Fe²⁺) menjadi ion ferat (Fe³⁺) dengan bantuan oksigen. Oksidasi tersebut berlangsung cepat pada pH netral dan berlangsung lambat pada pH asam.

Thiobacillus frooxidans mampu mengoksidasi Fe²⁺, jika ditumbuhkan pada ferri sulfat (FeSO₄), atau hidup pada lingkungan yang mengandung ferri sulfat. Dua molekul Fe²⁺ dioksidasi menjadi molekul Fe³⁺ dan 2 elektron oleh kompleks enzim ferat yang berada pada membrane luar. Electron ditransfer ke sitokrom C periplasma yang berasosiasi dengan rustianinoksidase dan dipakai untuk mereduksi oksigen menjadi air. Karena terjadi perbedaan potensial (di sitoplasma lebih  negatif) maka timbul gradient konsentrasi elektrokimia. Oleh karena itu perlu dilakukan transport ion K⁺ untuk menjaga pH. Setelah dilakukan pemompaan terhadap ion, maka proton dapat masuk kembali ke sitoplasma melalui kanal ATP sintase yang dapat digunakan untuk sitesis ATP.

 

Gambar : Oksidasi besi oleh Thiobacillus ferooxidans

4. Laktosa

Salah satu mikroorganisme yang dapat memanfaatkan laktosa adalahE.coli. Transport laktosa ke dalam sel E.coli didahului dengan transport H⁺ melintasi membrane dengan cara difusi sederhana (primary transport) ke dalam sel, untuk mengoksidasi berbagai nutrient, disebabhan oleh adanya gradient proton dan perbedaan potensial listrik (di dalam sel lebih negatif). Kemudian transport aktif laktosa ke dalam sel melibatkan symport dari H+ dan laktosa pada transporter laktosa. Pengambilan laktosa melawan gradient konsentrasi, semuanya tergantung pada pemasukan H+, yang menyebabkan terjadinya gradient elektrokimia.

  

NUTRISI MIKROBA

A.    Tujuan :

1.      Mengetahui jenis-jenis mikronutrien dan perannya bagi sel bakteri

2.      Mengetahui jenis-jenis makroonutrien dan perannya bagi sel bakteri

3.      Mengetahui mekanisme transport nutrien ke dalam sel bakteri yang meliputi transport pasif, transport aktif, difusi terfasilitasi, transport zat besi, dan translokasi gugus.

4.      Mengetahui perolehan energi sel pada mikroba aerob, an aerob, fotosintetik (aerob dan anaerob), dan mikroba fakultatif.

B.     Pembahasan

1. Nutrisi

Mikroba memerlukan nutrisi untuk memenuhi kebutuhan energi dan untuk bahan pembangun sel, untuk sintesa protoplasma dan bagian-bagian sel lain. Setiap mikroba mempunyai sifat fisiologi tertentu, sehingga memerlukan nutrisi tertentu pula.

Nutrisi merupakan aspek yang menyangkut fisiologi yang  disepakati sebagai suplai monomer (bahan dasar monomer) yang dibutuhkan sel untuk tumbuh. Substansi yang diperlukan untuk tumbuh ini disebut nutrien. Organisme berbeda mempunyai kebutuhan nutrien yang berbeda pula, serta beda organisme berbeda kebutuhan nutriennya dan jumlah kebutuhannya.

2. Mikronutrien

Adalah nuttrien yang dibutuhkan dalam jumlah sedikit. Contohnya adalah  Mangan, seng, kobalt, molibdenum, nikel, Boron, Chromium, Besi, Manganase, Selenium, Vanabdium, Zink, dan tembaga. Nutrien ini tersedia di alam bersama sumber nutrisi makro. Mikronutrien berperan sebagai kofaktor dan bagian enzim.

Elemen	Fungsi
Boron (B)	Antibiotik poliketid
Chromium (Cr)
Cobalt (Co)	Vitamin B12, transkarboksilase
Copper (Cu)	Respirasi, sitokrom C oksidase, fotosintesis,dll
Besi (Fe)	Sitokrom, katalase, peroksidase, protein Fe-S, oksigenase.
Manganase (Mn)	Aktivator kebanyakan enzim.
Molibdenium (Mo)	Nitrogenase, nitrat reduktase, sulfid oksidase, dll.
Nikel (Ni)	Urease, hidrogenase, koenzim metanogen.
Selenium (Se)	Format dehidrogenase, hidrogenase
Vanadium (V)	Vanadium nitrogenase, bromoperoksidase
Zinc (Zn)	Alkohol dehidrogenase, RNA dan DNA polimerase.

       

3. Makronutrien

merupakan nutirn yang dibutuhkan dalam jumlah besar. komponen utama sel meliputi karbon, oksigen, nitrogen, fosfor, sulfur, kalium, kalsium, magnesium, dan besi. C, H, O, N, S dan P ada dalam bentuk karbohidrat, protein, lipid dan asam nukleat K dibutuhkan untuk aktivitas enzim, sintesis protein. Ca berfungsi dalam resistensi endospora bakteri terhadap panas Mg kofaktor pada banyak enzim, kompleks dg ATP, stabilitas ribosom dan membran sel. Fe bagian dari sitokrom dan kofaktor untuk enzim.

Berikut tabel elemen makronutrien dan fungsinya.

Elemen	Fungsi Fisiologi	Berat Kering
Hidrogen (H)	Penyusun senyawa organik dan air	8
Oksigen (O)	Penyusun senyawa organik dan air	20
Carbon (C)	Penyusun senyawa organik	50
Nitrogen (N)	Penyusun protein, asam nukleat, dan koenzim	14
Sulfur (S)	Penyusun protein dan beberapa koenzim, sintesis asam amino (Sistein, methionin), komponen vitamin (Thiamin, Biotin, asam lipoat.	1
Phosphor (P)	Penyusun asam nukleat, fosfolipid, dan koenzim	3
Magnesium (Mg)	Kofaktor sejumlah reaksi enzim (ATP), stabilisasi (membran, ribosom, asam nukleat, aktivitas enzim)	0,5
Mn	Kofaktor beberapa enzim	0,1
Kalsium (K)	Kofaktor enzim (protease), pompa Na	0,5
Zat besi (Fe)	Kofaktor beberapa enzim, komponen sitokrom (Pada sistem respirasi)
Potasium	Dalam sintesis Protein (semua organisme)
Sodium (Na)	Pertumbuhan (Bakteri halofilik)

4.      Transport Nutrien

Untuk dapat memenuhi kebutuhan nutrisinya, mikroorganisme melakukan transport nutrient dari lingkungan. Transport ini dapat dilakukan dengan cara transport aktif dan transport pasif. Transport pasif merupakan proses transport yang tidak menggunakan energi dari sel, energi  untuk transport ini didapat dari energi yang terjadi dari gradient elektrokimia. Yang termasuk transport pasif diantaranya difusi sederhana, difusi terfasilitasi, dan osmosis. Transport aktif merupakan transport yang memerlukan energy dari ATP untuk memindahkan nutrient atau substansi dari sisi yang berlawanan.

Pada transport sederhana, air diangkut dengan cara osmosis. Osmosis merupakan perpindahan zat pelarut dari gradient tinggi ke gradient yang lebih rendah melalui membrane semi permeable.

