Reproduksi sel

REPRODUKSI SEL

Reproduksi sel pada organisme eukariotik terjadi melalui proses pembelahan sel yang diawali dengan penggandaan materi genetik (replikasi DNA), kemudian diikuti pembelahan kromosom. Pembelahan kromosom ini akan diikuti oleh pembelahan nukleus, lalu diakhiri dengan pembelahan sel. Pembelahan sel pada organisme eukariotik dapat dibagi menjadi dua macam, yaitu mitosis dan meiosis. Mitosis dapat terjadi pada setiap organ dan berfungsi membentuk sel dengan jumlah kromosom yang sama. Sedangkan, pembelahan meiosis hanya berlangsung pada jaringan organ seks dan berfungsi mereduksi jumlah kromosom menjadi separuhnya. Mitosis dan meiosis merupakan pembelahan sel secara tidak langsung, yaitu melalui tahapan-tahapan tertentu, dan ditandai dengan penampakan yang berbeda-beda dari kromosom yang dikandungnya.

A. Peran Nukleus, Kromosom dan DNA

Nukleus : organel yang paling menonjol pada sebagian besar sel eukariot adalah nukleus (inti sel), berbentuk bulat dan memiliki membran yang berpori. Dalam nukleus terdapat kromosom, yang mengandung informasi genetik atau cetakan untuk membuat protein sel, dan secara tidak langsung untuk berbagai fungsi sel lainnya.

Pada awal tahun 1870an, para ahli biologi mengamati sebuah sel sperma yang memasuki dan membuahi sel telur. Dari pengamatan ini disimpulkan bahwa nukleus membawa sifat genetik orang tuanya ke suatu embrio. Seorang ahli biologi Jerman bernama Joachim Hammerling pada tahun 1930an , melakukan penelitian terhadap alga hijau unisel Acetabularia, dari pengamatan ini diketahui bahwa informasi yang terdapat pada nukleus merupakan dasar dari bentuk arsitektur sel. Beberapa penelitian yang dilakukan setelah itu, menyatakan bahwa nukleus dibutuhkan sebagai tempat informasi yang menentukan struktur sel.

Kromosom : Jika nukleus mengandung informasi genetik, dalam bentuk apa penyimpanannya?. Melalui pengamatan mikroskopik diketahui adanya struktur khusus dalam nukleus sebuah sel yang sedang membelah, yang terwarnai dan terlihat berwarna merah atau ungu. Struktur ini disebut kromosom. Sel setiap spesies memiliki karakteristik jumlah kromosom : sel manusia memiliki 46; tanaman kapas, 52; kalkun, 82; dan beberapa sel memiliki lebih dari 1000.

Beberapa penelitian menyimpulkan bahwa informasi pada kromosom adalah DNA (deoxyribonucleic acid). Di bawah mikroskop cahaya, kromosom dalam sel yang sedang membelah dan diwarnai, berupa batang fleksibel, padat, setiap kromosom disusun oleh lilitan rapat rantai DNA dan bergabung dengan protein yang membentuk simpul menjadi “batang samar” dengan suatu patahan yang disebut sentromer .

Jika kromosom sepanjang 1 cm, lilitan molekul DNA nya direntangkan dapat memiliki panjang yang sama dengan lapangan sepakbola. Jelaslah bahwa pengemasan dari “benang” menjadi “bola” akan menjadi lebih efisien. Dan para ahli biologi sudah menemukan bahwa lilitan DNA yang rapat tadi mengelilingi kelompok protein bermuatan positif yang disebut histon, keduanya membentuk kompleks yang disebut nukleosom (gambar 2-2 a dan b). Nukleosom tersebut diperkirakan berinteraksi satu dengan lainnya untuk membentuk sebuah selenoid, suatu silinder fleksibel berdiameter 30 nm (gambar 2-2c) yang dililitkan membentuk putaran (loops) (gambar 2-2d) yang melekat pada pusat penggantungan yaitu suatu protein nonhiston oleh suatu enzim yang disebut topoisomerase (gambar 2-2e). Gabungan loops dan topoisomerase membentuk batang melilit berdiameter 250 nm (gambar 2-2f). Lilitan kembar dengan arah yang berlawanan pada kromatid yang serupa (gambar 2-2g). Ribuan gen terdapat sepanjang masing-masing molekul DNA, dan enzim topoisomerase membantu merapihkan simpul pada DNA. Kromosom eukariot, dari tumbuhan, protista , dan pada manusia memiliki ujung khusus yang disebut telomer, disusun oleh urutan DNA dengan pengulangan yang tidak biasa. Hal ini rupanya berfungsi untuk melindungi DNA selama berreplikasi.

