Pengamatan-pengamatan berikut ini melukiskan hal tersebut dan juga menampakkan keragaman yang amat besar dalam hal tipe nutrisi yang dijumpai antara bakteri:
1. Tumbuhan hijau dapat menggunakan energi pancaran atau cahaya dinamakan fototrof. Yang lain seperti hewan, bergantung pada oksidasi (kehilangan elektron dari satu atom) senyawa-senyawa kimia untuk memperoleh energinya. Makhluk- makhluk ini disebut kemotrof. Semua organisme hidup terbagi menjadi fototrof atau kemotrof dan kedua tipe nutrisi ini dijumpai di antara bakteri. 2. Banyak bakteri juga membutuhkan CO2 sebagai sumber karbonnya. Semua organisme macam itu disebut autotrof. Bila mereka memperoleh energinya dengan cara mengoksidasi senyawa kimiawi maka disebut kemoautotrof. Mikrorganisme yang mensyaratkan senyawa organik sebagai sumber karbonnya disebut heterotrof.
3. Semua organisme membutuhkan nitrogen, sulfur, fosfor dan beberapa unsur logam Na, K, Ca, Mg, Mn, Fe, Zn, Cu dan Co untuk pertumbuhan tidak terkecuali bakteri.
4. Semua organisme hidup membutuhkan vitamin (senyawa organik khusus yang penting untuk pertumbuhan) yang berfungsi membentuk substansi yang mengaktivasi enzim substansi yang menyebabkan perubahan kimiawi. Beberapa bakteri mampu membuat (mensintesis) seluruh kebutuhan vitaminnya dari senyawa-senyawa lain di dalam medium. Yang lain tidak akan tumbuh kecuali bila ditambahkan satu atau lebih vitamin ke dalam mediumnya.
5. Semua organisme hidup membutuhkan air untuk fungsi-fungsi metabolik dan pertumbuhannya. Untuk bakteri, semua nutrien harus ada dalam bentuk larutan sebelum dapat memasuki bakteri tersebut. (Pelczar,1986)
2.3 Enzim
Kegiatan kimiawi yang dilakukan oleh sel-sel sangatlah rumit.Demikian beragamnya bahan yang digunakan sebagai bahan nutrien oleh sel disatu pihak dan sebagai ragam substansi yang disintesis menjadi komponen–komponen sel di pihak lain. Sel melakukan kegiatan initerletak pada kerja enzim, substansi yang ada dalam sel dalam jumlah yang amat kecil dan mampu menyebabkan terjadinya perubahan-perubahan yang berkaitan dengan proses-proses selular (dan kehidupan). Tak mungkin ada kehidupan tanpa enzim.
Di dalam sebuah sel rata-rata terdapat ribuan jenis enzim yang berbeda-beda. Di dalam sel hidup, kesemua enzim ini beserta kegiatannya harus terkoordinasi sedemikian rupa sehingga produk-produk yang sesuai dapat terbentuk dan tersedia, pada tempat yang tepat dalam jumlah yang tepat, dan waktu yang tepat, dan dengan menggunakan energi seminimum mungkin. Koordinasi ini dimungkinkan oleh adanya pengendalian enzim. (Pelczar, 1986)
Sistem enzim yang berperan dalam jalannya reaksi biokimiawi sangat kompleks dan tiap enzim hanya mempengaruhi satu macam reaksi spesifik, misalnya enzim yang berperan pada metabolisme protein tidak dapat mempengaruhi atau berperan pada metabolisme karbohidrat ataupun lemak.Agar enzim dapat bekerja dengan baik pada beberapa enzim diperlukan bahan-bahan nonprotein misalnya
adanya ion-ion Mg, ion Mn, dan sebagainya yang disebut kovaktor atau aktifator. Enzim diproduksi dalam jumlah yang tidak banyak, karena enzim tersebut tidak ikut terproses (tidak rusak) pada reaksi biokimiawi dan dapat digunakan berulang-ulang. Oleh karena tersusun dari protein enzim sangat peka terhadap pengaruh pH, suhu dan beberapa agen kimiawi maupun pengaruh fisis tertentu. Enzim memiliki suhu maupun pH optimal yang sama dengan pH dan suhu optimal bakteri, disamping itu bekerjanya sangat spesifik.
