MITOKONDRIA PADA HEWAN

Desfaur Natalia

Universitas Negeri Padang, Jl. Air Tawar Barat Padang

Email desfaurnatalia@ymail.com

Pendahuluan

Pada awalnya sel-sel eukariotik adalah keturunan dari organisme anaerobik primitif

yang berhasil dan bertahan hidup di dalam lingkungan yang menjadi kaya akan oksigen

dengan cara menelan bakteri aerobik (yang sekarang kita sebut mitokondria). Bakteri tersebut

tidak pecah, tetapi sebaliknya dipelihara dan dipertahankan dalam sel secara simbiositis untuk

dapat dimanfaatkan kemampuannya dalam mengikat oksigen atmosfer dan memproduksi

energi.

Mitokondria adalah organel intraseluler yang bertanggung jawab untuk oksidasi

biologis dalam sel mamalia. Setiap sel mamalia berisi beberapa ribu mitokondria. Ukuran,

bentuk dan kelimpahan mitokondria bervariasidalam tie sel yang berbeda dan dapat berubah

sesuai permintaan energi yang berbeda dan berbeda fisiologis dan kondisi lingkungannya.

Kelimpahan mitokondria dalam sel ditentukan oleh biogenesis dan pembagian organel.

Kelimpahan mitokondria per sel sacara ketat dikontrol oleh aktivasi faktor transkripsi spesifik

dan jalur sinyal (Chen, 2004).

Selain berfungsi sebagai respirasi sel dan menghasilkan energi yangb berguna untuk

metabolisme tubuh, mitokondria juga berperan dalam apoptosis dan juga untuk identifikasi

forensik.

A. Struktur Mitokondria

Mitokondria adalah organel

intraseluler yang bertanggung jawab untuk

oksidasi biologis dalam sel mamalia.

Mitokondria berisi membran ganda dan

beberapa ratus protein dan 2-10 salinan DNA

mitokondria (mtDNA) dalam matrik tertutup

pada membran dalam mitokondria.

Meskipun mitokondria memiliki genom

mereka sendiri, sebagian besar protein dan

enzim yang berada di membran mitokondria

produk gen nukleus (Hsin et al, 2004).

Mitokondria berbentuk seperti

kapsul. Mitokondria memiliki membran

rangkap yaitu membran luar dan membran

dalam. Mitokondria mengalami pelipatan

kedalam yang disebut dengan krista.

Sebagian reaksi pernafasan terjadi dalam

matriks mitokndria yang dilingkupi oleh

membran dalam, dan yang lain dikatalis oleh

enzim yang ada di dalam membran dalam

(Campbell, 2001).

Ukuran dan bentuk mitokondria

bervariasi menurut jaringannya dan menurut

keadaannya didalam sel. Kebanyakan

mitokondria berbentuk elips/jorong dengan

diameter 0,5-1,0 µm dan panjang sampai 7

µm. Struktur mitokondria terdiri dari empat

bagian utama yaitu membran luar, membran

dalam, ruang antar membran, dan matriks

yang terletak di bagian dalam membran

(Issoegianti, 1993).

Membran dalam mitokondria

mengalami pelipatan ke dalam membentuk

krista yang terdapat didalam matriks.

Pelipatan ini membuat luas total membran

bisa mencapai lima kali luas permukaan

membran luar pada sel hati. Jumlah krista sel

otot jantung tiga kali lebih banyak dari sel

hati. Hal ini menunjukkan adanya kebutuhan

ATP yang lebih besar pada sel jantung

dibandingkan pada sel hati (Herbert, 2011).

Cristae mengandung hampir semua enzim

yang berperan dalam memacu sistem

pengangkutan elektron yang dihasilkan dari

reaksi-reaksi pada siklus krebs (resprasi).

Reaksi ini berlangsung pada matriks yang

kaya protein yang terletak diantara cristae

(Benyamin, 1993).