Gabungan DNA, protein histon dan protein nonhiston oleh para ahli biologi disebut kromatin. Ketika sel beristirahat berada diantara fase pembelahan sel, kromatin melekat pada lamina nukleus, suatu jaringankerja filamen intermediet pada permukaan dalam dekat membran nukleus. Kromosom dalam nukleus yang sedang tidak membelah tidak memutar dan kusut seperti kumpulan benang. Mendekati saat pembelahan sel kromosom terpisah dari kumpulan tadi dan membentuk superkoil atau lilitan, memadat, yang dianggap sebagai bentuk mirip batang fleksibel.

DNA : merupakan tangga tali terpilin (heliks ganda), terdiri dari dua rantai polimer nukleotida yang dihubungkan oleh ikatan hidrogen pada basa nitrogen yang berpasangan (A – T), (G – C). Molekul DNA disusun oleh :

-         2 Basa Nitrogen yaitu : (1). Purin (terdiri dari Adenin [A], Guanin [G], dan (2). Pirimidin ( terdiri dari Timin [T], dan Sitosin [C]);

-         Gugus Fosfat; dan

-         Gula (Deoksiribosa).

B. Replikasi DNA

Replikasi DNA adalah proses pengkopian atau pembentukkan DNA baru dari DNA lama, hal ini diperlukan sebelum sel melakukan pembelahan. Molekul DNA yang panjang dikemas membentuk superkoil pada kromosom, memiliki ratusan tempat dimana replikasi DNA dapat terjadi dari dua arah secara simultan. Replikasi DNA dimulai dengan sintesis RNA primer sebagai rantai pengkopi pemula. Selanjutnya RNA mengkopi dengan arah 5’ menuju 3’, demikian juga pada rantai DNA yang satunya, sehingga terbentuk garpu replikasi. Proses ini terus berlangsung sampai terbentuk molekul DNA baru.

C.  Siklus Sel

Seperti makhluk hidup melalui siklus hidup, setiap sel melalui siklus sel, tahap –tahap yang teratur selama pertumbuhan sel, persiapan untuk pembelahan, dan pembelahan menjadi dua sel anak, yang mengulang tahap-tahap tersebut. Eukariot sel tunggal yang hidup bebas, seperti Amoeba, siklus sel penting untuk keabadiannya. Dengan pembelahan sel tersebut, mereka menyebarkan informasi genetik kepada sel anaknya, yang sama seperti disebarkan pada jutaan generasinya. Dalam tumbuhan dan hewan multiseluler, sejumlah sel terus-menerus tumbuh dan membelah untuk kehidupan organisme tersebut. Pada tumbuhan terdapat pada sel-sel di ujung akar yang selalu memasuki kedalaman tanah. Pada hewan, sel-sel tersebut terdapat pada usus halus saluran pencernaan dan secara terus-menerus menghasilkan sel baru yang mengelupas bersamaan dengan makanan yang dicerna.

Pada sebagian besar organisme multiseluler, terjadi siklus sel sangat lambat atau berhenti membelah dan tetap, hal ini terjadi pada bagian tahap kehidupan seseorang yang berumur tua atau sakit atau memasuki kematian. Sel yang termasuk disini adalah sel otot, dan sel saraf pada hewan, sedangkan pada tumbuhan adalah sel-sel pembuluh yang mengatur pembentukan gula.

(1). Tahap-tahap Siklus Sel

Dalam siklus sel yang normal, periode diantara pembelahan sel dapat berlangsung lama, sedangkan fase pembelahannya berlangsung secara cepat (gambar 2-5). Siklus sel dimulai dengan suatu periode metabolisme normal yang disebut G₁ (gap 1). Selama fase ini , sel mensintesis, merangkai dan menggunakan bagian-bagian yang dibutuhkan untuk fungsinya secara normal. Selanjutnya fase S (fase sintesis), ketika sintesis berlangsung dan DNA direplikasi, juga disintesis protein histon. Jumlah DNA dalam nukleus digandakan, sedangkan histon dan protein kromosomal lainnya disintesis dalam sitoplasma, kemudian memasuki nukleus dan bergabung dengan DNA untuk membentuk kromatin. Setiap kromosom pada fase S sekarang memiliki dua rantai DNA yang identik yang asalnya satu rantai pada awal fase G₁. Dua rantai kromosom yang serupa hasil duplikasi tersebut digabungkan oleh sentromer , disebut kromatid. Pada akhir fase S, sel memasuki fase G₂ (gap 2), suatu periode singkat metabolisme normal dan pertumbuhan selama sel membangun sejumlah protein dan senyawa lainnya. Selama fase G₁, S, dan G₂, nukleus dinamakan mengalami interfase, diantara pembelahan nukleus. Sekali suatu sel memasuki fase S, secara normal akan melewati fase S dan G₂ dan menuju pembelahan sel selama fase M.

