SEL

Uswatun Hasanah, S.Si, M.Biomed

Departemen Biologi Molekuler FK UPN Veteran Jakarta

PENDAHULUAN

- Robert Hooke (1665) melihat irisan gabus dengan kaca pembesar (loop) kotak-kotak kecil disebut sel (cella). - Anthony van Leewenhook (1668) mengkonstruksi mikroskop I, mengamati air kolam organisme uniseluler (bakteri, protozoa) -Mathias Schleiden (1838) & Theodore Schwann (1839) mengemukakan teori tentang sel : - semua makhluk hidup (tumbuhan & hewan) terdiri dari sel yang merupakan unit terkecilnya. - setiap sel dapat berfungsi secara independent, tetapi juga dapat berperan sebagai bagian integral makhluk hidup. - Pengamatan dengan mikroskop melahirkan teori : sel/makhluk hidup berasal dari sel/makhluk sebelumnya

BIOLOGI SELBersifat fundamental bagi sistem kehidupanUnit dasar bagi struktur dan fungsi organisme.Mengindera dan merespon fluktuasi lingkunganBentuknya dapat sangat berbeda satu sama lain, tapi semuanya memiliki beberapa kesamaan karakteristik.

Bidang kedokteran/kesehatan :

- pengertian mendasar tentang kehidupan pada tingkat sel & molekul dalam keadaan normal dan patologis.- Diperlukan untuk pengelolaan dan manajemen kesehatan : diagnosis pengobatan, dll.

Sebagai unit kehidupan dapat memperlihatkan sifat-sifat hidup yang universal :1. mengekstraksi energi dari lingkungan.2. bereaksi (peka) terhadap rangsang tropisme.3. tumbuh dan berkembang biak mempertahan kan kelangsungan (kontinuitas) kehidupan.

Berdasarkan komposisi sel yang menyusunnya dibedakan organisme :- uniseluler sel adalah organisme- multiseluler organisme terdiri dari banyak sekali sel dan terorganisasi : sel jaringan organ.

Sel mempunyai sistem (pengaturan) universal yang lestari (conserve) tidak berubah oleh proses evolusi :- membawa informasi genetik berupa DNA dan mentransfer informasi genetik untuk mengatur & mengontrol aktifitas kehidupan.- memproduksi dan menggunakan ATP untuk menyelenggarakan aktifitas kehidupan.

Berdasarkan tingkat evolusinya sel dibedakan menjadi 2 golongan : prokariota & eukariota.

Sistem (pengaturan) informasi genetik dalam sel :

Prokariota : - DNA terlokasi bebas di dalam sel, tidak mempunyai batas yang jelas dengan sitoplasma.- Replikasi, transkripsi dan translasi dilakukan dengan cara sederhana.

Eukariota : - DNA terorganisasi/tersusun kompleks membentuk khromatin,terletak dalam organel yang terpisah dari sitoplasma nukleus & mitokhondria.- Replikasi,transkripsi dan translasi terorganisasi sangat kompleks melibatkan banyak enzim dan organel

Prokariota / Bakteri

Sel sederhana terdiri dari membran dan isi sel (sitoplasma), mempunyai ukuran 10 70 m.

Membran plasma terdiri dari struktur yang disusun fosfolipid bilayer & protein yang tersusun mosaik.

Diluar membran sel diliputi dinding sel terdiri dari komponen-komponen mukopolisakharida dan peptidoglikan.

- Di dalam sitoplasma tdpt materi genetik DNA berbentuk supercoil & menempati daerah dsbt nukleoid. - Di luar nukleoid sitoplasma terdiri dari cairan sel berisi bahan-bahan dan molekul besar/ makromolekul spt ribosom dan bahan-bahan cadangan sebagai perangkat kehidupan sel.

Eukariota

Sel dengan tingkat evolusi sempurna.