Kecuali air, beberapa jenis senyawa dapat memasuki sel melalui difusi. Dalam proses ini solute melintasi membran yang semipermiabel itu sebagai akibat pergerakan molekuler acak dan tidak berinteraksi secara khusus dengan zat apapun pada membran. Mekanisme lain yang dipakai zat-zat untuk melintasi membran semi permiabel tersebut adalah :

·         Difusi sederhana (Simple diffusion)

Difusi sederhana adalah perpindahan solute atau molekul  yang menggunakan energi dari gradient elektrokimia, untuk dapat memasuki sel melalui membran.

Molekul yang dapat menggunakan difusi sederhana diantaranya : oksigen, karbon dioksida, dan zat kimia yang larut dalam lemak.

·         Difusi dipermudah (facilitated diffusion)

Difusi yang dipermudah merupakan perpindahan molekul atau solute yang menggunakan energi dari garient elektrokimia serta memerlukan chanel atau protein pembawa untuk lintasannya. Molekul yang dapat menggunakan difusi dipermudah diantaranya : glukosa, fruktosa, urea, dan beberapa vitamin.

Pada difusi dipermudah, molekul solute bergabung secara reversible dengan suatu molekul menghantar protein khusus (portir) pada membrane dan kompleks solute, penghantar tersebut bergerak antara pemukaan-permukaan membran sebelah dalam dan luar, melepaskan satu  molekul solute yang baru. Tipe difusi ini selalu memindahkan molekul-molekul solute dari daerah konsentrasi tinggi ke yang lebih rendah.

          Baik difusi sederhana maupun difusi dipermudah tidak membutuhkan energi metabolik, juga tidak menyebabkan konsentrasi ataupun akumulasi solute melawan gradient elektro kimiawi atau osmosis

Gambar : a. osmosis. b. difusi sederhana. c. difusi terfasilitasi

Ketika terjadi transport nutrient melalui difusi terfasilitasi, terjadi mekanisme “ping” dan “pong” pada protein kariernya. Pada formasi “pong” sisi pengikatan nutrient pada protein karier membuka ke arah luar membrane atau menuju gradient elektrokimia tinggi. Pada formasi “ping” posisi pegikatan nutrient pada protein karier membuka ke arah dalam dari membran. Perpindahan antara “ping” dan “pong” terjadi secara acak dan reversible setelah selesai melakukan transport. Karena konsentrasi nutrient di luar membran lebih tinggi, maka banyak nutrient yang terikat pada protein karier formasi pong dari pada ping, sehingga terjadi transport nutrient dari luar sel  ke dalam sel yang disebabkan oleh perbedaan gradient elektrokimia.

 

Gambar : Mekanisme “ping dan pong” pada transport difusi terfasilitasi

 Tidak semua molekul dapat menggunakan difusi atau transport pasif untuk dapat melintasi membran, ada molekul yang tidak dapat melintasi membran dengan transport pasif, maka molekul tersebut harus menggunakan cara transport lain untuk dapat masuk ke dalam membran.

 

Gambar : Beberapa molekul yang dapat masuk ke membran begitu saja dengan transport pasif, dan molekul yang tidak dapat masuk ke membran harus menggunakan transport yang lain.

Dua mekanisme lainnya yang membawa solute melintasi membran yaitu :

1.      Translokasi kelompok

Pada translokasi kelompok, substansi yang akan diangkut harus dimodifikasi secara kimiawi sebelum diangkut kedalam sel oleh penghantar. Proses yang menuju pada modifikasi kimiawi membutuhkan energy metabolik.

  Contoh yang baik mengenai translokasi kelompok ialah pengangkutan senyawa-senyawa gula tertentu. Seperti gluksa, fruktosa, manosa kedalam sel. Dalam proses ini, mula-mula suatu protein yang tahan panas (HPr) diaktivasi dengan cara memindahkan sebuah gugusan fosfat dari senyawa berenergi tinggi fospoenolpiruvat (PEP) pada HPr didalam sel,seperti tampak pada

              Enzim 1

PEP +HPr                         Piruvat + fosfo – HPr

Pada saat yang bersamaan ,gula bergabung dengan  enzim 2 pada permukaan    membrane dan diangkut ke permukaan dalam membrane. Disini lalu bergabung dengan gugusan  fosfat yang dibawa oleh HPr teraktivasi. Gula fosfat tersebut kemudian dilepaskan oleh enzim 2 dan memasuki sel. Reaksi ini dapat disingkat sebagai berikut :

Fosfo-HPr + gula                       gula-fosfat + HPr

(di luar sel)                               (didalam sel)

Reaksi pengangkutan ini hanya mengangkut gula ke dalam sel, karena gulla fosfat didalam sel tidak mempunyai afinitas terhadap penghantar

  HPr dan enzim 1 adalah protein sitoplasmik terlarut. HPr mempunyai berat molekul rendah dan dapat dimurnikan sampai taraf yang tinggi. Enzim 2 terikat pada membrane dan spesifik bagi senyawa-senyawa gula tertentu yang diangkutnya. Enzim tersebut telah dapat dilarutkan dan dimurnikan sebagian Proses-proses translokasi kelompok lainnya yang diketahui mencakup pengambilan adenine dan butirat pada permukaan luar sel dan pengubahannya pada permukaan dalam membrane, masing-masing menjadi adenosinemenofosfat (AMP) dan butiril-KoA.

 

Gambar :

T1 : tempat pengikatan glukosa yang membuka ke bagian luar membran

T2 : tempat pengikatan glukosa yang membuka ke bagian dalam membran

1.      1.     Glukosa terikat pada sisi T1 tanpa ATP

2.      2.    Pengubahan formasi glukosa dari S_out . T1menjadi S_in . T2, karena terjadi lintas membrane

3.      3.    Glukosa dilepaskan ke sitoplasma melalui T2

4.      4.    Transporter kembali ke bentuk semula.

1.      Transport aktif. 

Pada transport aktif, solute diangkut oleh suatu penghantar osmotic atau elektrokimiawi dengan menggunakan energi metabolic. Kecuali dalam hal kebutuhannya akan energi metaboloik untuk melangsungkan pengankutan ini, transport aktif banyak persamaanya dengan difusi dipermudah.  Hampir semua solute termasuk gula, asam amino, peptida, nukleusida dan ion-ion, diambil oleh sel melalui transport aktif, ketiga langkahnya adalah :

1.      Pengikatan solud pada situs penerima pada protein penghantar yang terikat pada membran

2.      Translokasi kompleks solute penghantar melintasi membrane

3.      Penggandengan translokasi pada suatu reaksi penghasil energi untuk mengurangi afinitas penghantar protein terhadap solute pada permukaan dalam membrane sehingga protein penghantar akan melepaskan solute tersebut kedalam sel.

Telah diusulkan beberapa mekanisme untuk menjelaskan dasar molekuler angkutan aktif solut pada mikroorganisme. Bukti-bukti yang ada menyarankan bahwa angkutan aktif juga dapat dijelaskan dengan teori kemiosmotik Mitchell. Dalam hal ini, energi yang dilepaskan selama mengalirnya electron atau lepasnya sebuah gugusan fosfat dari ATP mendorong proton keluar dari sel. Ini membangkitkan perbedaan nilai Ph dan tegangan listrik antara daerah di dalam dan diluar sel atau melintasi membrane. Gradient proton ini menciptakan tenaga yang digerakkan oleh proton (daya protonmotif) yang dapat digunakan untuk memompa solute ke dalam sel. Ketika proton memasuki kembali sel, mungkin dengan cara menginduksi perubahan konfirmasi pada molekul penghantar sehingga afinitasnya terhadap solute berkurang dan solute tersebut dilepaskan ke dalam sel.

