2.bakteri

The Microbial World

Bacterial Cell Structure and

Function

[email protected]

d

PROKARYOTES VS. EUKARYOTES

Cell Structure: Prokaryotic EukaryoticOrganization Unicellular Unicellular/

MulticellularCell Membrane: transport, motility, transport

oxidative phosphorylation,DNA replication

Endocytosis/Exocytosis - +Intracellular Membranes: - +

Nucleus, Golgi,Mitochondria,Endoplasmic Reticulum

Cytoskeletal:Microfilaments - +Microtubules - +

Cell wall Peptidoglycan -Genetics:

Chromosomes 1 >1Topology Circular LinearSegregation Cell membrane Mitotic spindle

Transcription/ coupled in Transcription - nucleusTranslation cytoplasm Translation - cytoplasm

mRNA capping, - +poly-A

Introns (-) +Cistron structure Polycistronic Monocistronic

Ribosome 70S (50S + 30S) 80S (60S + 40S)

Genetic Transformation, Meiosis, Zygote fusionExchange Transduction,

Conjugation

Komponen utama sel bakteri

• kromosom• Ribosom• Protein-2

sitoplasma • Membran

sitoplasma• Dinding sel• Kapsul or

lapisan luar

• Komponen bakteri merupakan makromolekul

, DNA adalah makromolekul yang terdiri dari basa nukleotida

proteins terdiri dari asam amino

Enterococcus faecalis

Macromolecule Primary subunit Where found in cells

DNA/RNA Nucleotides DNA- chromosome and plasmids; RNA- ribosomes and cytoplasm

Protein Amino acids flagella, fimbriae, membranes, cytoplasm

Polysaccharides Sugars (carbohydrates)

capsules, cell walls, storage

Phospholipids Fatty acids membranes

The macromolecules that make up cell material

Size of bacteria: a typical bacterial cell is about 1 micrometer (1/1,000,000 of a meter) in diameter

The bacterium Staphylococcus mixed with red blood cells. Staph cells are 1 micrometer in diameter; RBC’s are 10 micrometers in diameter.

Bacterial Shapes:coccus (cocci): spherical

Staphylococcus aureus“coccus” means berry or grape; “staphylococcus” refers to grape-like clusters of cells

Bacterial Shapes:coccus (cocci) spherical

Streptococcus pyogenes“streptococcus” refers to cocci in chains

Bacterial Shapes:Bacillus (bacilli): rod-shaped

Bacillus anthracis “bacillus” means stick or rod

Vibrio choleraeVibrios are comma-shaped

Bacterial Shapes:curved rods and spirals

Rhodospirillum rubrumSpirilla are spiral-shaped

Treponema pallidum, the agent of syphilisSpirochetes are also spiral-shaped

1um

Schematic Drawing of a typical bacterial cell

Anatomi Bakteri

I. Organ tambahan: Flagellum, PilusII. Cell Envelope: Capsule, Cell wall, Cytoplasmic membraneIII. Cytoplasm: Chromosome, Plasmid, Ribosomes, Inclusions

Flagel• Merupakan alat gerak bakteri. Umumnya flagel

dipunyai oleh bakteri yang berbentuk lengkung dan sebagian bakteri yang berbentuk batang.

• Ukurannya sangat kecil, lebar 0,02 – 0,1 µm, dan panjangnya biasanya melebihi panjang sel.

• Terdiri dari protein elastik flagelin.

• Berasal dari membran sel bukan dari dinding sel

Organ tambahan

Organ tambahan

Berdasarkan letak dan jumlah flagelnya, bakteri dapat dibagi menjadi 5 golongan :

• Atrik, bakteri yang tidak mempunyai flagela

• Monotrik, bakteri dengan satu flagel tunggal di bagian polar bakteri

• Lopotrik, bakteri dengan lebih dari satu flagel di satu bagian polar bakteri

• Amfitrik, bakteri dengan satu flagel tunggal atau lebih di kedua polar bakteri

• Peritrik, bakteri dengan flagel tersebar merata di sekeliling sel bakteri

Organ tambahan

Salmonella enterica, like most enteric bacteria, is capable of swimming movement by means of flagella.