Uniseluler : yeast, amuba, protozoa.Multiseluler : binatang & tumbuh-tumbuhan terorganisasi sel jaringan organ

Komposisi sel :sistem membransitoplasmainti selorganel sel

MEMBRAN SELMembran sel penting untuk kehidupan sel Membungkus sel dan membatasi sel dari lingkungan sehingga memelihara perbedaan esential antara sitoplasma dan lingkungan ekstraseluler Membungkus organel-organel sel, spt retikulum endoplasma, badan Golgi, mitokondria, dll; memelihara perbedaan karakteristiknya dengan sitoplasma. komponennya dapat bertindak sebagai: - penghasil ATP, yang digunakan untuk transport molekul- molekul melewatinya - penghasil dan penghantar sinyal elektris pada sel saraf - reseptor atau protein penerima sensor sinyal ekstraseluler

Walaupun mempunyai fungsi yang berbeda-beda membran pada sel mempunyai struktur yang umum, yaitu terdiri dari: 2 lapis lemak/lipid (lipid bilayer) protein .

Molekul protein dan lipid berinteraksi dengan ikatan nonkovalen.Komposisi dan jenis lipid/protein yang menyusun membran sel bervariasi menurut jenis, fungsi sel dan spesies.Lipid membran sel Fosfolipid (bag. terbesar) bersifat amfifatik mempunyai bagian hidrofobik & hidrofilik

Lapisan Lipid bilayer mempunyai permeabilitas yang berbeda terhadap berbagai macam molekul Cepat berdifusi melewati lipid bilayerDapat berdifusi, tetapi lambatDapat berdifusi, tetapi sangat lambatTidak dapat berdifusi impermeabel

2 Kelas Utama Protein Transport pada MembranProtein pembawa (Carrier) = permeases = transporters Mengikat molekul yang akan dibawanya kemudian mengalami perubahan konformasi sehingga akhirnya dapat menmindahkan molekul tsb dari luar sel ke dalam sel atau sebaliknya.Protein kanal Membentuk pori/kanal pada lipid bilayer, ketika pori terbuka membiarkan molekul-molekul (terutama ion-ion) melewatinya dari dan ke dalam sel atau sebaliknya.Transport melalui protein kanal lebih cepat dibandingkan dengan protein carrier 1. Protein carrier2. Protein kanal

Transport pada membran yang diperantarai oleh protein membran bersifat : pasif, - karena adanya perbedaan konsentrasi molekul di dalam dan di luar sel (konsentrasi gradient) - melewati protein kanal atau protein carrier aktif, - karena adanya aktifitas memompa molekul-molekul yang mempunyai perbedaan sifat elektrokimia (electrochemical gradient) oleh protein carrier. - menggunakan energi, seperti ATP

Protein membran (protein transmembran)Bertanggung jawab terhadap banyak fungsi membran seperti sebagai reseptor, enzim, atau protein transport, dll. Jumlah dan tipe dari protein pada plasma membran sangat bervariasi.Misalnya, pada membran mielin pada bagian axon dari sel saraf kurang dari 25 % dari masa membran adalah protein.Pada membran yang terlibat dalam pembentukan ATP (yaitu membran bgn dalam mitokondria atau kloroplast) mengandung 70 % protein

3 Klas protein membranProtein membran integral / intrinsikProtein membran peripheral / ekstrinsikLipid-anchored membrane proteinA.B.C.

Berbagai bentuk asosiasi protein membran dengan lipid bilayerhelix tunggal multipel helix-sheet yang memutar (-barrel)Amphipatik helix terikat pada monolayer sitoplasmik5. Protein membran yang menempel pada monolayer sitoplasmik6. Protein membran yang menempel pada monolayer nonsitoplasmik melalui ikatan oligosakarida7 & 8. Interaksi dengan protein membran lain melalui ikatan nonkovalen 1 2 3 4 5 6 7 8