 

          Selain transport nutrient dengan cara transport aktif dan pasif yang telah dijelaskan, terdapat beberapa nutrient yang memerlukan cara khusus untuk dapat ditambat dan dimanfaatkan oleh mikroorganisme, diantaranya :

1.      Amonia

        Bakteri yang mampu memanfaatkan ammonia sebagai sumber energi disebut bakteri penitrifikasi. 5 genus bakteri penitrifikasi adalah Nitosoccocus, Nitrosomonas, Nitrosospira, Nitrosolobus,  Nitrosovibio. Semuanya adalah bakteri kemolitoautotrof aerob dan juga mampu mengasimilasi CO₂ dari siklus calvin. Bakteri penitrofikasi biasanya hidup di area perbatasan aerob anaerob ,tempat ammonia biasanya terdifusi didaerah perbatasan tersebut.

        Proses nitrifikasi biasanya melibatkan lebih dari satu mikroba. Misalnya Nitrosomonas mengoksidasi ammonia menjadi nitrit,kemudian dioksidasi menjadi nitrat oleh Nitrobacter .

        Nitrosomonas pertama kali mengoksidasi ammonia nenjadi hidroksiamin dan air dengan bantuan ammonia monooksigenase (AMO) . hidroksiamin dipindah dari sitiplasma ke periplasma .   kemudian dioksidasi oleh hidroksamin oksireduktase (HAO) menjadi nitrit. Pada reaksi itu dihasilkan 4 proton dan 4 elektron .4 elektron ditransfer ke sitikrom C554. Dari 4 elektron ,2 elektron ditransfer ke ubikuinon selanjtnya ditransfer ke AMO dan 2 elektron ditransfer ke sitokrom C552. Selanjutnya 2 elektron dari sitokrom C554 dipindah ke sitoplasma melalui sitokrom aa3 dan diterima oleh oksigen menjadi air. perpindahan electron aa3 dikopling dengan antiport dengan perpindahan proton. Jadi pada reaksi itu sebagian oksigen direduksi menjadi air dan sebagian lagi diinkorporasi dengan ammonia menjadi hidroksiamin. Sitokrom aa3 dapat megkopling electron dengan antoport proton karena sitokrom aa3 mampu memindahkan proton jika ada arus electron yang melewati dirinya.

 

Gambar : oksidasi ammonia oleh Nitrosomonas

 2. Belerang

          Prokariota yang mampu mengoksidasi belerang adalah pengoksidasi sulfur fotosintetik, pengoksidasi sulfur nonfotosintetik (Beggiatoa,Thiothrix,Thiobacillus). Sulfur biasanya sebagai sumber energi dan electron. Sulfur tersebut adalah hydrogen sulfide (H₂S). sulfur (S^o), sulfit (HSO₃) dan tiosulfat (S₂O₃^2-). Semuanya dioksidasi menjadi sulfat.

Bakteri pengoksidasi sulfur biasanya tumbuh pada media rendah oksigen, karena oksidasi sulfur dapat berlangsung cepat, jika oksigen rendah. Prokariota mengoksidasi sulfur biasanya autotrof, tetapi dapat berubah menjadi heterotrof, jika terdapat senyawa karbon organic dalam media.

 

Gambar : Oksidasi thiosulfat oleh Thiobacilus versutus

Di periplasma thiosulfat dioksidasi oleh kompleks multienzim mejadi 2 molekul sulfat dan menghasilkan 8 elektron dan 8 proton. Proton dilepaskan ke periplasma, sedangkan electron ditransfer ke sitokrom C₅₅₂ membran sel. Kemudian, electron ditransfer ke sitokrom oksidase dan akhirnya diterima oleh oksigen dan proton menjadi air (H₂O).

Delapan proton masuk ke sitoplasma melalui ATP sintase sehingga menghasilkan 2,67 ATP. Selanjutnya, proton yang berada di sitoplasma bersama 2 molekul oksigen menerima 8 elektron, sehingga menghasilkan 4 molekul air.

 3. Besi

Beberapa prokariota mampu mengoksidasi ion ferri (Fe²⁺) menjadi ion ferat (Fe³⁺) dengan bantuan oksigen. Oksidasi tersebut berlangsung cepat pada pH netral dan berlangsung lambat pada pH asam.

Thiobacillus frooxidans mampu mengoksidasi Fe²⁺, jika ditumbuhkan pada ferri sulfat (FeSO₄), atau hidup pada lingkungan yang mengandung ferri sulfat. Dua molekul Fe²⁺ dioksidasi menjadi molekul Fe³⁺ dan 2 elektron oleh kompleks enzim ferat yang berada pada membrane luar. Electron ditransfer ke sitokrom C periplasma yang berasosiasi dengan rustianinoksidase dan dipakai untuk mereduksi oksigen menjadi air. Karena terjadi perbedaan potensial (di sitoplasma lebih  negatif) maka timbul gradient konsentrasi elektrokimia. Oleh karena itu perlu dilakukan transport ion K⁺ untuk menjaga pH. Setelah dilakukan pemompaan terhadap ion, maka proton dapat masuk kembali ke sitoplasma melalui kanal ATP sintase yang dapat digunakan untuk sitesis ATP.

 

Gambar : Oksidasi besi oleh Thiobacillus ferooxidans

4. Laktosa

Salah satu mikroorganisme yang dapat memanfaatkan laktosa adalahE.coli. Transport laktosa ke dalam sel E.coli didahului dengan transport H⁺ melintasi membrane dengan cara difusi sederhana (primary transport) ke dalam sel, untuk mengoksidasi berbagai nutrient, disebabhan oleh adanya gradient proton dan perbedaan potensial listrik (di dalam sel lebih negatif). Kemudian transport aktif laktosa ke dalam sel melibatkan symport dari H+ dan laktosa pada transporter laktosa. Pengambilan laktosa melawan gradient konsentrasi, semuanya tergantung pada pemasukan H+, yang menyebabkan terjadinya gradient elektrokimia.

  

NUTRISI MIKROBA

A.    Tujuan :

1.      Mengetahui jenis-jenis mikronutrien dan perannya bagi sel bakteri

2.      Mengetahui jenis-jenis makroonutrien dan perannya bagi sel bakteri

3.      Mengetahui mekanisme transport nutrien ke dalam sel bakteri yang meliputi transport pasif, transport aktif, difusi terfasilitasi, transport zat besi, dan translokasi gugus.

4.      Mengetahui perolehan energi sel pada mikroba aerob, an aerob, fotosintetik (aerob dan anaerob), dan mikroba fakultatif.

B.     Pembahasan

1. Nutrisi

Mikroba memerlukan nutrisi untuk memenuhi kebutuhan energi dan untuk bahan pembangun sel, untuk sintesa protoplasma dan bagian-bagian sel lain. Setiap mikroba mempunyai sifat fisiologi tertentu, sehingga memerlukan nutrisi tertentu pula.

Nutrisi merupakan aspek yang menyangkut fisiologi yang  disepakati sebagai suplai monomer (bahan dasar monomer) yang dibutuhkan sel untuk tumbuh. Substansi yang diperlukan untuk tumbuh ini disebut nutrien. Organisme berbeda mempunyai kebutuhan nutrien yang berbeda pula, serta beda organisme berbeda kebutuhan nutriennya dan jumlah kebutuhannya.