Selaput dalam membagi ruang

organel dalam dua bagian yaitu matriks yang

berisis cairan seperti gel yang diliputi selaput

dalam dan ruang antar selaput yang berisi

cairan encer. Matriks ruang antar selaput,

selaput luar dan selaput dalam, mengandung

bermacam-macam enzim. Selapaut dalam

kelihatan lebih tebal (6,0-8,0 nm) daripada

selaput luar kira-kira 5,0 nm.

Selaput dalam membagi ruang

organel menjadi dua yaitu matriks dan ruang

antar selaput matriks berisi cairan seperti gel

diliputi oleh selaput dalam. Matriks, ruang

antar selaput, selaput luar dan selaput dalam

mengandung bermacam-macam enzim siklus

kreb, garam dan air, DNA sirkuler dan

ribosom. Selaput dalam mempunyai area

permukaan yang lebih luas karena lipatan-

lipatan dan masuk ke dalam matriks.

Lipatan-lipatan ini disebut krista yang

bervariasi dalam jumlah dan bentuknya.

Mitokondria dapat mengkode bagian-bagian

proteinnya dengan alat-alat yang dimiliki

(Issoegianti, 1993).

B. DNA Mitokondria

Mitokondria memiliki DNA

tersendiri, yang dikenal sebagai mtDNA.

mtDNA berpilin ganda, sirkular, dan

tidak terlindungi membran (prokaryotik).

MtDNA mengandung 37 gen pengode

untuk 2 rRNA, 22 tRNA dan 13

polipeptida yang merupakan sub unit

kompleks enzim yang terlibat dalam

fosforilasi oksidatif, yaitu subunit 1, 2, 3,

4, 4L, 5 dan 6 dari kompleks I, subunit b

(sitokrom b) dari kompleks III, subunit I,

II dan III dari kompleks IV (sitokrom

oksidase) serta subunit 6 dan 8 dari

kompleks V (Montenecourt et al, 1970).

DNA mitokondria banyak

ditemukan pada sel-sel otot atau jaringan

yang memiliki aktivitas metabolit atau

pada daerah-daerah yang memerlukan

ATP dalam jumlah banyak, seperti pada

bagian ekor sel sperma. Sel epitel yang

aktif membelah pada jaringan epidermis

kulit dan sel otot jantung (Wagner, 1972)

DNA mitokondria banyak

dimanfaatkan dalam keperluan analisis

baik analisis filogeni maupun analisis

forensik. Menurut Pereita (2010)

menyatakan ada tiga karakteristik

mtDNA yang dapat dijadikan alat yang

signifikan untuk keperluan analisis.

Pertama, mtDNA mempunyai copy

number yang tinggi, meskipun di dalam

sel yang tidak mengandung inti. Jumlah

copy per sel yaitu sekitar 1000-10.000

sehingga mtDNA dapat digunakan untuk

analisis sampel dengan jumlah DNA

yang sangat terbatas, atau DNA yang

mudah terdegradasi, apabila analisis

DNA inti tidak dapat dilakukan. Kedua,

mtDNA diturunkan secara maternal

sehingga setiap individu pada garis

keturunan ibu yang sama akan

mempunyai tipe mtDNA yang identik.

Ketiga, mtDNA mempunyai laju

poliformis yang tinggi dengan laju

evolusinya sekitar 5-10 kali lebih cepat

dari DNA inti.

Chen et al (2005) dalam

penelitiannya menyatakan mtDNA

dapat mewakili unsur genomik yang

paling informatif untuk menguraikan

asal ternal. Garis keturunan A adalah

yang paling berbeda dan secara luas

penyebarannya ke semua benua. Garis

keturunan B adalah dari timur dan Asia

selatan, mencakup Mongolia, Laos,

Malaysia, Pakistan, dan India. Garis

keturunan C dengan frekwensi rendah di

Mongolia, Switzerland, Slovenia,

Pakistan, dan India. Garis keturunan D

adalah jarang dan hanya diamati di

Pakistan dan kambing lokal India.