Flagella

Flagella are long whiplike filaments composed of protein that originate in the cell membrane.

Flagella rotate and impart swimming movement on the cells

Proteus mirabilis swims by means of peritrichous flagella

Vibrio cholerae has a single polar flagellum

Flagella are for swimming movement

Peritrichous flagella are distributed all over the cell surface

Polar flagella originate at the pole of a cell

Ecological Advantages to Swimming

1. Survival menghindar predator protozoa dan fagositosis dari sel darah putih--leukosit

2. Dapat bergerak kearah nutrisi yang dibutuhkan dan menghindar dari susbtansi yang berbahaya (chemotaxis)

3. Bergerak ke arah O2 atau sebaliknya (aerotaxis)

4. Bergerak menuju cahaya (phototaxis)

5. Bergerak kearah kutub utara atau selatan (magnetotaxis)

Pili

• Merupakan benang halus yang menonjol keluar dari dinding sel, umumnya pada bakteri gram negatif

• Garis tengah pili antara 30A - 85A, panjangnya 0,5 – 20 µm

• Tersusun peritrik dan berpangkal pada protoplas• Mengandung protein pilin, heteropolimer yang

terdiri dari 18 asam amino, bersifat antigenik• Berfungsi untuk melekatkan satu sel dengan sel lain

dan berperan dalam proses konjugasi (pili sex) yang membantu transfer materi genetik antar sel

Organ tambahan

Organ tambahan

Functions of Pili and Fimbriae

• Attachment to a surface or substrate

Shigella dysenteriae uses its fimbriae to attach to the intestineand then produces a toxin that causes diarrhea.

Neissera gonorrhoeae, the cause of the STD gonorrhea, uses pili to attach to the urogenital and cervical epithelium when it causes disease

Functions of Pili and Fimbriae

• A special type of pilus called the sex pilus is used in mating between bacteria

E. coli uses its sex pilus (called the F-pilus) to transfer DNA between mating bacteria during congugation.

• Capsules - for adherence, resistance to engulfment, storage

• Cell wall - protection against lysis or rupture of the cell

• Cytoplasmic membrane - transport of nutrients, energy generation, ATP production, special functions

Envelope cell

Capsule (slime layer), K antigen • Bakteri gram-positive and gram-negative dapat membuat

kapsul• polysaccharide

(exception: Bacillus anthracis (anthrax) poly-glutamate)

• virulence – memghambat fagositosis

• glycocalyx – polisakarida ektrasel; biofilm technically not a capsule

Capsules• Terdiri dari polisakarida yang tersimpan diluar

dinding sel (occasionally polypeptides)

Dengan teknik pewarnaan kapsul dapat diluhat senagai daerah halo yang mengelilingi sel bakteri

Bacterial cell

Capsular material

Types of Capsules• True capsules—kapsul sejati kapsul yang menutupi sel

ataupun sekelompol sel -- dapat dilihat dengan mikroskop

Negative stain of Streptococcus pneumoniae outlining its notorious polysaccharide capsule

Usually, if a bacterium forms a capsule, it will grow on certain media with a gummy or mucoidtype of colony, such as these colonies of Bacillus anthracis.

Types of Capsules• Microcapsules, or glycocalyx, are molekul karbohidrat yang

menutupi sel dan tidak dapat dilihat dengan mikroskop cahaya.