2. Mikronutrien

Adalah nuttrien yang dibutuhkan dalam jumlah sedikit. Contohnya adalah  Mangan, seng, kobalt, molibdenum, nikel, Boron, Chromium, Besi, Manganase, Selenium, Vanabdium, Zink, dan tembaga. Nutrien ini tersedia di alam bersama sumber nutrisi makro. Mikronutrien berperan sebagai kofaktor dan bagian enzim.

Elemen	Fungsi
Boron (B)	Antibiotik poliketid
Chromium (Cr)
Cobalt (Co)	Vitamin B12, transkarboksilase
Copper (Cu)	Respirasi, sitokrom C oksidase, fotosintesis,dll
Besi (Fe)	Sitokrom, katalase, peroksidase, protein Fe-S, oksigenase.
Manganase (Mn)	Aktivator kebanyakan enzim.
Molibdenium (Mo)	Nitrogenase, nitrat reduktase, sulfid oksidase, dll.
Nikel (Ni)	Urease, hidrogenase, koenzim metanogen.
Selenium (Se)	Format dehidrogenase, hidrogenase
Vanadium (V)	Vanadium nitrogenase, bromoperoksidase
Zinc (Zn)	Alkohol dehidrogenase, RNA dan DNA polimerase.

       

3. Makronutrien

merupakan nutirn yang dibutuhkan dalam jumlah besar. komponen utama sel meliputi karbon, oksigen, nitrogen, fosfor, sulfur, kalium, kalsium, magnesium, dan besi. C, H, O, N, S dan P ada dalam bentuk karbohidrat, protein, lipid dan asam nukleat K dibutuhkan untuk aktivitas enzim, sintesis protein. Ca berfungsi dalam resistensi endospora bakteri terhadap panas Mg kofaktor pada banyak enzim, kompleks dg ATP, stabilitas ribosom dan membran sel. Fe bagian dari sitokrom dan kofaktor untuk enzim.

Berikut tabel elemen makronutrien dan fungsinya.

Elemen	Fungsi Fisiologi	Berat Kering
Hidrogen (H)	Penyusun senyawa organik dan air	8
Oksigen (O)	Penyusun senyawa organik dan air	20
Carbon (C)	Penyusun senyawa organik	50
Nitrogen (N)	Penyusun protein, asam nukleat, dan koenzim	14
Sulfur (S)	Penyusun protein dan beberapa koenzim, sintesis asam amino (Sistein, methionin), komponen vitamin (Thiamin, Biotin, asam lipoat.	1
Phosphor (P)	Penyusun asam nukleat, fosfolipid, dan koenzim	3
Magnesium (Mg)	Kofaktor sejumlah reaksi enzim (ATP), stabilisasi (membran, ribosom, asam nukleat, aktivitas enzim)	0,5
Mn	Kofaktor beberapa enzim	0,1
Kalsium (K)	Kofaktor enzim (protease), pompa Na	0,5
Zat besi (Fe)	Kofaktor beberapa enzim, komponen sitokrom (Pada sistem respirasi)
Potasium	Dalam sintesis Protein (semua organisme)
Sodium (Na)	Pertumbuhan (Bakteri halofilik)

4.      Transport Nutrien

Untuk dapat memenuhi kebutuhan nutrisinya, mikroorganisme melakukan transport nutrient dari lingkungan. Transport ini dapat dilakukan dengan cara transport aktif dan transport pasif. Transport pasif merupakan proses transport yang tidak menggunakan energi dari sel, energi  untuk transport ini didapat dari energi yang terjadi dari gradient elektrokimia. Yang termasuk transport pasif diantaranya difusi sederhana, difusi terfasilitasi, dan osmosis. Transport aktif merupakan transport yang memerlukan energy dari ATP untuk memindahkan nutrient atau substansi dari sisi yang berlawanan.

Pada transport sederhana, air diangkut dengan cara osmosis. Osmosis merupakan perpindahan zat pelarut dari gradient tinggi ke gradient yang lebih rendah melalui membrane semi permeable.

Kecuali air, beberapa jenis senyawa dapat memasuki sel melalui difusi. Dalam proses ini solute melintasi membran yang semipermiabel itu sebagai akibat pergerakan molekuler acak dan tidak berinteraksi secara khusus dengan zat apapun pada membran. Mekanisme lain yang dipakai zat-zat untuk melintasi membran semi permiabel tersebut adalah :

·         Difusi sederhana (Simple diffusion)

Difusi sederhana adalah perpindahan solute atau molekul  yang menggunakan energi dari gradient elektrokimia, untuk dapat memasuki sel melalui membran.

Molekul yang dapat menggunakan difusi sederhana diantaranya : oksigen, karbon dioksida, dan zat kimia yang larut dalam lemak.

·         Difusi dipermudah (facilitated diffusion)

Difusi yang dipermudah merupakan perpindahan molekul atau solute yang menggunakan energi dari garient elektrokimia serta memerlukan chanel atau protein pembawa untuk lintasannya. Molekul yang dapat menggunakan difusi dipermudah diantaranya : glukosa, fruktosa, urea, dan beberapa vitamin.

Pada difusi dipermudah, molekul solute bergabung secara reversible dengan suatu molekul menghantar protein khusus (portir) pada membrane dan kompleks solute, penghantar tersebut bergerak antara pemukaan-permukaan membran sebelah dalam dan luar, melepaskan satu  molekul solute yang baru. Tipe difusi ini selalu memindahkan molekul-molekul solute dari daerah konsentrasi tinggi ke yang lebih rendah.

          Baik difusi sederhana maupun difusi dipermudah tidak membutuhkan energi metabolik, juga tidak menyebabkan konsentrasi ataupun akumulasi solute melawan gradient elektro kimiawi atau osmosis

Gambar : a. osmosis. b. difusi sederhana. c. difusi terfasilitasi

Ketika terjadi transport nutrient melalui difusi terfasilitasi, terjadi mekanisme “ping” dan “pong” pada protein kariernya. Pada formasi “pong” sisi pengikatan nutrient pada protein karier membuka ke arah luar membrane atau menuju gradient elektrokimia tinggi. Pada formasi “ping” posisi pegikatan nutrient pada protein karier membuka ke arah dalam dari membran. Perpindahan antara “ping” dan “pong” terjadi secara acak dan reversible setelah selesai melakukan transport. Karena konsentrasi nutrient di luar membran lebih tinggi, maka banyak nutrient yang terikat pada protein karier formasi pong dari pada ping, sehingga terjadi transport nutrient dari luar sel  ke dalam sel yang disebabkan oleh perbedaan gradient elektrokimia.

 

Gambar : Mekanisme “ping dan pong” pada transport difusi terfasilitasi

 Tidak semua molekul dapat menggunakan difusi atau transport pasif untuk dapat melintasi membran, ada molekul yang tidak dapat melintasi membran dengan transport pasif, maka molekul tersebut harus menggunakan cara transport lain untuk dapat masuk ke dalam membran.

 

Gambar : Beberapa molekul yang dapat masuk ke membran begitu saja dengan transport pasif, dan molekul yang tidak dapat masuk ke membran harus menggunakan transport yang lain.