Dijelaskan Wagner (1972)

dalam penelitiannya DNA mitokondria

(mtDNA) memiliki sejumlah sifat

genetik khas yang membedakannya dari

genom inti. Pada manusia DNA

mitokondria hanya diturunkan lewat

jalur ibu tanpa rekombinasi. DNA

mitokondria pada sel anak seluruhnya

disumbangkan oleh ibu dan sperma

sama sekali tidak berkontribusi.

Keunikan sistem penurunan ini telah

dimanfaatkan dalam berbagai bidang

yaitu penentuan hubungan kekerabatan,

studi evolusi dan migrasi global manusia

modern, bidang forensik dan identifikasi

penyakit genetik. Keunikan lain dari

mitokondri yaitu memiliki laju mutasi

yang lebih tinggi dibandingkan dengan

DNA inti yaitu laju mutasi menetap gen-

gen mtDNA 10-7 kali lebih cepat

daripada yang terlibat dalam fosgolilasi

oksidatif yang dikode oleh DNA inti.

DNA mitokondria berbeda

dengan DNA inti pada lokasi, urutan,

kuantitas dalam sel, dan cara

pewarisannya (dari orang tua ke anak).

Sel hanya memiliki satu inti sel yang

mengandung 2 set kromosom, yaitu satu

set paternal dan satu set maternal. Akan

tetapi sel dapat mengandung ratusan

hingga ribuan mitokondria dan masing-

masing mitokondria dapat mengandung

beberapa copy mtDNA. DNA inti

memiliki jumlah basa yang lebih banyak

dibandingkan DNA mitokondria, tetapi

molekul mtDNA terdapat dalam jumlah

copy yang jauh lebih banyak daripada

molekul DNA inti. Karakteristik

mtDNA ini sangat berguna pada situasi

di mana jumlah DNA sampel sangat

terbatas, seperti sampel-sampel yang

diambil dari kasus kriminal yaitu

rambut, tulang, gigi, cairan tubuh (air

liur, air mani, darah) (Pereira, 2010).

Keunggulan mtDNA, selain

DNA inti, DNA mitokondria (mtDNA)

telah digunakan dalam bidang forensik

dan menjadi barang bukti di pengadilan

Amerika dan Eropa. Kelebihan utama

penggunaan mtDNA adalah jumlah

molekulnya yang mencapai ribuan dalam

satu sel sehingga memungkinka

dilakukan analisis dari sampel yang

sangat sedikit, misalnya cairan tubuh,

akar atau batang rambut bahkan tulang

dan fosil tulang.

Kelemahan penggunaan mtDNA

adalah kemungkinkan menemukan

kesamaan antar individu yang relatif

tinggi, terutama individu yang terkait

hubungan keluarga segaris ibu.

Kelemahan ini jadi menguntungkan bila

yang dilakukan adalah perunutan

hubungan keluarga.

C. Fungsi Mitokondria pada Sel Hewan

Mitokondria berfungsi sebagai

tempat respirasi seluler yang

menghasilkan ATP dan bahan bakar

organik seperti gula (Campbell, 2002).

Mitokondria juga memiliki banyak

fungsi metobolisme didalam sel,

termasuk fase-fase yang menghasilkan

tenaga pada metabolisme karbohidrat dan

lemak (respirasi), sintesis ATP, dan

sintesis porfirin (Issoegianti, 1993).

ATP (adenin tripospat) adalah

sebuah molekul dari struktur fosfat yang

bisa merombak energi untuk reaksi

kimia. Banyak enzim yang mengkatalis

reaksi pengubahan antara molekul ke

ATP. Karena itu, mitokondria tepat

disebut sebagai “Power House of The

Cell” (Grove, 1968).

Mitokondria melakukan oksidasi

seluler dan menghasilkan sebagian besar

ATP pada sel hewan. Matrik mitokondria

berisi berbagai macam enzim, termasuk

yang mengkonversi asam piruvat dan

lemak untuk asetil KoA dan yang

mengoksidasi asetil Koa ke CO2 melalui

siklus asam sitrat. Sejumlah besar NADH

(dan FADH2) yang dihasilkan oleh reaksi

oksidasi.