(2). Pengendalian Siklus Sel

Satu masalah yang penting dalam biologi yaitu memahami bagaimana siklus sel diatur?. Sebagian besar sel hewan dan sejumlah tumbuhan memerlukan jumlah jam, hari dan bulan pada fase G₁ sebelum memulai fase S dan M. Dan pada sel saraf, otot, dan sel pengangkut gula, sel dewasa fungsional tetap berada dalam keadaan tidak membelah, kadang-kadang disebut G₀. Apa yang dapat mencegah dan memicu pembelahan sel pada waktu yang tepat?.

Para ahli biologi sudah menemukan bahwa ketika nukleus dari sel yang tidak membelah (seperti sel saraf) ditransplantasikan ke dalam sel inang yang berada pada fase S, dalam beberapa menit DNA berreplikasi, karakteristik fase S dimulai dalam nukleus sel saraf yang ditransplantasikan. Percobaan demikian menyarankan bahwa status (keadaan) sitoplasma sel, mengendalikan aktifitas nukleus dan membantu menentukan fase tersebut dalam siklus sel.

Selanjutnya, apa penentu status sitoplasma tersebut?. Satu faktor adalah lingkungan eksternal sel. Contohnya pada hewan multiseluler, sel normal bergantung-kontak. Sel-sel tersebut dapat bergerak dan membelah jika hanya berlekatan dengan bentuk senyawa padat tertentu. Faktor lain adalah Kalsium intraseluler, tipe sel tertentu harus mengeluarkan Kalsium sebelum melalui siklus mitosis.

Pada hewan dan tumbuhan, faktor luar dapat memicu atau menghambat siklus sel. Contohnya pada tumbuhan tinggi, hormon yang disebut sitokinin memicu aktifitas mitosis pada akar, batang dan daun, sedangkan pada hewan tingkat tinggi, hormon somatomedin, insulin, dan faktor pertumbuhan epidermal dapat memicu semua sel untuk membelah. Sel hewan juga memiliki penghambat pembelahan sel yang disebut chalones. Beberapa ahli biologi percaya bahwa chalones berkurang pada daerah suatu luka jadi pembelahan sel baru dapat memperbaiki luka; kemudian jumlah chalones meningkat sekali luka disembuhkan untuk mencegah pertumbuhan sel secara berlebih.

Memahami bagaimana siklus sel dikendalikan sangatlah penting untuk mempelajari kanker. Pada beberapa tipe kanker, pengendalian mitosis secara normal tertekan. Sedangkan pembelahan tidak lebih cepatsuatu sel tumor terbesar lebih aktif membelah dibandingkan dengan sel normal dengan tipe sama, dan sel anak terus-menerus membelah, siklus setelah siklus. Para peneliti kanker dan ahli genetik memusatkan perhatiannya pada bahan pengendali siklus sel. Contohnya, kelompok pertama adalah saat ini telah ditemukan bahwa sel ragi (yeast) memiliki sebuah gen tertentu yang dapat menghentikan atau memperlambat siklus sel ketika sel mengalami kerusakan akibat radiasi yang mematikan. Perlambatan membutuhkan waktu untuk memperbaiki enzim akibat kerusakan tetap dan dianjurkan bahwa siklus sel dapat berada dibawah pengendalian genetik yang tepat.

D. Beberapa Tipe Reproduksi Sel

(1). Pembelahan Sel Langsung (Biner)

Inti sel bakteri dan beberapa alga uniseluler tidak memiliki membran (prokariot), kromosomnya sirkuler atau berbentuk lingkaran, disebut nukleoid. Ketika sel akan membelah kromosom dan seluruh isi sel digandakan , selanjutnya sel membelah menjadi 2 sel yang baru tanpa melalui siklus sel seperti proses reproduksi pada sel eukariot.

Pada sel bakteri terjadi pembelahan biner atau pembelahan sel menjadi dua sel anak yang identik atau serupa. Pembelahan sel secara biner dimulai ketika sel mulai memanjang dan dinding sel tua membelah pada tempat dekat bagian tengah sel. Pada bagian tengah, kromosom bakteri yang sirkuler melekat pada membran plasma. Enzim-enzim segera memisahkan dua rantai DNA. Setelah replikasi DNA dimulai, titik awal perlekatan terhadap membran plasma menjadi dua titik, membran baru disisipkan diantara keduanya, dan bergerak menjauh. Bahan dinding sel baru mulai dibentuk pada tempat tersebut, membentuk septum yang meluas ke arah luar selama sel membelah menjadi dua.