Dua mekanisme lainnya yang membawa solute melintasi membran yaitu :

1.      Translokasi kelompok

Pada translokasi kelompok, substansi yang akan diangkut harus dimodifikasi secara kimiawi sebelum diangkut kedalam sel oleh penghantar. Proses yang menuju pada modifikasi kimiawi membutuhkan energy metabolik.

  Contoh yang baik mengenai translokasi kelompok ialah pengangkutan senyawa-senyawa gula tertentu. Seperti gluksa, fruktosa, manosa kedalam sel. Dalam proses ini, mula-mula suatu protein yang tahan panas (HPr) diaktivasi dengan cara memindahkan sebuah gugusan fosfat dari senyawa berenergi tinggi fospoenolpiruvat (PEP) pada HPr didalam sel,seperti tampak pada

              Enzim 1

PEP +HPr                         Piruvat + fosfo – HPr

Pada saat yang bersamaan ,gula bergabung dengan  enzim 2 pada permukaan    membrane dan diangkut ke permukaan dalam membrane. Disini lalu bergabung dengan gugusan  fosfat yang dibawa oleh HPr teraktivasi. Gula fosfat tersebut kemudian dilepaskan oleh enzim 2 dan memasuki sel. Reaksi ini dapat disingkat sebagai berikut :

Fosfo-HPr + gula                       gula-fosfat + HPr

(di luar sel)                               (didalam sel)

Reaksi pengangkutan ini hanya mengangkut gula ke dalam sel, karena gulla fosfat didalam sel tidak mempunyai afinitas terhadap penghantar

  HPr dan enzim 1 adalah protein sitoplasmik terlarut. HPr mempunyai berat molekul rendah dan dapat dimurnikan sampai taraf yang tinggi. Enzim 2 terikat pada membrane dan spesifik bagi senyawa-senyawa gula tertentu yang diangkutnya. Enzim tersebut telah dapat dilarutkan dan dimurnikan sebagian Proses-proses translokasi kelompok lainnya yang diketahui mencakup pengambilan adenine dan butirat pada permukaan luar sel dan pengubahannya pada permukaan dalam membrane, masing-masing menjadi adenosinemenofosfat (AMP) dan butiril-KoA.

 

Gambar :

T1 : tempat pengikatan glukosa yang membuka ke bagian luar membran

T2 : tempat pengikatan glukosa yang membuka ke bagian dalam membran

1.      1.     Glukosa terikat pada sisi T1 tanpa ATP

2.      2.    Pengubahan formasi glukosa dari S_out . T1menjadi S_in . T2, karena terjadi lintas membrane

3.      3.    Glukosa dilepaskan ke sitoplasma melalui T2

4.      4.    Transporter kembali ke bentuk semula.

1.      Transport aktif. 

Pada transport aktif, solute diangkut oleh suatu penghantar osmotic atau elektrokimiawi dengan menggunakan energi metabolic. Kecuali dalam hal kebutuhannya akan energi metaboloik untuk melangsungkan pengankutan ini, transport aktif banyak persamaanya dengan difusi dipermudah.  Hampir semua solute termasuk gula, asam amino, peptida, nukleusida dan ion-ion, diambil oleh sel melalui transport aktif, ketiga langkahnya adalah :

1.      Pengikatan solud pada situs penerima pada protein penghantar yang terikat pada membran

2.      Translokasi kompleks solute penghantar melintasi membrane

3.      Penggandengan translokasi pada suatu reaksi penghasil energi untuk mengurangi afinitas penghantar protein terhadap solute pada permukaan dalam membrane sehingga protein penghantar akan melepaskan solute tersebut kedalam sel.

Telah diusulkan beberapa mekanisme untuk menjelaskan dasar molekuler angkutan aktif solut pada mikroorganisme. Bukti-bukti yang ada menyarankan bahwa angkutan aktif juga dapat dijelaskan dengan teori kemiosmotik Mitchell. Dalam hal ini, energi yang dilepaskan selama mengalirnya electron atau lepasnya sebuah gugusan fosfat dari ATP mendorong proton keluar dari sel. Ini membangkitkan perbedaan nilai Ph dan tegangan listrik antara daerah di dalam dan diluar sel atau melintasi membrane. Gradient proton ini menciptakan tenaga yang digerakkan oleh proton (daya protonmotif) yang dapat digunakan untuk memompa solute ke dalam sel. Ketika proton memasuki kembali sel, mungkin dengan cara menginduksi perubahan konfirmasi pada molekul penghantar sehingga afinitasnya terhadap solute berkurang dan solute tersebut dilepaskan ke dalam sel.

 

          Selain transport nutrient dengan cara transport aktif dan pasif yang telah dijelaskan, terdapat beberapa nutrient yang memerlukan cara khusus untuk dapat ditambat dan dimanfaatkan oleh mikroorganisme, diantaranya :

1.      Amonia

        Bakteri yang mampu memanfaatkan ammonia sebagai sumber energi disebut bakteri penitrifikasi. 5 genus bakteri penitrifikasi adalah Nitosoccocus, Nitrosomonas, Nitrosospira, Nitrosolobus,  Nitrosovibio. Semuanya adalah bakteri kemolitoautotrof aerob dan juga mampu mengasimilasi CO₂ dari siklus calvin. Bakteri penitrofikasi biasanya hidup di area perbatasan aerob anaerob ,tempat ammonia biasanya terdifusi didaerah perbatasan tersebut.

        Proses nitrifikasi biasanya melibatkan lebih dari satu mikroba. Misalnya Nitrosomonas mengoksidasi ammonia menjadi nitrit,kemudian dioksidasi menjadi nitrat oleh Nitrobacter .

        Nitrosomonas pertama kali mengoksidasi ammonia nenjadi hidroksiamin dan air dengan bantuan ammonia monooksigenase (AMO) . hidroksiamin dipindah dari sitiplasma ke periplasma .   kemudian dioksidasi oleh hidroksamin oksireduktase (HAO) menjadi nitrit. Pada reaksi itu dihasilkan 4 proton dan 4 elektron .4 elektron ditransfer ke sitikrom C554. Dari 4 elektron ,2 elektron ditransfer ke ubikuinon selanjtnya ditransfer ke AMO dan 2 elektron ditransfer ke sitokrom C552. Selanjutnya 2 elektron dari sitokrom C554 dipindah ke sitoplasma melalui sitokrom aa3 dan diterima oleh oksigen menjadi air. perpindahan electron aa3 dikopling dengan antiport dengan perpindahan proton. Jadi pada reaksi itu sebagian oksigen direduksi menjadi air dan sebagian lagi diinkorporasi dengan ammonia menjadi hidroksiamin. Sitokrom aa3 dapat megkopling electron dengan antoport proton karena sitokrom aa3 mampu memindahkan proton jika ada arus electron yang melewati dirinya.

 

Gambar : oksidasi ammonia oleh Nitrosomonas

 2. Belerang

          Prokariota yang mampu mengoksidasi belerang adalah pengoksidasi sulfur fotosintetik, pengoksidasi sulfur nonfotosintetik (Beggiatoa,Thiothrix,Thiobacillus). Sulfur biasanya sebagai sumber energi dan electron. Sulfur tersebut adalah hydrogen sulfide (H₂S). sulfur (S^o), sulfit (HSO₃) dan tiosulfat (S₂O₃^2-). Semuanya dioksidasi menjadi sulfat.