Energi yang tersedia dari

penggabungan molekul oksigen dengan

elektron reaktif yang dibawa oleh NADH

dan FADH2 dimanfaatkan oleh rantai

transpor elektron dalam rantai membran

mitokondria bagian dalam yang disebut

rantai pernafasan. Rantai pernafasan

pompa H+ keluar dari matrik untuk

membuat transmembran elektrokimia

proton (H+) gradien, yang mencakup

kontribusi dari kedua potensi membran

dan perbedaan pH. Jumlah besarnya

energi bebas yang dilepaskan ketika H+

mengalir kembali ke dalam matriks

(melintasi membran dalam) memberikan

dasar untuk produksi ATP dalam matriks

oleh mesin sintase protein yang luar

biasa menghasilkan ATP. Transmembran

elektrokimia gradien juga digunakan

untuk menggerakkan transpor aktif dari

metabolit dipilih melintasi membran

dalam mitokondria, termasuk ATP-ADP

efisien pertukaran antara mitokondria

dan sitosol. Rasio yang tinggi dihasilkan

dari ATP untuk produk hidrolisis yang

membuat perubahan energi bebas untuk

hidrolisis ATP yang sangat

menguntungkan, sehingga reaksi

hidrolisis untuk mendoromg sejumlah

besar energi membutuhkan proses.

Mitokondria sebagai penghasil

energi dalam bentuk ATP yang

diperlukan untuk menjaga aktivitas dan

integritas sel. Dalam mitokondria sintesis

ATP dapat berlangsung dengan adanya

ATP sintase. ATP sintese merupakan

enzim yang mensintesis ATP melalui

fosforilasi oksidatif. Dalam enzim

tersebut terdapat bagian yang dikode oleh

mtDNA, yaitu ATPase 6 dan ATPase 8.

Enzim ini bekerja dengan cara

menggunakan energi dari gradien proton

yang dihasilkan selama proses transfer

elektron (Albert, 1991).

Dalam transfer elektron, masing-

masing kompleks menerima dan

melepaskan elektron. Elektron tersebut

pada akhirnya akan ditangkap oleh

oksigen molekuler yang kemudian

bereaksi dengan sepasang ion hidrogen

untuk membentuk molekul air. Selama

proses transfer elektron tersebut, masing-

masing kompleks memompa ion

hidrrogen (proton) dari matriks

mitokondria ke dalam ruang antar

membran. Dengan demikian terjadi

perbedaan konsentrasi proton pada

matriks dan ruang antar membran.

Gradien proton tersebut dapat

menggerakkan proton kembeli melintasi

membran menuruni gradiennya. Ketika

ion hidrogen mengalir menuruni

gradiennya, kompleks ATP sintase

bekerja untuk memfosforilasi ADP

menjadi ATP.

Adanya gangguan atau mutasi pada

mtDNA khususnya pada daerah ATPase

6 akan berpengaruh terhadap sintase

ATP. Aktivitas ATP sintase dalam otot

rangka berkaitan erat dengan konsumsi

oksigen secara maksimum dan

aktivitasnya meningkat ketika melakukan

aktivitas fisik (olahraga).

Berdasarkan fakta tersebut, maka

seseorang yang tinggal pada daerah

dataran tinggi dan seseorang didataran

rendah akan memiliki perbedaan laju

metabolisme tubuh. Di dalam tubuh

manusia terdapat suatu sistem

keseimbangan yang berperan dalam

menjaga fungsi fisiologi tubuh untuk

beradaptasi dengan lingkungannya.

Proses adaptasi yang dilakukan oleh

tubuh manusia salah satunya adalah

beradaptasi terhadap perbedaan

ketinggian. Daerah dataran rendah

diketahui memiliki jumlah oksigen yang

relatif lebih banyak dibandingkan dengan

dataran tinggi. Hasil dari adaptasi

tersebut memungkinkan terjadinya

perubahan fisiologi dalam hal respirasi ,

sirkulasi dan jumlah sel darah erah dalam

tubuh. Pada orang yang tinggal didataran

tinggi, suplai oksigen ke seluruh jaringan

menjadi berkurang. Untuk mengatasi hal

tersebut tubuh beradaptasi dengan

meningkatkan jumlah sel darah merah.

