Mekanisme Produksi Enzim Betalaktamase bakteri Gram positif dan Gram negatif.

MEKANISME PRODUKSI ENZIM BETALAKTAMASE BAKTERI
GRAM POSITIF DAN GRAM NEGATIF

Present in Bali Dance 2011 – Bali Dental Science & Exhibition, 17 September 2011
in Ballroom Inna Grand Bali Beach

Mieke Hemiawati Satari
NIP. 19530320 198002 2 001

FAKULTAS KEDOKTERAN GIGI
UNIVERSITAS PADJADJARAN
BANDUNG
2011

MEKANISME PRODUKSI ENZIM BETALAKTAMASE BAKTERI GRAM
POSITIF DAN GRAM NEGATIF

Mieke Hemiawati Satari
Bagian Oral Biologi Microbiologi
Fakultas Kedokteran Gigi Universitas Padjadjaran

Abstrak
Bakteri Gram positif maupun Gram negatif menghasilkan enzim betalaktamase
yang diproduksi secara ekstraseluler. Produksi enzim betalaktamase ini berbeda antara
bakteri Gram positif yang bersifat induksi dan Gram negatif yang bersifat kontitutif.
Produksi enzim betaktamase pada bakteri Gram positif berlangsung sangat lambat, sintesis
mencapai puncaknya setelah 2-2,5 jam setelah proses induksi dan bertahan pada fase
tertentu yaitu stasioner selama 1-3 jam.Produksi enzim betalaktamase mencapai empat kali
lebih banyak dibandingkan dengan enzim betalaktamase yang dihasilkan oleh bakteri Gram
negatif yang bersifat konstitutif. Produksi enzim betalaktamase yang bersifat konstitutif
hanya mencapai produksi basal.
Secara genetik produksi enzim betalaktamase ini di perantarai oleh gen enzim
pembentuk enzim betalaktamae yang membentuk suatu operon. Gen ini dikode baik di
kromosom maupun diplasmid baik pada bakteri Gram positif maupun Gram negatif. Gen
pembentuk enzim betalaktamase pada bakteri Gram positif mengandung tiga gen yaitu blaZ
(gen struktur), blaI (gen repressor) dan blaRI (gen regulator). Ketiga gen ini memiliki dua
promoter, sedangkan pada Gram negatif dikenal ampG (gen penghantar sinyal), ampC (gen
sruktur), ampR, ampD dan ampE (protein regulator). Gen ini membentuk suatu operon
dengan satu promoter. Gen gen inilah yang berperan pada pembentukkan enzim
betalaktamase.

Kata kunci: enzim betalaktamase, bakteri Gram positif, bakteri Gram negatif.
MECHANISM OF BETALAKTAMASE ENZYME PRODUCTION IN GRAM
POSITIVE AND NEGATIVE

Abstract

Both Gram positive and negative bacteria produce betalactamase enzyme
extracellularly. This betalactamase enzyme production is different between Gram positive
bacteria which is inductive in nature and Gram negative bacteria which is constitutive. The
production of betalactamase enzyme in Gram positive bacteria is very slow with the
synthesis peak reached after 2-2.5 hours of the induction process. The product is then
maintained in a certain phase, i.e. stationary phase, for 1-3 hours. The production of
betalactamase enzyme in these bacteria is four time higher than the betalactamase enzyme
produced by Gram negative bacteria that use constitutive way of production. The
betalactamase enzyme production through constitutive way only reaches basal production.
Genetically, this betalactamase enzyme production is mediated by the the
betalactamase enzyme forming genes that form an operon. These genes are coded both in
chromosomes and plasmids of Gram positive and negative bacteria. The betalactamase
enzyme forming genes in Gram positive bacteria include three genes, i.e. blaZ (structural
gene),blaI (repressor gene) and blaRI (regulator gene). These three genes have two

promoters. In Gram negative bacteria, ampG (tr ansmitter gene), ampC (structural gene),
amp R, ampD and ampE (regulator protein). These genes form an operon with one
promotor. These genes are the ones that play a role in betalactamase enzyme formation.
Keywords: betalactamase enzyme, Gram positive bacteria, Gram negative bacteria.