SISTEM TRANSPORT PADA MEMBRANTransport molekul dari dan ke dalam sel melalui membran bertujuan untuk:Memasukkan komponen nutrien yang penting untuk metabolisme sel Membuang produk limbah metabolisme selMengatur konsentrasi ion intraselulerProtein membran memegang peranan penting dalam transport molekul pada sel 15 30 % protein pada sel adalah protein transport

NUKLEUSMateri genetik (DNA) tdpt dalam organel nukleus & mitokhondria.Di dalam nukleus DNA dikemas berikatan dengan histon oktamer (H2A H2B H3 H4 )2 H1 nukleosom.Polimer nukleosom khromatinKondensasi khromatin Khromosom (waktu mitosis)

- Khromatin yang aktif bertranskripsi terbebas dari histon, membentuk tonjolan (loop) tegak lurus dengan sumbu khromatin

- Bagian khromatin yang aktif bertranskripsi eukhromatin transparan (terang).

- Bagian khromatin yang tidak bertranskripsi heterokhromatin dense (gelap).

- Heterokhromatin yang meliputi 1 khromosom terdapat pada khromosom X wanita.

- XX satu X inaktif membentuk badan Barr (sex chromatin) indikator kewanitaan

Barr Body &Drum Stick

RibosomKomponen seluler yang melaksanakan sintesis proteinJumlah ribosom terkait dengan tingginya laju sintesis protein dalam selMembangun protein di dua lokasi pada sitoplasma ;1. ribosom bebas tersebar di dalam sitosol2. ribosom terikat melekat pada sisi luar RE atau selaput nukleus

Retikulum EndoplasmaMerupakan pabrik biosintesisBerbentuk jejaring kantung dan tabung bermembranTerbagi 2 : RE kasar dan RE halus (berdasarkan ada tidaknya ribosom dipermukaan luar)RE halus : sintesis lipid, metabolisme karbohidrat, detoksifiksai obat2an dan racun, menyimpan ion kalsium.RE kasar : membuat protein sekresi

Aparatus GolgiMerupakan pusat pengiriman dan penerimaanTerdiri dari kantong-kantong pipih bermembranAktif dalam sintesis, modifikasi, pemilahan dan sekresi produk-produk selMemiliki dua kutub : sisi cis dan sisi transMembuat beberapa makromolekul, ex : polisakarida

LisososomKantong bermembran yang berisi enzim-enzim hidrolitikOrganel pencernaan tempat makromolekul dihidrolisisHanya dimiliki oleh sel hewan

PeroksisomOrganel dengan berbagai fungsi metabolik terspesialisasi Menghasilkan hidrogen peroksida sebagai produk samping, yang kemudian mengubahnya menjadi air.

MitokondriaDiselubungi oleh dua membran yang merupakan lapisan ganda fosfolipidTempat respirasi seluler terjadi dan sebagian besar ATP dihasilkan.

SitoskeletonJejaring serat yang mengorganisasi struktur dan aktivitas dalam selBerfungsi dalam penyokongan, motilitas, dan regulasiBerinteraksi dengan protein motorik untuk motilitas selTersusun atas tiga tipe struktur : mikrofilamen, mikrotubulus, dan filamen intermediet

Mikrotubulus :tabung berongga dengan subunit protein tubulinMempertahankan bentuk sel, pergerakan organel, pergerakan kromosom, dan motilitas sel (silia atau flagela)

B. MikrofilamenDua untai aktin yang teranyam, masing-masing merupakan polimer subunit protein aktinFungsi kontraksi otot, aliran sitoplasmik, motilitas sel (pada pseudopodia), pembelahan sel.

C. Filamen intermedietMerupakan protein fibrosa yang sangat mengumparBerfungsi mempertahankan bentuk sel, tambatan nukleus dan organel lain.