Bakteri pengoksidasi sulfur biasanya tumbuh pada media rendah oksigen, karena oksidasi sulfur dapat berlangsung cepat, jika oksigen rendah. Prokariota mengoksidasi sulfur biasanya autotrof, tetapi dapat berubah menjadi heterotrof, jika terdapat senyawa karbon organic dalam media.

 

Gambar : Oksidasi thiosulfat oleh Thiobacilus versutus

Di periplasma thiosulfat dioksidasi oleh kompleks multienzim mejadi 2 molekul sulfat dan menghasilkan 8 elektron dan 8 proton. Proton dilepaskan ke periplasma, sedangkan electron ditransfer ke sitokrom C₅₅₂ membran sel. Kemudian, electron ditransfer ke sitokrom oksidase dan akhirnya diterima oleh oksigen dan proton menjadi air (H₂O).

Delapan proton masuk ke sitoplasma melalui ATP sintase sehingga menghasilkan 2,67 ATP. Selanjutnya, proton yang berada di sitoplasma bersama 2 molekul oksigen menerima 8 elektron, sehingga menghasilkan 4 molekul air.

 3. Besi

Beberapa prokariota mampu mengoksidasi ion ferri (Fe²⁺) menjadi ion ferat (Fe³⁺) dengan bantuan oksigen. Oksidasi tersebut berlangsung cepat pada pH netral dan berlangsung lambat pada pH asam.

Thiobacillus frooxidans mampu mengoksidasi Fe²⁺, jika ditumbuhkan pada ferri sulfat (FeSO₄), atau hidup pada lingkungan yang mengandung ferri sulfat. Dua molekul Fe²⁺ dioksidasi menjadi molekul Fe³⁺ dan 2 elektron oleh kompleks enzim ferat yang berada pada membrane luar. Electron ditransfer ke sitokrom C periplasma yang berasosiasi dengan rustianinoksidase dan dipakai untuk mereduksi oksigen menjadi air. Karena terjadi perbedaan potensial (di sitoplasma lebih  negatif) maka timbul gradient konsentrasi elektrokimia. Oleh karena itu perlu dilakukan transport ion K⁺ untuk menjaga pH. Setelah dilakukan pemompaan terhadap ion, maka proton dapat masuk kembali ke sitoplasma melalui kanal ATP sintase yang dapat digunakan untuk sitesis ATP.

 

Gambar : Oksidasi besi oleh Thiobacillus ferooxidans

4. Laktosa

Salah satu mikroorganisme yang dapat memanfaatkan laktosa adalahE.coli. Transport laktosa ke dalam sel E.coli didahului dengan transport H⁺ melintasi membrane dengan cara difusi sederhana (primary transport) ke dalam sel, untuk mengoksidasi berbagai nutrient, disebabhan oleh adanya gradient proton dan perbedaan potensial listrik (di dalam sel lebih negatif). Kemudian transport aktif laktosa ke dalam sel melibatkan symport dari H+ dan laktosa pada transporter laktosa. Pengambilan laktosa melawan gradient konsentrasi, semuanya tergantung pada pemasukan H+, yang menyebabkan terjadinya gradient elektrokimia.

  

NUTRISI MIKROBA

A.    Tujuan :

1.      Mengetahui jenis-jenis mikronutrien dan perannya bagi sel bakteri

2.      Mengetahui jenis-jenis makroonutrien dan perannya bagi sel bakteri

3.      Mengetahui mekanisme transport nutrien ke dalam sel bakteri yang meliputi transport pasif, transport aktif, difusi terfasilitasi, transport zat besi, dan translokasi gugus.

4.      Mengetahui perolehan energi sel pada mikroba aerob, an aerob, fotosintetik (aerob dan anaerob), dan mikroba fakultatif.

B.     Pembahasan

1. Nutrisi

Mikroba memerlukan nutrisi untuk memenuhi kebutuhan energi dan untuk bahan pembangun sel, untuk sintesa protoplasma dan bagian-bagian sel lain. Setiap mikroba mempunyai sifat fisiologi tertentu, sehingga memerlukan nutrisi tertentu pula.

Nutrisi merupakan aspek yang menyangkut fisiologi yang  disepakati sebagai suplai monomer (bahan dasar monomer) yang dibutuhkan sel untuk tumbuh. Substansi yang diperlukan untuk tumbuh ini disebut nutrien. Organisme berbeda mempunyai kebutuhan nutrien yang berbeda pula, serta beda organisme berbeda kebutuhan nutriennya dan jumlah kebutuhannya.

2. Mikronutrien

Adalah nuttrien yang dibutuhkan dalam jumlah sedikit. Contohnya adalah  Mangan, seng, kobalt, molibdenum, nikel, Boron, Chromium, Besi, Manganase, Selenium, Vanabdium, Zink, dan tembaga. Nutrien ini tersedia di alam bersama sumber nutrisi makro. Mikronutrien berperan sebagai kofaktor dan bagian enzim.

Elemen	Fungsi
Boron (B)	Antibiotik poliketid
Chromium (Cr)
Cobalt (Co)	Vitamin B12, transkarboksilase
Copper (Cu)	Respirasi, sitokrom C oksidase, fotosintesis,dll
Besi (Fe)	Sitokrom, katalase, peroksidase, protein Fe-S, oksigenase.
Manganase (Mn)	Aktivator kebanyakan enzim.
Molibdenium (Mo)	Nitrogenase, nitrat reduktase, sulfid oksidase, dll.
Nikel (Ni)	Urease, hidrogenase, koenzim metanogen.
Selenium (Se)	Format dehidrogenase, hidrogenase
Vanadium (V)	Vanadium nitrogenase, bromoperoksidase
Zinc (Zn)	Alkohol dehidrogenase, RNA dan DNA polimerase.

       

3. Makronutrien

merupakan nutirn yang dibutuhkan dalam jumlah besar. komponen utama sel meliputi karbon, oksigen, nitrogen, fosfor, sulfur, kalium, kalsium, magnesium, dan besi. C, H, O, N, S dan P ada dalam bentuk karbohidrat, protein, lipid dan asam nukleat K dibutuhkan untuk aktivitas enzim, sintesis protein. Ca berfungsi dalam resistensi endospora bakteri terhadap panas Mg kofaktor pada banyak enzim, kompleks dg ATP, stabilitas ribosom dan membran sel. Fe bagian dari sitokrom dan kofaktor untuk enzim.

Berikut tabel elemen makronutrien dan fungsinya.

Elemen	Fungsi Fisiologi	Berat Kering
Hidrogen (H)	Penyusun senyawa organik dan air	8
Oksigen (O)	Penyusun senyawa organik dan air	20
Carbon (C)	Penyusun senyawa organik	50
Nitrogen (N)	Penyusun protein, asam nukleat, dan koenzim	14
Sulfur (S)	Penyusun protein dan beberapa koenzim, sintesis asam amino (Sistein, methionin), komponen vitamin (Thiamin, Biotin, asam lipoat.	1
Phosphor (P)	Penyusun asam nukleat, fosfolipid, dan koenzim	3
Magnesium (Mg)	Kofaktor sejumlah reaksi enzim (ATP), stabilisasi (membran, ribosom, asam nukleat, aktivitas enzim)	0,5
Mn	Kofaktor beberapa enzim	0,1
Kalsium (K)	Kofaktor enzim (protease), pompa Na	0,5
Zat besi (Fe)	Kofaktor beberapa enzim, komponen sitokrom (Pada sistem respirasi)
Potasium	Dalam sintesis Protein (semua organisme)
Sodium (Na)	Pertumbuhan (Bakteri halofilik)

4.      Transport Nutrien

Untuk dapat memenuhi kebutuhan nutrisinya, mikroorganisme melakukan transport nutrient dari lingkungan. Transport ini dapat dilakukan dengan cara transport aktif dan transport pasif. Transport pasif merupakan proses transport yang tidak menggunakan energi dari sel, energi  untuk transport ini didapat dari energi yang terjadi dari gradient elektrokimia. Yang termasuk transport pasif diantaranya difusi sederhana, difusi terfasilitasi, dan osmosis. Transport aktif merupakan transport yang memerlukan energy dari ATP untuk memindahkan nutrient atau substansi dari sisi yang berlawanan.