PRAKATA
Bismillahirrahmannirrahiim
Puji syukur ke hadirat Allah SWT, penulis dapat menyelesaikan naskah ilmiah ini
dan dipresentasikan di Bali Dance 2011-Bali. Saya ucapkan terimakasih kepada Prof. Dr.
Eky S. Soeria Soemantri, drg.,Sp. Ort, sebagai Dekan Fakultas Kedokteran Gigi Universitas
Padjadjaran untuk menyediakan kesempatan untuk melakukan naskan dan staf akademik,
Murnisari Darjan, drg.,M.Kes sebagai Kepala Departemen Oral Biologi, dan panitia Bali
Dance 2011 – Bali Dental Science & Exhibition, 17 September 2011 in Ballroom Inna
Grand Bali Beach.
Semoga Tuhan memberkati kalian semua atas dukungan dan bantuan. Dan untuk
Alloh SWT yang membuat segala sesuatu mungkin. Semoga naskah ini bermanfaat bagi
kita semua.

Bandung, September 2011

Penulis

DAFTAR ISI

Hal
ABSTRAK …………………………………………………………………………………………………….................

i

ABSTRACT ……………………………………………………………………………………………………...............

ii

PRAKATA .......................................................................................................................

ii

DAFTAR ISI ......................................................................................................................

iv

DAFTAR GAMBAR ..........................................................................................................

v

BAB I

PENDAHULUAN .....................................................................................

1

BAB II

PERANAN GEN STRUKTUR, GEN REGULATOR DAN GEN RESPRESOR PADA
BETA- LAKTAMASE ..........................................................................

3

BAB III

MEKANISME PRODUKSI ENZIM BETALAKTAMASE ...................................

6

BAB IV

KESIMPULAN ..............................................................................................

9

BAB V

DAFTAR PUSTAKA ......................................................................................

10

DAFTAR GAMBAR
No Gambar

Teks

Hal

3.1

Mekanisme induksi betalaktamase pada E. coli

6

3.2

Mekanisme regulasi induksi betalaktam S.aureus

8

BAB I
PENDAHULUAN

Enzim betalaktamase adalah suatu enzim yang dihasilkan secara ektraseluluer bakteri
oleh beberapa bakteri baik Gram positif maupun Gram negative. Enzim ini akan berdifusi

disekitar sel bakteri, sehingga akan menghambat kerja antibiotik yang jauh dari tempat
infeksi.

Enzim ini memiliki kemampuan untuk menginaktivasi golongan antibiotik

betalaktam yaitu dengan memecahkan cincin betalaktam sehingga bakteri ini tidak dapat
berikatan dengan reseptor pada membrane bakteri sehingga bakteri ini akan tetap hidup.(1)
Secara genetik enzim ini dikode oleh gen yang terletak baik di kromosom maupun di
plasmid. Pada bakteri Gram positif enzim betalaktamase ini dihasilkan secara induksi,
proses ini berlangsung sangat lambat, sintesis betalaktamase mencapai puncaknya setelah
2-2,5jam setelah induksi dan bertahan pada suatu fase tertentu yaitu stationer selam 1-3
jam. Produksi enzim ini mencapai empat kali lebih banyak dibandingkan dengan yang
dihasilkan oleh bakteri Gram negatif yang bersifat konstitutif. Produksi enzim
betalaktamase yang bersifat konstitutif hanya menghasilkan produknya secara basal. (2,3).
Produksi enzim betalaktamase diatur oleh gen yang terdiri dari gen struktur yang
mengkode enzim betalakamase,gen regulator yang mengkode protein yang meregulasi
produksi enzim betalaktamase dan gen repressor yang menghentikan produksi enzim
betalaktamase.(4,5)
Pada beberapa bakteri seperti S.aureus , enzim betalaktamase yang dihasilkan
tergantung dari galur, kondisi dan kultur pertumbuhan. Ada kalanya enzim yang dihasilkan

hanya 10%-60% yang di sekresikan ke media sedang sebagian produk terikat pada

membran luar dari bakteri tersebut hingga sukar dipurifikasi, sedangkan enzim
betalaktamase yang ada pada media akan menghambat kerja antibiotik yang terdapat jauh
dari tempat infeksi. Dalam kondisi optimal satu molekul enzim ini akan menginaktifasi
100.000 molekul cincin betalaktam setiap menitnya. (6,7,8)
Enzim betalaktamase mempunyai kemampuan menghidrolisis penisilin G,
ampisilin, amoksilin dan karboksi penisilin, sedangkan untuk golongan isozaksolil seperti
oksasilin,kloksasilin dan nafsilin menjadi tidak efektif demikian pula terhadap
cephalosporin.(1,9)