The hyaluronic acid capsue of Streptoccus pyogenes is a microcapsule

Types of Capsules A slime layer or biofilm is suatu matriks polisakarida yang

mengandung satu atau lebih jenis bakteri

Various bacteria growing in a slime layer or biofilm

Functions of Capsules

• Protection against phagotrophic engulfment

• Mediate adherence to surfaces

• Protection against drying

• Reserve of nutrients

• Biofilms for protection against antimicrobial agents and effects

Functions of Capsules

• Protection against phagotrophic engulfment

Three bacteria that use capsules to protect themselves from attack by phagocytesduring infections. L to R. Streptococcus pneumoniae - pneumonia; Bacillus anthracis - anthrax; Streptococcus pyogenes - strep throat.

Functions of Capsules

• Mediate adherence to surfaces

Oral streptococci use their capsular slime to adhere to the the surfaces of the teeth and gums.

Functions of Capsules

• Protection against drying

Old cells of Azotobacter, a soil bacterium, form thick-walled, optically refractile cysts, which have capsules consisting largely of alginates and other polysaccharides, enhancing their

resistance to heat, desiccation and adverse environmental conditions.

Functions of Capsules

• Reserve of nutrients

Colonies of oral streptococci growing on mitis-salivarius agar. The medium contains 5% sucrose. Streptococcus salivarius (left) stores excess sugar as “levan” polymer; Streptococcus mutans (right) stores the carbohydrate as a dextran polymer. The polysaccharide polymers give the colonies there glistening, sugary appearance.

Functions of Capsules

Biofilms for protection against antimicrobial agents and effects

Biofilm development. After the bacteria form the biofilm, they are protected from antibiotics, detergents, disinfectants, antibodies, white blood cells etc. which cannot penetrate the slime.

dinding sel – struktur yang mengelilingi membran sel- fungsi – mencegah lisis, melindungi sel dari tekanan

eksternal, meningkatkan virulensi, sebagai target antibiotika- dapat dilihat dengan teknik pewarnaan Gram dan

pewarnaan tahan asami. gram-positive (blue)ii. gram-negative (pink)iii. acid fast (red on blue)iv. wall-less (can’t stain)

DINDING SEL

Escherichia coli -- kokobasil Gram negatif

Staphilococcus aureus -- kokus Gram positif

Mycobacterium tuberculose -- basil tahan asam

Struktur Gram-positive

• Dinding sel peptidoglycan tebal (40+ lapisan )• Resisten terhadap lisis tetapi masih dapat diopsonisasi• teichoic acids and lipoteichoic acids (polymer of ribitol or

glycerol – phosphates, antigenic classification• Protein dan carbohydrates (e.g., M protein fibrillar layer and

Group A carbohydrate capsule of Streptococcus pyogenes contribute to virulence).

DINDING SEL

Struktur Gram-negative

• the outer membrane - dwilapis lipid• periplasmic space diantara sitoplasma dan outer membrane• single layer of peptidoglycan dalam periplasmic space• porins) enable diffusion across outer membrane• lipopolysaccharide (LPS), important in pathogenesis

DINDING SEL

Struktur Tahan asam--Acid fast structure - (Mycobacteria)

• Mirip dengan bakteri gram positif

• Dinding sel terdiri dari fatty acids and waxes contribute to virulence

• Komponen hydrophobic sukar diwarnai, tetapi sekali terwarnai akan bertahan (resistant to acid decolorization)

• mycolic acid, Wax D, cord factor, arabinogalactans, and sulfolipids (mycobacterial virulence factors)

DINDING SEL

Peptidoglycan = murein layer

1. Hanya ada pada prokaryotes

2. komposisi struktur murein—asam muramat dengan rantai peptida- N-acetyl glucosamine - N-acetyl muramic acid- pentapeptide with L and D amino acids

3. synthesis - Dibuat dalam cytoplasm - transport melalui membran sitoplasma

Lipopolysaccharide (LPS) – Endotoxin

Bagian terpenting dari bakteri gram-negatif - lipid A

i. Tertanam pada membran = endotoxin activityii. unique C14 fatty acid - β-hydroxy myristic acid,

- oligosaccharide

- O antigeni. may be present or not, depending on speciesii. repeating units of 3 to 4 sugarsiii. smooth with O antigen; rough without (ending at core)

Perwarnaan Gram

Berdasarkan reaksi pewarnaan Gram, Bakteri dapat ditentukan menjadi satu atau dua grup utama:

1. Bakteri Gram positif2. Bakteri Gram negatif

DINDING SEL

Faktor yang mempengaruhi reaksi pewarnaan Gram adalah:

1.Perbedaan struktur dan komposisi dinding sel.