(2). Mitosis

Siklus sel terdiri dari :

(a). Interfase (tahap persiapan) yaitu : fase G₁ berlangsung selama 15 jam sampai beberapa bulan, tahap terjadinya metabolisme dan sintesis berbagai komponen sel, untuk pertumbuhan sel. Dilanjutkan fase S berlangsung selama 10 jam, tahap terjadinya replikasi DNA kromosom dan sintesis histon. Dilanjutkan fase G₂ berlangsung selama 2 jam, pertumbuhan sel dan metabolisme normal berlanjut sampai terjadi Mitosis.

(b). Mitosis

Profase : membran inti hancur, kromosom memendek, sentriol bereplikasi dan berpisah, nukleoli (anak inti) menghilang.

Metafase : sentriole berada pada dua kutub, muncul spindle/ benang-benang gelendong, kromosom berada pada bidang equator, sentromer terbagi dua

Anafase : tiap kromosom terbagi dua, berpisah, masing-masing menuju ke arah kutub berlawanan

Telofase : benang gelendong menyusut, membran inti terbentuk kembali, nukleoli terlihat kembali, kromosom mulai memanjang.

Mitosis selesai dilanjutkan dengan sitokinesis : sitoplasma terbagi dua, pada sel hewan membran sel melekuk, kromosom kembali ke ukuran semula. Pada sel tumbuhan membran sel tidak melekuk, tapi terbentuk lempengan sel di bagian bidang pembelahan.

(3). Meiosis

Siklus sel terdiri dari :

(a). Interfase (tahap persiapan) yaitu : fase G₁ berlangsung selama 15 jam sampai beberapa bulan, tahap terjadinya metabolisme dan sintesis berbagai komponen sel, untuk pertumbuhan sel. Dilanjutkan fase S berlangsung selama 10 jam, tahap terjadinya replikasi DNA kromosom dan sintesis histon. Dilanjutkan fase G₂ berlangsung selama 2 jam, pertumbuhan sel dan metabolisme normal berlanjut sampai terjadi Meiosis.

(b). Meiosis

Profase I : membran inti hancur, kromosom memendek, sentriol bereplikasi dan berpisah, nukleoli/anak inti menghilang, terdapat kompleks sinaptik yang

menghubungkan pasangan kromosom yang homolog, dan berperan sebagai reslueting.

Metafase I : sentriol berada pada dua kutub, muncul spindle/ benang-benang gelendong, kromosom homolog yang dihungkan kopleks sinaptik berada pada bidang equator.

Anafase I : kromosom yang homolog berpisah bergerak ke arah kutub berlawanan, sentromer tidak terbagi dua.

Telofase I : benang gelendong menyusut, membran inti terbentuk kembali, nukleoli terlihat kembali, kromosom mulai memanjang , jumlah kromosom sel anak setengah dari kromosom sel induk.

Meiosis I selesai dilanjutkan dengan

sitokinesis : sitoplasma terbagi dua, sekarang sel anak hanya memiliki jumlah kromosom setengah dari jumlah kromosom sel induk, masing-masing kromosom memiliki dua kromatid.

Interfase meiosis : sel induk menjadi dua sel anak dengan jumlah kromosom setengah dari induknya.

Profase II : kromosom memadat, membran inti hancur, sentriol bereplikasi dan berpisah.

Metafase II : sentriol berada pada dua kutub, terbentuk benang gelendong, kromosom berada pada bidang equator/lempeng metafase.

Anafase II : sentromer terbagi, kromosom pada tiap sel terbagi menjadi dua kromatid, kromatod berpisah menuju arah berlawanan, dan terjadi sitokinesis.

Telofase II: terbentuk 4 sel anak, masing-masing memiliki jumlah kromosom setengah dari induknya. Setiap kromosom hanya mengandung satu kromatid (sel haploid/ n).

Meiosis terjadi pada sel germa atau sel gamet (sperma dan sel telur/ovum), hal yang penting adalah jika terjadi pembuahan maka zigot (calon individu baru) akan memiliki jumlah kromosom yang sama dengan jumlah kromosom orang tuanya ( n + n menjadi 2n).

Meiosis menyebabkan terjadinya variasi genetik pada individu baru. Hal ini terjadi, karena setiap sel kelamin berisi kromosom yang berbeda dengan kromosom orang tuanya. Selanjutnya pada pembuahan, kromosom dalam sel sperma akan bergabung dengan kromosom dalam sel telur selanjutnya menghasilkan sifat gabungan yang berbeda dengan orang tuanya.

Meiosis juga dapat menimbulkan kelainan genetik, jika pemisahan kromosom gagal terjadi. Contoh : manusia yang memiliki kromosom no.21 tiga buah, atau kelainan seksual karena manusia memiliki kromosom sex /penentu jenis kelamin lebih dari 2 buah ( xxx, xxy), dll.