BAB II

PERANAN GEN STRUKTUR, GEN REGULATOR DAN GEN RESPRESOR PADA
BETA- LAKTAMASE

Enzim betalaktamase pada bakteri Gram positif dikode oleh gen yang berlokasi
baik di kromosom maupun di plasmid, sedangkan pada gram negatif berlokasi lebih banyak
di plasmid. Gen yang berperan pada sintesis enzim betalaktamase terdiri dari blaZ yang
mengekspresikan enzim betalaktamase yang sebagian besar disekresikan ke media

ekstraselluler meskipun sepertiganya melekat pada dinding sel. Produksi enzim
betalaktamase pada bakteri Gram positif terjadi karena adanya proses induksi dari
antibiotik betalaktam sedangkan pada bakteri Gram negatif enzim betalaktamase yang
dihasilkan secara terus menerus tanpa adanya induksi(10).
Selain blaZ ada beberapa gen yang akan meregulasi sintesis betalaktamase pada
bakteri Gram positif yang diwakili oleh S. aureus dalam hal ini setidaknya ada tiga gen
yang terlibat dalam pengaturan sintesis betalaktamase pada S. aureus yaitu 1) blaI – gen
yang berfungsi sebagai regulator yang mengatur transkripsi; 2) blaRI – gen yang diperlukan
pada proses induksi yang bertanggung jawab pada penghantaran sinyal; dan 3) bla R2: yang
dapat mengatur penekanan ekspresi gen betalaktamase dan berfungsi meningkatkan fungsi
antibiotik. Namun menurut beberapa peneliti lokasi blaR2 di kromosom belum diketahui
dengan pasti dan tidak berkait dengan blaZ, blaRI dan blaI.(11-14)
Rowland dan Dyke15 telah berhasil melakukan sekuensing gen yang berperan pada
pembentukan enzim betalaktamase pada Tn 552 S. aureus yang mengandung tiga gen yaitu
bla Z, blaRI dan blaI. Ketiga gen ini memiliki dua promoter yaitu satu promoter yang

dimiliki oleh blaZ dan satu promoter

bagi blaRI dan blaI. Ketiga gen ini memiliki

spesifitas ekspresi enzim betalaktamase yang bersifat induksi. Secara skematis gen blaI

terletak pada ujung 5’ dari bla RI dan saling tumpang tindih.4 Data menunjukan bahwa blaI
memiliki fungsi yang mengatur proses transkripsi dari blaZ. BlaR ini merupakan suatu gen
yang berikatan dengan suatu operator yang terletak antara blaI dan blaZ, sedangkan blaRI
berfungsi untuk mentransmisikan sinyal tentang keberadaan suatu molekul betalaktam pada
permukaan luar ke komponen gen yang mengatur ekpresi betalaktamase. 5
Proses sintesis enzim betalaktamase pada bakteri Gram positif bersifat induktif,
pertama kali diketahui pada Bacillus licheniformis yang kemudian diasumsikan mempunyai
persamaan dengan yang terjadi pada S. aureus15. Bennet dan Chopra5 menyatakan bahwa
proses induksi ntibiotic betalaktam pada S. aureus diperkirakan sama dengan proses
induksi betalaktam pada B. licheniformis dan E. coli
Pada bakteri Gram negatif mekanisme proses induksi enzim betalaktamase pada E.
coli terjadi bila senyawa betalaktam sebagai penginduksi berinteraksi dengan protein

pengikat penisilin (PBP) hingga mengakibatkan gangguan tahap akhir sintesis
peptidoglikan. Induksi menstimulasi AmpG (protein penghantar sinyal) sehingga terjadi
peningkatan konsentrasi prazat dinding sel dalam ruang periplasma. Akumulasi pra zat
tersebut merupakan sinyal bagi terjadinya proses transkripsi dari ampC (gen sruktur).
Keadaan ini menimbulkan interaksi AmpG dengan AmpR (protein regulator), sehingga
AmpR berfungsi sebagai yang menstimulasi ekspresi gen ampC yang mengkode
betalaktamase. Dalam keadaan tidak terjadi induksi, maka AmpD (protein regulator)
berikatan dengan AmpE (protein regulator) dan mempertahankan AmpR sebagai protein
yang menghambat ekspresi AmpC, sehingga tidak menghasilkan betalaktamase. Bila fungsi
AmpD terganggu karena mutasi pada gennya, maka akan mengganggu keseimbangan
AmpG dan AmpD yang mengakibatkan AmpR tetap berfungsi sebagai preservative yang
sifatnya permanen sehingga terjadi ekpresi kontitutif yang tinggi dari ampC.
Dengan demikian maka didapat suatu model yang sederhana sistim pengatur sintesis
betalaktamase pada S. aureus yang bersifat induksi yaitu antibiotik betalaktam berikatan

dengan BlaRI dan suatu sinyal akan ditransmisikan ke BlaI sehingga tidak lagi berikatan
dengan operator, maka terjadilah proses transkripsi dari bla Z.16

BAB III

MEKANISME PRODUKSI ENZIM BETALAKTAMASE

Mekanisme proses induksi pada umumnya bakteri Gram negatif dapat digambarkan
pada skema berikut ini dengan menganalisa proses induksi pada E. coli.

