Respirasi non-oksigen (anaerobik)
Tidak seperti metabolisme aerobik klasik, pada respirasi anaerobik, molekul anorganik bertindak sebagai akseptor elektron terakhir.
- Respirasi nitrat. Nitrat bertindak sebagai akseptor. Dengan bantuan enzim nitrat reduktase, bakteri mereduksinya melalui dua jalur: amonifikasi (menjadi amonia) atau denitrifikasi (menjadi gas nitrogen molekuler atau dinitrogen oksida). Jenis respirasi ini sering ditemukan pada anaerob fakultatif.
- Respirasi sulfat. Sulfat digunakan sebagai akseptor terminal, sedangkan hidrogen molekuler berfungsi sebagai donor elektron. Proses ini khas untuk anaerob kemolitotrof obligat (genus Desulfovibrio, Desulfotomaculum). Mereka hidup di lumpur yang mengandung hidrogen sulfida, dapat ditemukan di dalam tubuh manusia (di dalam feses atau rongga mulut), dan merupakan produsen utama hidrogen sulfida di alam.
Klasifikasi bakteri berdasarkan sikapnya terhadap oksigen
Mikroorganisme dibagi menjadi tiga kelompok dasar bergantung pada kebutuhan akan oksigen bebas di atmosfer (proporsinya di udara sekitar 21%):
- Aerob obligat. Tumbuh secara eksklusif di lingkungan beroksigen. Metabolismenya bersifat oksidatif, di mana oksigen adalah akseptor elektron terminal, dan enzim utamanya adalah sitokrom oksidase. Kelompok ini mencakup aerob ketat (membutuhkan tekanan parsial oksigen atmosfer yang tinggi) dan mikroaerofil (tumbuh pada kadar oksigen yang dikurangi, karena enzim mereka, misalnya hidrogenase, diinaktivasi oleh oksidator kuat).
- Anaerob obligat. Memperoleh energi tanpa partisipasi oksigen, terutama melalui fermentasi. Anaerob ketat (misalnya klostridia C. botulinum, C. tetani, dan bakteroides) mati akibat kontak dengan oksigen dan memperoleh energi melalui fermentasi asam butirat. Bakteri aerotoleran (asam laktat) bertahan hidup di udara, tetapi tidak menggunakan oksigen, melainkan menggunakan fermentasi asam laktat heterofermentatif.
- Anaerob fakultatif. Bakteri serbaguna dengan jalur perolehan energi yang beragam. Dengan adanya udara, mereka melakukan respirasi oksigen, dan tanpa udara, mereka beralih ke fermentasi atau respirasi nitrat.
Dasar biokimia toksisitas oksigen dan pertahanan sel
Selama oksidasi flavoprotein dengan adanya oksigen, terbentuk senyawa beracun: hidrogen peroksida dan radikal superoksida yang memiliki elektron tidak berpasangan. Senyawa ini memicu peroksidasi asam lemak yang merusak membran, serta mengoksidasi gugus sulfhidril protein sehingga menginaktivasi enzim. Kelangsungan hidup mikroorganisme bergantung pada keberadaan pertahanan enzimatik.
- Pada aerob dan anaerob fakultatif, sistem dua tahap bekerja. Pertama, superoksida dismutase (SOD) mengubah radikal menjadi hidrogen peroksida dan oksigen molekuler. Kemudian, katalase memecah peroksida menjadi air dan oksigen yang aman.
- Mikroba aerotoleran tidak memiliki SOD. Mereka dilindungi dari radikal superoksida oleh konsentrasi ion mangan yang tinggi, yang mengikatnya secara kimiawi. Peroksidase melawan peroksida dengan menghancurkannya selama reaksi oksidasi bahan organik.
- Pada anaerob ketat, katalase dan peroksidase sama sekali tidak ada. Beberapa perwakilan memiliki SOD, dan keberadaannya berkorelasi langsung dengan tingkat ketahanan bakteri terhadap paparan atmosfer oksigen yang tidak disengaja (misalnya, beberapa spesies dari genus Clostridium).
Atmosfer kultivasi mikroorganisme
Jenis respirasi menentukan kondisi di mana mikroorganisme dibiakkan di laboratorium.
- Aerob ketat dan anaerob fakultatif tumbuh di permukaan media padat atau di lapisan atas media cair. Untuk pertumbuhan terendam di dalam ketebalan cairan, diperlukan aerasi paksa (pengocokan konstan atau pengadukan pada shaker). Anaerob fakultatif dikultivasi di udara karena metabolisme oksidatif memberi mereka lebih banyak energi daripada fermentasi.
- Mikroaerofil memerlukan atmosfer dengan tekanan parsial oksigen yang dikurangi dan peningkatan konsentrasi karbon dioksida (1–5%). Untuk ini, digunakan inkubator $CO_2$ atau eksikator dengan lilin yang menyala.