Sambungan antar selTerdapat 3 tipe utama :Sambungan ketat (tight Junction)Membran plasma sel-sel saling menekan dengan kuat dan disatukan oleh protein spesifik.Berfungsi mencegah kebocoran cairan ekstraseluler2. DesmosomSel-sel tersambung menjadi lembaran kuat, filamen intermediet (protein keratin) menambatkan desmosom pada sitoplasmaBerfungsi melekatkan sel-sel otot3. Sambungan celah ( gap Junction)Mempunyai saluran sitoplasmik, terdiri atas protein-protein membran, dibutuhkan untuk komunikasi antar sel

Pembelahan sel : MitosisDiperlukan untuk tumbuh, regenerasi, dan reproduksiDikoordinasi dengan pertumbuhan dan replikasi DNA menjadi sel baru yang mempunyai genotip identik dengan sel induk dan masa sel dari masa sel induk Sel mengalami siklus: periode yang diperlukan atau dialami sel hasil pembelahan sebelumnya sampai terbentuk sel generasi berikutnya.

Mitosis Mekanisme pembelahan sel somatis secara normal dan menghasilkan 2 sel anak dengan jumlah kromosom/materi genetik yang sama (identik)

Tujuan Mitosis :- Memperbanyak sel (manusia 1014 sel)- Tumbuh dan berkembang- Mengganti sel yang rusak- Regenerasi

Satu siklus sel terdiri dari beberapa fase yang sangat terkoordinasi antara satu fase dengan fase yang lain :pertumbuhan selReplikasi DNADuplikasi kromosom dan distribusinya ke sel baruPembelahan sel/sitokinesis/cleavage

PROKARIOTA :Pertumbuhan dan replikasi DNA terjadi sepanjang siklus sel (tidak ada stadium siklus sel), duplikasi kromosom dan distribusinya ke sel generasi berikutnya dilakukan melalui asosiasi kromosom dengan membran sel pada waktu segmentasi sel.

EUKARIOTA:Tiap fase merupakan satu periode siklus sel. Pengaturan siklus sel dipengaruhi o/ growth factor sehingga pembelahan dan proliferasi sel disesuaikan dengan kebutuhan fisiologi (u/ homeostatis)

Fase Siklus Sel1. Mitosis/Meiosis2. InterfaseINTERFASE :Interval antara akhir mitosis hingga dimulai mitosis berikutnya. 95% waktu siklus selBervariasi pada setiap jenis sel.Dipengaruhi oleh faktor eksternal : ex, hormon

INTERFASE terdiri dari :Fase G-1 (GAP-1) : interval antara akhir M dan permulaan S- persiapan memasuki fase S, sel dalam keadaan aktif melakukan biosintesis untuk pertumbuhan sel selain replikasi DNA. Pada akhir fase S masa sel menjadi 2x sel awal. Fase G1 bervariasi pada setiap jenis sel.Fase S (SINTESIS): Sel mensintesis DNA dengan replikasi DNA nukleus menjadi 2 x mula-mula pada akhir fase S.Fase G2 (GAP 2): interval antara akhir fase S dan awal mitosis (fase M) persiapan memasuki fase M, sel mempersiapkan perangkat untuk mitosis seperti bosintesis histon dan tubulin.

Siklus Sel & Mitosis

Gambaran Sel Dalam Interfase

- Membran nukleus terlihat jelas - Di dalam nukleus terlihat kromatin yang berstruktur halus seperti jala yang akan menjadi kromosom - Terlihat 1 atau lebih bulatan kecil Nukleolus - Di dalam sitoplasma terlihat bulatan Sentrosoma & didalamnya terdapat 2 titik Sentriol

Mitosis Dapat Dipelajari Secara :- Hidup mikroskop fasekontras - Mati akar bawang yang diwarnai dengan hematoxylin (mikroskop cahaya)

Tahap2 Pada Pembelahan Mitosis :- Kariokinesis : pembelahan materi hereditas (dalam inti). Profase Metafase Anafase

- Sitokinesis : pembelahan sitoplasma Telofase

Profase : Kromosom terlihat sebagai benang panjang (kromatid/sister kromatid) yang kemudian menjadi pendek & tebal karena mengalami spiralisasi Kromosom terlihat ganda, kecuali pada kinetochor/sentromer Membran inti & nukleolus mulai hilang Sentriol pada sitoplasma membelah menjadi 2 & bergerak ke kutub berlawanan membentuk benang2 spindel (mikrotubul)