2.Perbedaan ultrastruktur bakteri bertanggung jawab terhadap reaksi (- atau +).

Pewarnaan Gram

Pewarna dan urutan penggunaan

Karakteristik

Bakteri Gram Positif Bakteri Gram Negatif

1. Kristal Ungu. Sel berwarna ungu Sel berwarna ungu

2. Larutan Yodium Kompleks kristal ungu dan yodium terbentuk didalam sel ; sel tetap berwarna ungu

Kompleks kristal ungu dan yodium terbentuk didalam sel ; sel tetap berwarna ungu

3. Alkohol Dinding sel mengalami dehidrasi pori-pori menciut; daya resap dinding sel dan membrane menurun, kompleks kristal ungu dan yodium tidak dapat keluar dari sel; sel tetap ungu

Lipid terekstraksi dari dinding sel, pori-pori menggembung, kompleks kristal ungu dan yodium keluar dari sel; sel menjadi tidak berwarna

4. Safranin Sel tidak terpengaruh; warna tetap ungu

Sel menyerap safranin menjadi merah

In Gram-positive bacteria, the purple crystal violet stain is trapped by the layer of peptidoglycan which forms the outer layer of the cell.In Gram-negative bacteria, the outer membrane prevents the stain from reaching the peptidoglycan layer in the periplasm. The outer membrane is then permeabilized by acetone treatment, and the pink safranin counterstain is trapped by the peptidoglycan layer.

L form (L-phase, L-phase variant)

•L-forms bakteri tanpa dinding sel bakteri sferoplast dan protoplast

•Spheroplasts bakteri yang kehilangan sebagian dinding selnya ( umumnya bakteri Gram negatif)

•protoplasts bakteri yang kehilangan dinding selnya (umumnya bakteri Gram positif)

DINDING SEL

Pembentukan L-forms dapat terjadi secara • spontan pada fase pertumbuhan tertentu• artifisial merusak dinding sel dengan enzim,

heat-shock ataupun media khusus untuk menginduksi pembentukan L-forms)

• Bacterial genera from which L-forms have been derived include: Agrobacterium, Bacillus, Bacteroides, Bordetella, Brucella, Clostridium, Corynebacterium, Erysipelothrix, Escherichia, Haemophilus, Listeria, Neisseria, Proteus, Pseudomonas, Salmonella, Serratia, Shigella, Staphylococcus, Streptobacillus, Streptococcus, and Vibrio.

Membran Sitoplasma

1. mirip dengan struktur membran plasma eukariot dan membran mitokondria

2. sedikit digunakan untuk target for antibiotics

3. carries out many functions a. transport: facilitated diffusion, active transport,

group translocation (phosphotransferase – carbos)b. electron transport and oxidative phosphorylationc. energy productiond. motilitye. replication

Cytoplasmic Constituents: • Chromosome and plasmid - DNA-

genetic control center • Ribosomes - sites of protein synthesis• Inclusions - storage centers• Cytoplasm - water containing nutrients,

precursors, intermediates and enzymes

SITOPLASMA

Asam nukleat

1. Single, circular structure (haploid genome)

2. lebih kecil dari eukaryotic chromosomes, mengkode sekitar 3,500 genes

3. tidak dikelilingi nuclear membrane. Transcription in cytoplasm with translation

4. Supercoiling - DNA gyrase involved in DNA replication

Nalidixic acid and other quinolones inhibit gyrase and DNA replicationMetronidazole - binds to DNA after metabolism by anaerobes, inhibiting DNA replication