Gambar 3.1 Mekanisme induksi betalaktamase pada E. coli
Dikutip dari: Bennet dan Chopra.5
Keterangan gambar
BL

: Betalaktamase

PBP

: Protein Pengikat Penisilin

ampC : Gen struktur betalaktamase
ampR : Gen yang berperan sebagai regulator
ampG : Gen yang bertanggung jawab terhadap transmisi sinyal 0

ampD : Gen yang meregulasi ekspresi betalaktamase pada proses transkripsi
ampE : Gen yang berfungsi untuk meningkatkan repressor

Tentang perbedaan antara proses induksi yang terjadi pada E. coli dengan S. aureus
dinyatakan oleh Smith dan Murray17 bahwa pada E. coli sinyal induksi baru ditransmisikan
karena adanya prazat yang terkumpul dalam ruang periplasmik, sedangkan yang terjadi
pada S. aureus yaitu rangsangan induksi senyawa betalaktam yang diterima reseptor pada
membran luar akan langsung ditranmisikan.
Pada S. aureus terdapat beberapa protein pengatur sistim induksi, yaitu: BlaI
mempunyai fungsi sama dengan AmpR yaitu sebagai regulator yang mengatur transkripsi.
BlaRI mempunyai fungsi sama dengan AmpG, protein ini diperlukan pada proses induksi,
bertanggung jawab sebagai penghantar signal. BlaR2 berfungsi sebagai AmpD yang
menjebabkan penekanan ekspresi gen betalaktamase dan juga berfungsi sebagai AmpE
untuk meningkatkan represor.18
Seorang peneliti, Kernodle13 memberikan suatu ilustrasi proses induksi betalaktam
pada S. aureus terhadap produksi enzim betalaktamase yang dikode oleh gen blaZ dan
produksi PBP2a hingga menyebabkan terjadinya metisilin resisten S.aureus yang dikode
oleh gen mecA. Pengaturan proses induksi betalaktamase diawali dengan pengikatan
betalaktam terhadap domain pada membran dari suatu PBP, kemudian ditransduksikan
sebagai sinyal dikode oleh blaRI yang mengarah pada degradasi represor blaI sehingga
blaZ dapat ditranskripsi.
Mekanisme BlaRI dapat memberikan sinyal sehingga menimbulkan penurunan
stimulasi terhadap represor belum jelas. Namun ada beberapa pendapat bahwa degradasi
terjadi pada represor disebabkan adanya perubahan konformasi dari BlaRI sebagai akibat
pengikatan oleh betalaktam yang mengaktivasi suatu protease dalam domain yang diduga
sebagai suatu ruang periplasma (mekanisme 1).

Alternatif lainya, gen bla R2 akan mengkode suatu protein yang dapat menyebabkan
terjadinya inaktivasi represor dimana kompleks BlaRI dapat mengaktivasi hingga terjadi
induksi (mekanisme 2).
PBP2a dengan afinitas rendah terhadap antibiotik betalaktam yang dikode oleh
mecA diproduksi sesuai dengan mekanisme produksi enzim betalaktamase. Hal ini dapat

terjadi karena terdapat homologi antara mecI dan blaI, mecRI dan blaRI, dan promotor dari
blaZ dan mec A. Homologi ini cukup kuat sehingga blaI dapat berfungsi sebagai represor

dalam keadaan induksi normal maupun menghasilkan sejumlah PBP 2a secara konstitutif
karena kerusakan mecI. Mutasi pada gen regulator (blaI dan mecI) dapat menimbulkan
beberapa mutan yang nantinya akan mempengaruhi sistim regulasi dari yang bersifat
indukif menjadi konstitutif. Mekanisme regulasi induksi betalaktam dapat dilukiskan
dengan diagram sebagai berikut:

Gambar 3.2 Mekanisme regulasi induksi betalaktam S.aureus
Dikutip dari: Kernodle.13
Keterangan gambar:
BlaZ