Metafase

Spiralisasi kromosom semakin sempurna sehingga kromosom menjadi pendek & terlihat tebal

Terdapat 3 proses kegiatan : 1. Distribusi : Kromosom menyebar ke perifer 2. Kongregasi : Kromosom bergerak & berkumpul di ekuatorial (kinetochor menempel pada dinding ekuatorial) 3. Orientasi : Kinetochor melekatkan diri pada benang2 spindel Stadium terbaik untuk menghitung & analisis kromosom

Anafase Sentromer/kinetokor membelah menjadi 2 Kromatid tunggal bergerak ke kutub berlawanan akibat tarikan benang2 spindel Daughter Chromosome

Telofase Kromatid tunggal sampai di kutub masing2 Membran inti terbentuk kembali di sekitar kromatin, nukleolus mulai tampak Kromatid terurai kembali menjadi panjang & tipis membentuk kromatin halus Sitokinesis berlangsung sehingga dihasilkan 2 sel anak yang identik

SITOKINESIS : -Sitokinesis melalui proses yang disebut cleavage yang dibentuk cincin kontraktil yang membagi sel menjadi 2 bagian. - Cincin kontraktil terdiri dari aktin dan miosin yang berasosiasi dengan membran plasma yang berbatasan dengan sitoplasma. Cleavage biasanya akan menghasilkan 2 sel baru yang identik dan simetri.

Kontrol Siklus SelM- cyclin , bergabung dengan Cdc-P pada fase G2, diperlukan untuk masuk fase M (mitosis)

G1-cyclin, bergabung dengan Cdc-P pada fase G1, diperlukan untuk masuk ke fase S (sintesis)

- Degradasi cyclin berperan dalam finalisasi proses mitosis

Jika cyclin mengalami delesi/mutasi dan tidak dapat didegradasi Cdk, sehingga cyclin resisten terhadap degradasi maka siklus sel terus dipertahankan, akibatnya pembelahan sel menjadi tidak terkontrol (kelainan)

MEIOSIS :

1. Pembelahan pada sel germinal dalam alat2 reproduksi 2. Dari 1 sel kelamin diploid dihasilkan 4 sel kelamin haploid yang memiliki jumlah kromosom dari kromosom induk (46 23) : Pembelahan Reduksi

Tujuan Meiosis : Mendapatkan individu yang memiliki jumlah kromosom normal (46) yang berasal dari ayah dan ibu

Tingkatan Meiosis :

Meiosis pertama (I) terjadi pembelahan reduksi Meiosis kedua (II) prosesnya = mitosis biasa, (Mitotik Meiosis) Meiosis I 1. Profase I (Leptoten, Zigoten, Pakhiten,Diploten, Diakinesis) 2. Metafase I 3. Anafase I 4. Telofase I

Meiosis II 1. Profase II 2. Metafase II 3. Anafase II 3. Telofase II

Meiosis

Figure 21-5 (part 2 of 2) Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)

Komunikasi sel

Sel harus mampu mengkoordinasikan aktivitasnya.Setiap sel mempunyai cara hidup terintegrasi selama bertumbuh, diferensiasi dan beradaptasi untuk merubah kondisi lingkungan.

Integrasi / korrdinasi tersebut membutuhkan komunikasi antar sel yg diselenggarakan oleh messenger/sinyal baik dengan cara :berjalan jauh dari sel satu ke sel lainnya,kontak langsung sel dengan matriks ekstra sel atau dengan sel lainnya.

Sel pemberi sinyal menyekresikan molekul pembawa pesanTujuan sinyal : Mengubah kerja yg terjadi di dalam sel target yg meliputi, enzim2 metabolisme, protein regulator gen, kanal ion, protein sitoskeletal.- Pada saat sinyal kimia mengikat reseptor, pesan yang dibawa harus diubah menjadi suatu respons intra sel. - Proses perubahan itu disebut transduksi sinyal/ signal transduction.