- Anaerob obligat memerlukan pengecualian total dari kontak dengan udara. Metode kimia melibatkan penambahan pereduksi yang mengikat oksigen ke dalam media (asam tioglikolat atau askorbat, sistein, sulfida). Metode fisik meliputi didih media cair untuk menghilangkan oksigen terlarut yang diikuti dengan penyegelan menggunakan sumbat karet. Perangkat khusus — anaerostat dan inkubator anaerob (glove box) — juga digunakan.
Singkatnya: jawaban atas pertanyaan topik
Enzim dan pembawa elektron apa yang membentuk rantai respirasi pada membran sitoplasma pada aerob obligat?
Komponen rantai respirasi bakteri meliputi:
- Sitokrom — komponen rantai; setnya dapat bervariasi tergantung pada kondisi pertumbuhan.
- Kuinon — pada bakteri, naftokuinon dapat digunakan sebagai pengganti ubikuinon.
- Sitokrom oksidase — kompleks sitokrom $a+a_3$ yang mentransfer elektron langsung ke oksigen.
- Pada beberapa bakteri, sitokrom tidak ada; dalam hal ini, transfer hidrogen ke oksigen dilakukan oleh flavoprotein, dan produk akhirnya adalah hidrogen peroksida.
Metode biologis apa saja yang ada untuk menciptakan kondisi anaerobik untuk kultivasi mikroorganisme?
Metode biologis untuk menciptakan kondisi anaerobik adalah metode Fortner: pertumbuhan bersama mikroorganisme yang diteliti dengan aerob yang menyerap oksigen.
Bakteri mana yang termasuk dalam anaerob obligat non-pembentuk spora?
Anaerob obligat non-pembentuk spora meliputi:
- Batang gram-negatif — bakteroides (Bacteroides), prevotela (Prevotella), porfiromonas (Porphyromonas), fusobakteri (Fusobacterium), leptotrikhia (Leptotrichia).
- Batang gram-positif non-pembentuk spora — eubakteri (Eubacterium).
- Kokus anaerob gram-positif — peptokokus (Peptococcus), peptostreptokokus (Peptostreptococcus), ruminokokus, gemella.
- Kokus anaerob gram-negatif — veilonela (Veillonella).
Mikroorganisme ini merupakan bagian dari mikroflora normal usus dan rongga mulut; batang anaerob gram-negatif juga ditemukan dalam mikroflora vagina dan mampu menyebabkan penyakit purulen-inflamasi.
SOK: Superoksida dismutase, Oksidase (sitokrom oksidase), Katalase — tiga enzim utama yang memungkinkan bakteri "berteman" dengan oksigen.
Soal-soal dari kelas dan ujian
Mengapa anaerob ketat mati dengan adanya oksigen?
Mereka tidak memiliki enzim pelindung (katalase dan peroksidase) yang mampu menetralisir produk oksidasi beracun — hidrogen peroksida dan radikal superoksida.
Bagaimana perilaku anaerob fakultatif dengan adanya udara?
Dengan adanya akses oksigen, mereka beralih dari fermentasi ke metabolisme oksidatif (respirasi oksigen), karena jalur ini secara energi lebih menguntungkan.
Mengapa lilin yang menyala digunakan saat mengkultivasi mikroaerofil?
Lilin yang menyala di dalam eksikator tertutup membakar kelebihan oksigen dan mengumpulkan karbon dioksida, menciptakan lingkungan gas yang ideal (kadar O2 rendah dan 1–5% CO2) untuk pertumbuhan bakteri ini.
Topik lain untuk dipelajari
- Fermentasi asam butirat oleh anaerob ketat (klostridia)
- Fermentasi asam laktat heterofermentatif
- Desain dan prinsip kerja anaerostat dan inkubator anaerob
- Peran sitokrom oksidase dalam rantai respirasi aerob obligat
Pelajari topik ini secara lengkap dalam kursus "Mikrobiologi"
Di sini adalah ringkasan. Di dalam kursus — semua yang ditanyakan saat kelas dan ujian.
- Panduan lengkap tentang topik «Respirasi bakteri» dan 4.383 halaman materi pelajaran lainnya
- Tugas dan kuis setelah setiap topik — seperti pada kolokium
- AI-tutor akan menjawab pertanyaan topik kapan saja
- 141 video pembelajaran untuk mata kuliah ini
Topik lain di bagian «Fisiologi Mikroba»
Video pembelajaran gratis: mikrobiologiPelajaran singkat dengan ringkasan — tanpa registrasi.
Materi disiapkan oleh staf pengajar WhiteCoat Pro sesuai dengan kurikulum pendidikan kedokteran. Bersifat edukatif.