Semakin tinggi jumlah sel darah merah

dan konsentrasi hemoglobin, maka

kapasitas oksigen respirasi akan

meningkat.

Namun jika suplai oksigen yang

dibutuhkan oleh mitokondria untuk

menjalankan sistem metabolisme

berkurang , maka akan berdampak pada

proses fosforilasi oksidatif. Dalam proses

fosforilasi di mitokondria, oksigen dari

hasil respirasi berperan sebagai akseptor

elektron. Rendahnya konsumsi oksigen

mengakibatkan meningkanya level

reduksi dari sitokrom B sehingga akan

terbentuk ubisemikuinon. Ubisemikuinon

tersebut kemudian berinteraksi dengan

O2 dan menghasilkan radikal oksigen

(ROS). Tingginya produksi ROS dapat

menyebabkan kekacauan sistem

metabolik pada mitokondria. Radikal

oksigen tersebut dapat menyebabkan

mitokondria mengalami defisiensi

produksi energi ATP.

Meningkatnya level ROS dapat

mengakibatkan terjadinya mutasi pada

mtDNA, sehingga besar kemungkinan

terdapat heterogenitas varian nukleotida

daerah ATP ase 6 manusia pada populasi

dataran tinggi dan dataran rendah.

Meskipun mitokondria berperan

dalam respirasi dan pembentukan energi,

aliran elektron dalam mitokondria yang

melalui rantai transpor elektron

menciptakan perbedaan potensial di

membran dalam, yang digunakan untuk

produksi ATP. Namun, intrinsik tidak

efisien pada transpor elektron, dan

merusak fungsi mitokondria. Menurut

Zhang & Ney, 2010) Penurunan fungsi

mitokondria menyebabkan peningkatan

relatif generasi spesies oksigen,

penurunan fungsi sel dan berpotensi

terhadap kematian sel. Oleh karena itu,

untuk menjaga homeotasis seluler,

mekanisme berevolusi untuk selektif

menghilangkan cacat mitokondria.

Ketika sel-sel merasakan

kekurangan dalam fungsi respirasi

mitokondria selama penuaan atau setelah

terpapar stres lingkungan, mitokondria

termotivasi untuk menyediakan energi

untuk memenuhi kebutuhan sel. Dalam

rangka meningkatkan pasokan energi

untuk memperbaiki dan menghilangkan

kerusakan sel komponen, beberapa sinyal

(misalnya H2O2) ditransmisikan ke inti,

di mana sel dapat menghentikan

pertumbuhan dan sekaligus menginduksi

proliferasi mitokondria dan amplifikasi

mtDNA untuk menghasilkan lebih

fungsional mitokondria. Setelah

kerusakan diperbaiki efektif atau

dihilangkan, sel dapat kembali memasuki

siklus sel dan melanjutkan pertumbuhan

normal. Namun, sekali kerusakan

berlanjut terlalu lama atau terlalu serius

untuk diperbaiki, mitokondria bisa

merasakan dan mengintegrasikan

ekstraseluler atau tekanan ekstra-

mitokondria dan sinyal untuk mendorong

sel dalam proses kematian sel ireversibel

(Chen et al. 2005).

D. Hubungan Mitokondria dengan

Apoptosis

Apoptosis, suatu bentuk

kematian sel terprogram (PCD), adalah

sel program bunuh diri penting untuk

pembangunan dan untuk dewasa

homeostasis jaringan di semua hewan

metazoan.

Gambar 1. Model mekanisme untuk

induksi fragmentasi mitokondria dan

hubunganya dengan MOMP, krita

renovasi dan sitokrom c rilis (Arnoult,

2006)

apoptosis. (a) sinyal apoptosis memicu

translokasi Bax dan Drp1 mitokondria.