Pada transport sederhana, air diangkut dengan cara osmosis. Osmosis merupakan perpindahan zat pelarut dari gradient tinggi ke gradient yang lebih rendah melalui membrane semi permeable.

Kecuali air, beberapa jenis senyawa dapat memasuki sel melalui difusi. Dalam proses ini solute melintasi membran yang semipermiabel itu sebagai akibat pergerakan molekuler acak dan tidak berinteraksi secara khusus dengan zat apapun pada membran. Mekanisme lain yang dipakai zat-zat untuk melintasi membran semi permiabel tersebut adalah :

·         Difusi sederhana (Simple diffusion)

Difusi sederhana adalah perpindahan solute atau molekul  yang menggunakan energi dari gradient elektrokimia, untuk dapat memasuki sel melalui membran.

Molekul yang dapat menggunakan difusi sederhana diantaranya : oksigen, karbon dioksida, dan zat kimia yang larut dalam lemak.

·         Difusi dipermudah (facilitated diffusion)

Difusi yang dipermudah merupakan perpindahan molekul atau solute yang menggunakan energi dari garient elektrokimia serta memerlukan chanel atau protein pembawa untuk lintasannya. Molekul yang dapat menggunakan difusi dipermudah diantaranya : glukosa, fruktosa, urea, dan beberapa vitamin.

Pada difusi dipermudah, molekul solute bergabung secara reversible dengan suatu molekul menghantar protein khusus (portir) pada membrane dan kompleks solute, penghantar tersebut bergerak antara pemukaan-permukaan membran sebelah dalam dan luar, melepaskan satu  molekul solute yang baru. Tipe difusi ini selalu memindahkan molekul-molekul solute dari daerah konsentrasi tinggi ke yang lebih rendah.

          Baik difusi sederhana maupun difusi dipermudah tidak membutuhkan energi metabolik, juga tidak menyebabkan konsentrasi ataupun akumulasi solute melawan gradient elektro kimiawi atau osmosis

Gambar : a. osmosis. b. difusi sederhana. c. difusi terfasilitasi

Ketika terjadi transport nutrient melalui difusi terfasilitasi, terjadi mekanisme “ping” dan “pong” pada protein kariernya. Pada formasi “pong” sisi pengikatan nutrient pada protein karier membuka ke arah luar membrane atau menuju gradient elektrokimia tinggi. Pada formasi “ping” posisi pegikatan nutrient pada protein karier membuka ke arah dalam dari membran. Perpindahan antara “ping” dan “pong” terjadi secara acak dan reversible setelah selesai melakukan transport. Karena konsentrasi nutrient di luar membran lebih tinggi, maka banyak nutrient yang terikat pada protein karier formasi pong dari pada ping, sehingga terjadi transport nutrient dari luar sel  ke dalam sel yang disebabkan oleh perbedaan gradient elektrokimia.

 

Gambar : Mekanisme “ping dan pong” pada transport difusi terfasilitasi

 Tidak semua molekul dapat menggunakan difusi atau transport pasif untuk dapat melintasi membran, ada molekul yang tidak dapat melintasi membran dengan transport pasif, maka molekul tersebut harus menggunakan cara transport lain untuk dapat masuk ke dalam membran.

 

Gambar : Beberapa molekul yang dapat masuk ke membran begitu saja dengan transport pasif, dan molekul yang tidak dapat masuk ke membran harus menggunakan transport yang lain.

Dua mekanisme lainnya yang membawa solute melintasi membran yaitu :

1.      Translokasi kelompok

Pada translokasi kelompok, substansi yang akan diangkut harus dimodifikasi secara kimiawi sebelum diangkut kedalam sel oleh penghantar. Proses yang menuju pada modifikasi kimiawi membutuhkan energy metabolik.

  Contoh yang baik mengenai translokasi kelompok ialah pengangkutan senyawa-senyawa gula tertentu. Seperti gluksa, fruktosa, manosa kedalam sel. Dalam proses ini, mula-mula suatu protein yang tahan panas (HPr) diaktivasi dengan cara memindahkan sebuah gugusan fosfat dari senyawa berenergi tinggi fospoenolpiruvat (PEP) pada HPr didalam sel,seperti tampak pada

              Enzim 1

PEP +HPr                         Piruvat + fosfo – HPr

Pada saat yang bersamaan ,gula bergabung dengan  enzim 2 pada permukaan    membrane dan diangkut ke permukaan dalam membrane. Disini lalu bergabung dengan gugusan  fosfat yang dibawa oleh HPr teraktivasi. Gula fosfat tersebut kemudian dilepaskan oleh enzim 2 dan memasuki sel. Reaksi ini dapat disingkat sebagai berikut :

Fosfo-HPr + gula                       gula-fosfat + HPr

(di luar sel)                               (didalam sel)

Reaksi pengangkutan ini hanya mengangkut gula ke dalam sel, karena gulla fosfat didalam sel tidak mempunyai afinitas terhadap penghantar

  HPr dan enzim 1 adalah protein sitoplasmik terlarut. HPr mempunyai berat molekul rendah dan dapat dimurnikan sampai taraf yang tinggi. Enzim 2 terikat pada membrane dan spesifik bagi senyawa-senyawa gula tertentu yang diangkutnya. Enzim tersebut telah dapat dilarutkan dan dimurnikan sebagian Proses-proses translokasi kelompok lainnya yang diketahui mencakup pengambilan adenine dan butirat pada permukaan luar sel dan pengubahannya pada permukaan dalam membrane, masing-masing menjadi adenosinemenofosfat (AMP) dan butiril-KoA.

 

Gambar :

T1 : tempat pengikatan glukosa yang membuka ke bagian luar membran

T2 : tempat pengikatan glukosa yang membuka ke bagian dalam membran

1.      1.     Glukosa terikat pada sisi T1 tanpa ATP

2.      2.    Pengubahan formasi glukosa dari S_out . T1menjadi S_in . T2, karena terjadi lintas membrane

3.      3.    Glukosa dilepaskan ke sitoplasma melalui T2

4.      4.    Transporter kembali ke bentuk semula.