Pemecahan atau sintesis suatu bahan biasanya berlangsung dalam satu rantai reaksi kimiawi dimana tiap-tiap tahapan reaksi dikatalisir oleh enzim tertentu. Bila salah satu enzim yang mempengaruhi tahapan reaksi metabolisme tidak ada maka reaksi kimiawi tersebut akan berhenti pada bagian dimana enzim yang diperlukan tadi tidak ada dan berakibat terjadinya penumpukan bahan-bahan metabolit yang bersifat toksis yang dapat mematikan bakteri tersebut. (Tim Mikrobiologi FK, 2003)
Enzim adalah katalis hayati. Katalis walaupun dalam jumlah yang sedikit memiliki kemampuan yang unik untuk mempercepat berlangsungnya reaksi kimiawi tanpa enzim itu sendiri terkonsumsi atau berubah setelah reaksi selesai. Enzim adalah senyawa organik yang dihasilkan oleh sel-sel hidup. Inilah mengapa enzim disebut katalis hayati atau organik atau sarana katalitik. Suatu katalis tertentu akan berfungsi pada hanya satu jenis reaksi tertentu saja. Sekalipun semua enzim pada mulanya dihasilkan di dalam sel beberapa diekskresikan melalui dinding sel dan dapat berfungsi di luar sel. Jadi dikenal dua tipe enzim: enzim ekstraseluler, atau eksoenzim (berfungsi di luar sel) dan enzim intraseluler atau endoenzim (berfungsi di dalam sel).
Fungsi utama enzim ialah melangsungkan perubahan-perubahan seperlunya pada nutrien disekitarnya sehingga memungkinkan nutrien tersebut memasuki sel. Misalnya amilase menguraikan pati menjadi unit-unit gula yang lebih kecil. Enzim intraseluler mensintesis bahan seluler dan juga menguraikan nutrien untuk menyediakan energi yang dibutuhkan sel.Misalnya, heksokinase mengkatalisis fosforilasi heksose dan glukose (senyawa-senyawa gula sederhana) di dalam sel. Khasnya satu molekul enzim dapat merngkatalisis perubahan 10 sampai 10.000 molekul substrat(senyawa yang dikenai proses perubahan oleh enzim) perdetik.
Reaksi- reaksi yang dikatalisis oleh enzim seringkali berlangsung beberapa ribu sampai lebih dari sejuta kali lebih cepat dari reaksi-reaksi yang sama tetapi tidak dikatalisis oleh enzim.
2.3.1 Sifat-sifat fisik dan kimiawi enzim
Enzim dapat berupa protein murni ataugabungan antara protein dengan gugusan-gugusan kimiawi lainnya. Seperti halnya semua protein, enzim akan terdenaturasikan oleh panas,terpresipitasikan (terendapkan)oleh etanol atau garam-garam anorganik berkonsentrasi tinggi seperti ammonium sulfat,dan tidak dapat melewati membran semipermeabel atau membran selektif; dengan perkataan lain, tak terdialisis. Protein enzim adalah molekul yang amat besar; berat molekulnya berkisar antara kurang lebih 10.000 sampai satu juta.
Banyak enzim terdiri dari protein yang bergabung dengan molekul organik dengan berat molekul rendah yang dinamakan koenzim. Bagian proteinnya disebut apoenzim. Bila bergabung kedua bagian tersebut membentuk enzim yang lengkap, disebut holoenzim
Apoenzim + Koenzim Holoenzim
tidak aktif tidak aktif aktif protein protein
tidak terdialisis terdialisis
berat molekul tinggi berat molekul rendah
Molekul-molekul enzim amatlah efisien dalam mempercepat pengubahan substrat menjadi produk akhir. Sebagaimana telah dikemukakan sebelumnya, satu molekul enzim tunggal dapat melangsungkan pengubahan sebanyak 1.000 molekulsubstrat per detik. Kemampuan ini serta kenyataan bahwa enzim tidak dikonsumsi ataupun mengalami perubahan, menerangkan mengapa enzim dalam jumlah yang amat sedikit sudah cukupbagi proses-proses selular.
Tetapi enzim bersifat tidak stabil. Aktivitasnya berkurang dengan nyata atau hancur oleh berbagai kondisi fisik atau kimiawi. Dalam hal ini terdapat perbedaan besar diantara enzim yang berbeda-beda. Beberapa menjadi tidak aktif oleh perubahan-perubahan yang amat kecil disekitarnya seperti misalnya bila dibiarkan sebentar saja dalam suhu kamar.
Dua ciri yang amat menyolok mengenai enzim ialah efisiensi katalitiknya yang tinggi dan derajat kekhususannnya yang tinggi terhadap substrat. Sel biasanya menghasilkan enzim yang berbeda untuk setiap senyawa yang harus dikenai proses metabolisme olehnya. Lagipula setiap enzim menyebabkan perubahan satu langkah pada substratnya.