: gen struktur enzim betalaktamse

blaRI : gen yang mengatur transmisi sinyal
blaR2 : gen yang menginaktivasi represor

blaI

: gen yang menekan proses transkripsi blaZ

mecA : gen struktur PBP2a

mecRl : gen anti represor
mecl

: gen repressor

BAB IV

KESIMPULAN

Enzim betalaktamase adalah suatu enzim yang diproduksi secara ekstraselluler baik
oleh bakteri Gram positif maupun Gram negatif. Enzim ini berfungsi untuk menginaktivasi
antibiotic betalaktam dengan memecah cincin betalaktam, sehingga antibiotic ini tidak
dapat berikatan dengan reseptor paoada bakteri. Produksi enzim betalaktamase pada Gram
positif bersifat induksi yaitu bakteri tersebut akan menghasilkan enzim betalaktamase bila
adanya induksi dari antibiotik betalaktam, sedangkan pada Gram negatif produksinya
bersifat konstitutif yaitu enzim ini terus menerus diproduksi pada kadar basal.
Produksi enzim ini diregulasi oleh gen yang berperan sebagai regulator, repressor
dan gen struktur. Mekanisme produksi enzim betalaktamase ini memiliki kemiripan dengan
mekanisme produksi gen mecA yang menyebabkan terjadinya MRSA

BAB V

DAFTAR PUSTAKA

1.Lamont

JR,Burne

RA,Lantz

MS,Leblanc

DJ.Oral

Microbiology

and

Immunology.Washington DC:ASM Press;2006. p380-5
2. Koboyashi M,Zhu Y,Nichols N, Lampen O.A second regulatory encoding a penicillin
binding protein reguired for induction of betalactamase . J of Bacteriology, Sep
1987;169(9): 3873-76
3. Dyke KGH. Betalactamase of Staphylococcus aureus. In Hamilton JMT and Miller eds:
Betalactamses. Published by Oxord University Press, 1986 291-307
4. Smith MC, Murray BE. Sequence analysis of betalactamase repressor fro S aureus and
hybridization studies with two beta-lactamase producing of Enterococcus faecalis.
J.Antimcrobial Agents and Chemotherapy, Oct 1992 ; 12(9): 2265-9
5. Bennet PN and Chopra J. Moleculer basis of betalactamase induction in bacteria. J.
Antimicrobial Agents and Chemotherapy . Sept 1993; 13(6) :153-8
6. Istiantoro YH. Farmakokinetik inhibitor betalaktamase. Simposium Perkembangan Baru
dalam menanggulangi Resistensi bakteri, 1998; 1-4
7. James CE, Mahendran KR, Molitor A, Bolla JM,Besonov AN, Winterhalter M,Pagges
JM. How Betalactam Enter bacteria.Editor Fatourou. Porthmouth United Kindom . May
2009
8.

Tenover FC .Mechanisms of Antibacterial Resistance in bacteria . The American

Journal of Medicine.2006 Vol 119(6A) S3-S10.

9. Brook I. The role of Betalactamase producing bacteria in mixed infections. BMC
Infectious diseases . BioMed Central . Georgetown University School of Medicine,
Washington DC.October 2009.
10. Leung SFF, Rives JT, Jorgensen . Modeling back bone with Ala-Ala and Ala-Alapeptides . Bio Med Chem Lett ;Feb 2009; 19(4) 1236-9
11. Murray BE . Betalactamase producing Gram positif. J. Antimicrobial Agents and
Chemotherapy, April 2002 ; 873-9
13. Kernodle DJ. Mechanism of Resistance to Betalactam Antibiotic in Gram positive.
American Society for Microbiology .2002; 609-23
14. Dyke KGH,Cole M. Inhibition of Betalactamase. J Antimicobial Agent and
Chemotherapy. March 2000 9(5): 289-99
15. Rowland SJ and Dyke KGH. In 552 a Novel Transposable element from S. aureus . J
Molecul Microbiologi. 1999 ;4:961-75
16. Gregory PD,Lewis RA,Dyke KGH,Curnock SP. Studies of Represor betalactamase
synthesis of S. aureus , Moleculer Microbiology, 1997, 24(5):1025-37
17. Smith MC,Murray BE. Sequence analysis of betalactamase repressor from S aureus and
hybridization studies with two betalactamase producing E. faecalis.J. Antimicrobial Agent
and Chemotherapy 2000 : 12(9) 2265-9
18. Hamilton JMT . Betalactamase. Oxford. Published by Oxford University Press. 2000 P
I-23