Overview jalur sinyal dari molekul sinyal sampai respon pada sel Molekul sinyal ekstraselulerReseptorDomain sitoplasma dari reseptorEffektor/suatu enzimCaraka ke 2/second messengerJalur sinyal yg teraktivasiSeri protein yg terlibatProtein targetProses seluler yg terjadi

Molekul sinyal ekstraseluler, terdiri atas golongan/jenis :Molekul kecil, spt asam amino dan turunannya Cth: glutamat, glisin, asetilkolin, epineprin Bertindak sbg hormon dan neurotransmiter2. Steroid Mengatur perkembangan seksual, kehamilan, metabolisme karbohidrat, ekskresi ion Na dan K3. Eicosanoid Cth: prostaglandin, tromboksan, lekotrin Mengatur proses inflamasi, tekanan darah, dll4. Berbagai macam polipeptida dan protein, spt protein transmembran

Molekul sinyal yang sama, pada sel yang berbeda akan memberikan respon yang berbedaContoh: Asetilkolin

Kombinasi molekul sinyal yang berbeda, yang diterima oleh suatu sel, akan memberikan respon yang berbeda

Tipe pensinyalan

endocrine : diedarkan melalui sistem sirkulasi (sistem peredaran darah)

paracrine : diedarkan ke sel-sel sasaran yang disekitar sel sekretori

autocrine : bekerja pada sel itu sendiri dan atau sel2 disekitarnya yang sejenis

Tahap pensinyalan selTerbagi 3 :Penerimaan (reception) : sel target mendeteksi molekul sinyal yg berasal dari luar selTransduksi : pengikatan molekul sinyal dengan mengubah protein reseptorRespons : timbulnya respons selular spesifik.

Reseptor dan transduksi sinyal.

- Reseptor adalah suatu protein yang mengandung suatu situs pengikatan spesifik untuk sinyal tertentu dan situs pengikatan lainnya terlibat dalam memancarkan pesan yang dimaksud.- Situs pengikatan yang kedua tersebut dapat berinteraksi dengan protein lain atau DNA.

Tipe: Reseptor membran plasma Reseptor intra sel /Intracellular binding protein

- Reseptor membran plasma. Terbentang dlm membran plasma dan mempunyai extracellular binding domain utk sinyal/caraka

- Protein reseptor intrasel ditujukan utk sinyal yg dapat masuk menembus membran plasma sel target

- Reseptor membran dibagi dalam kategori berikutReseptor kanal ion/ Ion channel receptorsReseptor tirosin kinaseReseptor terkopel-protein G

Reseptor permukaan selMolekul sinyal ekstraseluler menimbulkan perubahan pada reseptor, tanpa harus masuk ke dalam sel.Ada 3 klas reseptor permukaan sel:A. Reseptor yang mengikat ion kanal (Ionotropic Receptor)Sinyal + Reseptor Kanal terbuka Masuk dan keluarnya ion pengaruh yang bersifat elektris

B. Reseptor yang mengikat GTP-binding Protein (G-Protein)

Reseptor intraselulermerupakan protein regulator yang mengaktifkan gen Contoh molekul sinyal: hormon steroid, hormon tiroid, retinoids, vitamnin D, dll

ReferensiCampbell, Reece, et all., 2008. Biologi jilid 1, edisi ke-8. ErlanggaBruce A, Jhonson A, Lewis J, raff, M, Roberts K, Walter P Moleculer Biology of the cell. 4th ed. New York : Garland Science; 2002 Lodish H, Berk A, Zipursky SL, Matsu- daira P, Baltimore D, Darnell J. Moleculer Cell Biology. 5th ed. New York : WH Freeman and Co; 2004

Terima Kasih

Selamat belajar

********************