Selanjutnya, aktif Bax berpartisipasi

dalam aktivasi Drp1-dimediasi fisi

mitokondria dan mungkin juga

menghambat fusi mitokondria dengan

berinteraksi dengan Mfn2. Krista renovasi

terjadi dengan mekanisme yang tidak

diketahui mungkin berhubungan dengan

aktivasi fisi dan / atau penghambatan fusi.

Aktif Bax membentuk saluran melintasi

membran luar mitokondria, sehingga

MOMP dan sitokrom c rilis.

(b) apoptosis sinyal menginduksi

pelepasan kalsium ER, mengakibatkan

translokasi Drp1 mitokondria dan induksi

fragmentasi. Melalui mekanisme yang

tidak diketahui, Drp1 memicu krista

renovasi. Selanjutnya, Bax translokasi dan

pembentukan Bax mengandung saluran

memicu MOMP dan sitokrom c rilis.

(c) sinyal apoptosis memicu translokasi

Bax untuk mitokondria. Aktif Bax

membentuk saluran yang menginduksi

MOMP dan pelepasan beberapa protein

larut terlokalisasi dalam ruang

antarmembran seperti beberapa sitokrom

c dan OPA1, dan DDP/TIMM8a. Rilis

OPA1 memicu krista renovasi untuk

memungkinkan pembebasan sisa sitokrom

c, dan ini adalah terkait dengan

penghambatan fusi mitokondria. Secara

paralel, sekali dalam sitosol,

DDP/TIMM8a mengikat Drp1,

mempromosikan translokasi untuk

mitokondria dan induksi Drp1-dimediasi

fisi. Akhirnya, fusi mitokondria

menghambat dan mengaktifkan fisi

mitokondria sinergis menginduksi

mitokondria menonjol fragmentasi.

DAFTAR PUSTAKA

Arnoult, Damient. 2006. Mitochondria Fragmentation Apoptosis. Unite de Physiophatologie des Infection Lentivirale, Institut Pastuer. Trend in Cell Biology Vol.17 No.1

Arnoult, D. 2007. Mitochondria Release of Apoptosis-Inducing Factor Occurs Downstream af Cytochrome C Release To Several Proapoptotic Stimuly. Jurnal Of Cell Biology, 159 (6): 923-929

Campbell. 2002. Bilogi Jilid I edisi Kelima, Erlangga, Jakarta

Chen Lee & Yau-Huei Wei. 2005. Mitochondria Biogenesis and Mitochondria DNA Maintenance of Mammalian Cells Under Oxidative stress. The Internasional Journal of Biochemistry & Cell Biology 37 (2005) 822-834.

Chen, S. Y., Y. H. Su, S. F. Wu, T. Sha and Y. P. Zhang. 2005. Mitochondrial diversity and phylogeographic structure of Chinese domestic goats. Molecular phylogenetics and Evolution. 37: 804–814

Cummins, Jim. 1998. Mitochondria DNA in Mammalian Reproduction. Division of Veterenary and Biomedical Sciences, Murdoch University ; Australia

Grove, S.J. 1968. Animal Biology 7 Edition. University Tutorial Press LTD, Foxton Near Cambridge.

Issoegianti, S.M. 1993. Biologi Sel. Depdikbud, Jakarta

Montenecourt, Margaret E.Langsam & Donald T.Dubin. 1970. Mitochondria RNA From Cultured Animal Cells. A Comparison of the High Moleculer Weight RNA from Mouse and Hamster

Cells. The journal of Cell Biology Volume 46, 245-251

Wagner, Robert P. 1972. The Role of Maternal Effects in Animal Breeding : II Mitochondria and Animal Inheritance. Journal of Animal Science http://www.journalofanimalscience.org/content/35/6/1280.

Zhang, Ji & Ney, Paul A. 2010. Reticulocyte mitophagy Monitoring Mitochondria Clearance in a Mammalian Model. Department of Biochemistry; St.Jude Children’s Research Hospital; Memphis, TN USA. www.landesbioscience.com