Glukose + Sel-sel khamir Alkohol + CO2 substrat sumber enzim produk akhir
Pengubahan ini dicapai bukan oleh satu enzim tunggal, tetapi oleh sekelompok enzim, yaitu suatu sistem enzim, lebih dari selusin individu enzim bekerja berurutan, masing-masing menyebabkan terjadinya suatu reaksi kimiawi yang menghasilkan suatu perubahan spesifik pada produk yang dibentuk oleh reaksi enzim yangtepat mendahuluinya. Reaksi terakhir sekian banyak enzim dalam sistem tersebut menghasilan produk-produk akhir.
2.3.2 Sifat dan mekanisme kerja enzim
Kebanyakan reaksi enzim dapat dinyatakan dengan persamaan reaksi keseluruhan sebagai berikut:
enzim E + substrat S komp. enzim - substrat ES produk P + enzim E
Enzim E dan substrat S bergabung menjadi kompleks enzim substrat ES, yang kemudian terurai menjadi produk P. Enzimnya tidak terkonsumsi di dalam reaksi tersebut tetapi dilepaskan kembali untuk reaksi selanjutnya dengan molekul substrat yang lain. Proses ini diulang-ulang banyak sekali sampai semua molekul substansi yang tersedia habis terpakai.
Yang menjadi pokok dalam teori mengenai mekanisme kerja enzim ialah konsep aktivasi substrat yang terjadi setelah pembentukan kompleks enzim-substrat (ES). Aktivasi memungkinkan substrat diubah oleh kerja enzim.Terjadinya aktivasi molekul substrat inidisebabkan oleh affinitas kimiawi substrat yang tinggi terhadap daerah-daerah tertentu pada permukaan enzim yang disebut situs aktif. Ketegangan atau distorsi yang dihasilkan pada beberapa ikatan pada molekul substrat membuatnya labil (tidak mantap) dan karenanya mengalami perubahan sebagaimanaditentukan oleh enzim yang bersangkutan. Molekul-molekul yang telah mengalami perubahan itu tidak lagi mempunyai affinitas terhadap situs-situs aktif tadi dan karenanya dilepaskan. Enzimnya kemudian bebas untuk bergabung lagi dengan substrat berikutnya dan demikianlah proses tersebut berulang.
Fungsi utama suatu enzim ialah mengurangi hambatan energi aktivasi pada suatu reaksi kimiawi. Yang dimaksud energi aktivasi ialah energi yang dibutuhkan untuk membawa substansi ke situs reaktifnya. Enzim bergabung dengan substrat membentuk status transisi yang membutuhkan energi aktivasi lebih kecil untuk berlangsungnya reaksi kimiawi tersebut. Pembahasan ini berlaku bagi substrat yang mengalami peruraian dan digunakan untuk memperoleh energi. (Pelczar, 1986)
2.4 Metabolisme
Metabolisme ialah semua reaksi kimiawi yang dilakukan oleh sel yang menghasilkan energi dan yang menggunakan energi untuk sintesis komponen-komponen sel dan untuk kegiatan-kegiatan selular, seperti pergerakan. Reaksi kimiawi yang membebaskan energi melalui perombakan nutrien disebut reaksi disimilasi atau peruraian; jadi merupakan kegiatan katabolitik sel. Jadi reaksi disimilasi menghasilkan energi, reaksi asimilasi menggunakan energi.
2.4.1 Metabolisme Karbohidrat
Karbohidrat selain merupakan sumber utama karbon bagi bakteri aerob maupun anaerob, juga merupakan sumber energi. Unsur karbon tersebut oleh bakteri
diperlukan untuk sintesis karbohidrat, asam amino, lipid dan purin.
Molekul karbohidrat terdiri atas dua atau lebih monosakarida yang disebut gula kompleks atau polisakarida yang sebenarnya terbentuk oleh karena adanya kondensasi antara molekul-molekul heksosa (monosakarida). Untuk memecah gula kompleks atau polisakarida, terlebih dahulu bakteri harus memecah ikatan glikosidik antara molekul-molekul monosakarida yang menyusunnya dengan bantuan enzim. Proses pemecahan ikatan glikosidik terdiri atas: hidrolisis, fosforilasi, dan transglikosidasi. Protein dihidrolisis berjalan secara menetap (irreversible) dengan bantuan enzim glikosidase atau invertase:
Invertase dan air
Sukrosa Glukosa + Fruktosa
Hasil akhir pemecahan karbohidrat oleh bakteri aerob adalah H2O dan CO2, sedangkan oleh bakteri anaerob hasilnya adalah asam laktat.