1.      Transport aktif. 

Pada transport aktif, solute diangkut oleh suatu penghantar osmotic atau elektrokimiawi dengan menggunakan energi metabolic. Kecuali dalam hal kebutuhannya akan energi metaboloik untuk melangsungkan pengankutan ini, transport aktif banyak persamaanya dengan difusi dipermudah.  Hampir semua solute termasuk gula, asam amino, peptida, nukleusida dan ion-ion, diambil oleh sel melalui transport aktif, ketiga langkahnya adalah :

1.      Pengikatan solud pada situs penerima pada protein penghantar yang terikat pada membran

2.      Translokasi kompleks solute penghantar melintasi membrane

3.      Penggandengan translokasi pada suatu reaksi penghasil energi untuk mengurangi afinitas penghantar protein terhadap solute pada permukaan dalam membrane sehingga protein penghantar akan melepaskan solute tersebut kedalam sel.

Telah diusulkan beberapa mekanisme untuk menjelaskan dasar molekuler angkutan aktif solut pada mikroorganisme. Bukti-bukti yang ada menyarankan bahwa angkutan aktif juga dapat dijelaskan dengan teori kemiosmotik Mitchell. Dalam hal ini, energi yang dilepaskan selama mengalirnya electron atau lepasnya sebuah gugusan fosfat dari ATP mendorong proton keluar dari sel. Ini membangkitkan perbedaan nilai Ph dan tegangan listrik antara daerah di dalam dan diluar sel atau melintasi membrane. Gradient proton ini menciptakan tenaga yang digerakkan oleh proton (daya protonmotif) yang dapat digunakan untuk memompa solute ke dalam sel. Ketika proton memasuki kembali sel, mungkin dengan cara menginduksi perubahan konfirmasi pada molekul penghantar sehingga afinitasnya terhadap solute berkurang dan solute tersebut dilepaskan ke dalam sel.

 

          Selain transport nutrient dengan cara transport aktif dan pasif yang telah dijelaskan, terdapat beberapa nutrient yang memerlukan cara khusus untuk dapat ditambat dan dimanfaatkan oleh mikroorganisme, diantaranya :

1.      Amonia

        Bakteri yang mampu memanfaatkan ammonia sebagai sumber energi disebut bakteri penitrifikasi. 5 genus bakteri penitrifikasi adalah Nitosoccocus, Nitrosomonas, Nitrosospira, Nitrosolobus,  Nitrosovibio. Semuanya adalah bakteri kemolitoautotrof aerob dan juga mampu mengasimilasi CO₂ dari siklus calvin. Bakteri penitrofikasi biasanya hidup di area perbatasan aerob anaerob ,tempat ammonia biasanya terdifusi didaerah perbatasan tersebut.

        Proses nitrifikasi biasanya melibatkan lebih dari satu mikroba. Misalnya Nitrosomonas mengoksidasi ammonia menjadi nitrit,kemudian dioksidasi menjadi nitrat oleh Nitrobacter .

        Nitrosomonas pertama kali mengoksidasi ammonia nenjadi hidroksiamin dan air dengan bantuan ammonia monooksigenase (AMO) . hidroksiamin dipindah dari sitiplasma ke periplasma .   kemudian dioksidasi oleh hidroksamin oksireduktase (HAO) menjadi nitrit. Pada reaksi itu dihasilkan 4 proton dan 4 elektron .4 elektron ditransfer ke sitikrom C554. Dari 4 elektron ,2 elektron ditransfer ke ubikuinon selanjtnya ditransfer ke AMO dan 2 elektron ditransfer ke sitokrom C552. Selanjutnya 2 elektron dari sitokrom C554 dipindah ke sitoplasma melalui sitokrom aa3 dan diterima oleh oksigen menjadi air. perpindahan electron aa3 dikopling dengan antiport dengan perpindahan proton. Jadi pada reaksi itu sebagian oksigen direduksi menjadi air dan sebagian lagi diinkorporasi dengan ammonia menjadi hidroksiamin. Sitokrom aa3 dapat megkopling electron dengan antoport proton karena sitokrom aa3 mampu memindahkan proton jika ada arus electron yang melewati dirinya.

 

Gambar : oksidasi ammonia oleh Nitrosomonas

 2. Belerang

          Prokariota yang mampu mengoksidasi belerang adalah pengoksidasi sulfur fotosintetik, pengoksidasi sulfur nonfotosintetik (Beggiatoa,Thiothrix,Thiobacillus). Sulfur biasanya sebagai sumber energi dan electron. Sulfur tersebut adalah hydrogen sulfide (H₂S). sulfur (S^o), sulfit (HSO₃) dan tiosulfat (S₂O₃^2-). Semuanya dioksidasi menjadi sulfat.

Bakteri pengoksidasi sulfur biasanya tumbuh pada media rendah oksigen, karena oksidasi sulfur dapat berlangsung cepat, jika oksigen rendah. Prokariota mengoksidasi sulfur biasanya autotrof, tetapi dapat berubah menjadi heterotrof, jika terdapat senyawa karbon organic dalam media.

 

Gambar : Oksidasi thiosulfat oleh Thiobacilus versutus

Di periplasma thiosulfat dioksidasi oleh kompleks multienzim mejadi 2 molekul sulfat dan menghasilkan 8 elektron dan 8 proton. Proton dilepaskan ke periplasma, sedangkan electron ditransfer ke sitokrom C₅₅₂ membran sel. Kemudian, electron ditransfer ke sitokrom oksidase dan akhirnya diterima oleh oksigen dan proton menjadi air (H₂O).

Delapan proton masuk ke sitoplasma melalui ATP sintase sehingga menghasilkan 2,67 ATP. Selanjutnya, proton yang berada di sitoplasma bersama 2 molekul oksigen menerima 8 elektron, sehingga menghasilkan 4 molekul air.

 3. Besi

Beberapa prokariota mampu mengoksidasi ion ferri (Fe²⁺) menjadi ion ferat (Fe³⁺) dengan bantuan oksigen. Oksidasi tersebut berlangsung cepat pada pH netral dan berlangsung lambat pada pH asam.

Thiobacillus frooxidans mampu mengoksidasi Fe²⁺, jika ditumbuhkan pada ferri sulfat (FeSO₄), atau hidup pada lingkungan yang mengandung ferri sulfat. Dua molekul Fe²⁺ dioksidasi menjadi molekul Fe³⁺ dan 2 elektron oleh kompleks enzim ferat yang berada pada membrane luar. Electron ditransfer ke sitokrom C periplasma yang berasosiasi dengan rustianinoksidase dan dipakai untuk mereduksi oksigen menjadi air. Karena terjadi perbedaan potensial (di sitoplasma lebih  negatif) maka timbul gradient konsentrasi elektrokimia. Oleh karena itu perlu dilakukan transport ion K⁺ untuk menjaga pH. Setelah dilakukan pemompaan terhadap ion, maka proton dapat masuk kembali ke sitoplasma melalui kanal ATP sintase yang dapat digunakan untuk sitesis ATP.

 

Gambar : Oksidasi besi oleh Thiobacillus ferooxidans

4. Laktosa

Salah satu mikroorganisme yang dapat memanfaatkan laktosa adalahE.coli. Transport laktosa ke dalam sel E.coli didahului dengan transport H⁺ melintasi membrane dengan cara difusi sederhana (primary transport) ke dalam sel, untuk mengoksidasi berbagai nutrient, disebabhan oleh adanya gradient proton dan perbedaan potensial listrik (di dalam sel lebih negatif). Kemudian transport aktif laktosa ke dalam sel melibatkan symport dari H+ dan laktosa pada transporter laktosa. Pengambilan laktosa melawan gradient konsentrasi, semuanya tergantung pada pemasukan H+, yang menyebabkan terjadinya gradient elektrokimia.