Plasmids - Non-chromosomal DNAa. Umumnya sirkularb. Dapat dipindahkan diantara sel oleh genetic exchange (conjugation)c. some encode virulence properties, antibiotic resistance

Ribosomes - similar but different

1. 70S ribosomes composed of 50S and 30S subunits

2. co-transcription-translation

3. target of many useful antimicrobials:aminoglycosides, tetracyclines,

chloramphenicol, macrolides - erythromycin

bakteri

Bakteri anaerob Bakteri aerob

Bakteri anaerob Gram negatif

Bakteri anaerobGram positif

Gram positif Gram negatif

bacilli

coccus

coccus

enterik

Gram (-) pleomorf

Basil miscelaneus

Non fermenter

TaksonomiKlasifikasi, nomenklatur, identifikasi laboratorium

GRAM

Positif

Negatif

Batang

Kokus

Peptostrep-tococcus Peptococcus

Batang

Bacteroides FusobacteriumPrevotella Porphyromonas

Kokus

Veillonella

Spora (+)

Clostridium

Spora (-)

Lactobacillus Bifidobacterium PropionibacteriumActinomyces

bakteri anaerob

backback

II. Bakteri Gram-positif

1. Aerobic cocci

Bakteri Gram-positif cocci dikelompokkan berdasarkan reaksi pewarnaan Gram, komposisi ketebalan dinding sel dan bentuk spherik.

Sebagian besar bakteri adalah anggota famili Micrococcaceae yang non-endospore membentuk chemosynthetic heterotrophs.

Contoh: Micrococcus dan Staphylococcus

back

2. Aerobic bacilli

Bakteri Gram-positive bacilli dibagi ke dalam tiga varietas berdasarkan kemampuan bakteri menghasilkan endospores dan morfologi:

• Endospore forming: Bacillus

• Regular, non-endospore-forming: Listeria, Erysipelothrix

• Irregular, non-endospore-forming: Corynebacterium

Bakteri ini terdapat di mana-mana di alam dan sebagian besar bersifat aerob atau fakultatif anaerob. backback

III. Bakteri Gram-negatif

1. Aerobic cocci Bakteri dapat tumbuh pada atmosfir yang mengandung

oksigen 21%.

2. Enteric bacteria Merupakan famili Enterobacteriaceae, sebagian besar bakteri bersifat patogen dan dimasukkan sebagai organisme mikrobiologi klinik. Bakteri Gram-negatif rod sering dihubungkan dengan infeksi intestinal, tetapi dapat ditemukan habitatnya di alam.

Bakteri ini menyebabkan penyakit seperti meningitis, bacillary dysentery, typhoid, dan keracunan makanan.

Dalam banyak kasus, patogenitas enteric bacterium dapat ditentukan oleh kemampuan metobolisme laktosa. Contoh: Escherichia coli, Shigella, Salmonella, Citrobacter edwardsiella, Klebsiella, Enterobacter

3. Gram (-) Pleomorphic bacteria Contoh: Haemophilus, Bordetella, Brucella,

Pasteurella, Legionella

4. Miscellaneous Gram (-) bacilli (rod) Contoh: Vibrio, Campylobacter, Helicobacter

5. Non-fermenter Diklasifikasikan sebagai nonfermenters karena

cara metabolsme glukosa dan karbohidrat lain. Contoh: Pseudomonas, Acinobacter.

• Gambar dan jelaskan perbedaan sel eukariot dan prokariot

• Jelaskan perbedaan struktur dinding sel bakteri gram negatif dan gram positif

• Sebutkan contoh bakteri gram negatif anaerobGram positif anaerobKokus gram postifBatang gram positifBatang gram negatifBakteri tahan asamBakteri pembentuk spora• Sebutkan contoh bakteri dengan flagel

– Amfitrik, lopotrik, peritrik, atrik