Pemecahan senyawa polisakarida selulosa umumnya melalui proses dekomposisi oleh bakteri anaerob, baik yang berada di tanah maupun yang berada dalam saluran cerna hewan memamah biak. Walaupun selulosa terdiri atas molekul-molekul heksosa tetapi lebih sukar dihidrolisis. (Tim Mikrobiologi FK, 2003)
2.4.2Metabolisme lemak
Glukosa adalah sumber energi tunggal yang terpenting bagi kebanyakan sel. Tetapi, bagi banyak mikroorganisme, zat-zat lain seperti lemak dan protein, dapat digunakan sebagai sumber energi pilihan. Zat-zat tersebut diubah secepat dan seefisien mungkin menjadi intermediat lintasan-lintasanglikolitik dan TCA(tricarboxylic acid)
sehingga untuk terlaksananya peruraian secara lengkap hanya dibutuhkan sejumlah minuman enzim tambahan. Lintasan glikolitik dan siklus TCA berlaku sebagai suatu pusat umum dan lintasan-lintasan katabolitik lainnya dibangun disekelilingnya.
Perombakan lipid atau lemak diawali dengan pecahnya trigliserida oleh penambahan air sehingga terbentuk gliserol dan asam lemak dengan bantuan enzim-enzim lipase: O O H2C O C R1 H2C OH HO C R1 O O Lipase HC O C R2 + 3H2O HC OH + HO C R2 O O H2C O C R3 H2C OH HO C R3
Trigliserida Gliserol Asam-asam lemak (-R = rantai hidrokarbon)
Gliserol sebagai komponen lemak dapat diubah menjadi intermediat lintasan glikolitik (dihidroksiaseton fosfat) melalui reaksi reaksi berikut:
Gliserol kinase
Gliserol + Adenosin trifosfat (ATP) Adenosin difosfat (ADP)+ Mg2+ Gliserol – 3 – fosfat
Gliserol dehidrogenase
Gliserol – 3-fosfat + NAD+ dihidroksiaseton fosfat + NADH2
Dihidroksiaseton fosfat yang terbentuk akan diuraikan melalui mekanisme. Asam-asam lemak dioksidasi melalui pengusiran berturut – turut fragmen berkarbon
dua dalam bentuk asetil-KoA.Asetil-KoA yang terbentuk kemudian dapat memasuki siklus TCA, sedangkan atom-atom hidrogen beserta elektron-elektronnya memasuki rantai angkutan elektron menuju fosforilasi oksidatif.
Ada lebih banyak hasil energi per gram lemak daripada per gram karbohidrat. Namun, relatif hanya beberapa spesies mikroba yang efektif dalam merombak lipid, baik tipe yang sederhana maupun yang rumit, antara lain karena terbatasnya daya larut lipid. (Pelczar, 1986).
Bagian-bagian tertentu bakteri juga tersusun dari lipid misalnya sel membran serta bagian tertentu dinding sel dan kapsul. Pada umumnya lemak tersebut merupakan lipopolisakarida. Lipopolisakarida tersusun dari lemak (lipid) yang berikatan dengan senyawa polisakarida inti (core polysaccharide). Bakteri memiliki enzim lipase yang dapat memecah lemak menjadi asam lemak dan gliserol. Lipopolisakarida merupakan bagian yang menyusun endotoksin dari bakteri gram negatif. (Tim Mikrobiolgi FK, 2003)
2.4.3 Metabolisme protein
Banyak bakteri heterotrofik dapat menghancurkan protein di luar tubuhnya dan menggunakan produk-produk hasil proses tersebut sebagai sumber tenaga karbon dan nitrogen. Karena molekul protein terlampau besar untuk dapat melewati membran, bakteri mengekskresikan enzim yang disebut proteaseyang menghidrolisis protein tersebut menjadi peptide-peptide.
Bakteri menghasilkan peptidase yang menguraikan peptide menjadi asam-asam amino individu, yang kemudian dikatabolisme melalui cara yang bergantung pada tipe asam aminonya dan spesies atau galur bakteri yang menguraikannya. Proses ini adalah sebagai berikut:
Protease peptidase
Bilamana asam amino diuraikan, kerangka karbon asam-asam amino tersebut mengalami peruraian oksidatif menjadi senyawa-senyawa yang dapat memasuki siklus TCA untuk dioksidasi lebih lanjut. Masuknya ke dalam siklus TCA dapat melalui asetil-KoA, asam α ketoglutarat, asam suksinat, asam fumarat atau asam oksaloasetat. (Pelczar, 1986)
Gambar 2.2 Metabolisme karbohidrat, lipid dan asam amino
Seperti dapat dilihat dari gambar, asetil KoA merupakan intermediate umum dari metabolisme karbohidrat dan lipid dan siklus TCA merupakan lintasan umum untuk oksidasi karbohidrat, lipid dan asam amino.
