BIOLOGI SEL_BAB I PENDAHULUAN PDF

Preview

Summary

DIKTAT BIOLOGI SEL Oleh: HASLINDA YASTI AGUSTIN, S.Si., M.Pd. JURUSAN TADRIS BIOLOGI FAKULTAS TARBIYAH DAN ILMU KEGURUAN INSTITUT AGAMA ISLAM NEGERI (IAIN) TULUNGAGUNG 2016 1 BAB I PENDAHULUAN Semua makhluk hidup tersusun atas sel. Sel tunggal dapat merupakan satu organisme (organis- me bersel satu)...

Description

DIKTAT

BIOLOGI SEL

Oleh: HASLINDA YASTI AGUSTIN, S.Si., M.Pd.

JURUSAN TADRIS BIOLOGI FAKULTAS TARBIYAH DAN ILMU KEGURUAN INSTITUT AGAMA ISLAM NEGERI (IAIN) TULUNGAGUNG 2016 1

BAB I PENDAHULUAN

Semua

makhluk

hidup

tersusun atas sel. Sel tunggal dapat merupakan satu organisme (organisme bersel satu) seperti Protozoa, atau merupakan bagian dari organisme bersel banyak (multiseluler) seperti tampak pada Gambar 1.1.1 Sel merupakan unit struktural dan fungsional dari suatu organisme. Bab ini akan membahas teori

sel,

prokariota

tentang

perkembangan

struktur dan

umum

eukariota,

sel dan

komponen kimia sel. A. Perkembangan Teori Sel Teori sel muncul dari banyak hasil penelitian yang diawali sejak

Gambar 1.1 Contoh organisme uniseluler dan multiseluler

abad ke 17. Istilah sel pertama kali digunakan oleh Robert Hooke (1655) untuk ruangan-ruangan kecil yang diamati pada sayatan gabus. Leeuwenhock pada tahun 1674 menemukan sel-sel tunggal yang bebas. Dua abad kemudian yaitu pada abad ke 19 banyak penelitian mengenai struktur jaringan tanaman dan hewan yang masing-masing dilakukan oleh ahli botani Schleiden (1885) dan ahli zoologi Schwann (1839) yang hasilnya menguatkan penemuan Hooke, dan menyatakan bahwa semua organisme tersusun atas sel. Brown (1831) menemukan inti, dan menamakan isi sel sebagai

Jeff Hardin, et. all., Becker’s World of the Cell Eighth Edition. (United States of America: Pearson Benjamin Cummings, 2012), hal. 12 1

2

protoplasma, sehingga konsep tentang sel menjadi massa protoplasma yang dibatasi oleh selaput dan mengandung inti.2 Teori sel berkembang pesat setelah penemuan dari Virchow (1855) yang menyatakan Omnis cellulae e cellula, artinya semua sel berasal dari sel yang sudah ada. Penemuan lain dari Hertwig (1855) menyatakan bahwa pertumbuhan embrio diawali dari peleburan inti sel telur dengan inti sel spermatozoa. Akhir abad ke 19 diketahui bahwa pada pembentukan gamet (sel telur dan sel spermatozoa) terjadi pembelahan reduksi, sehingga jumlah kromosom pada satu macam spesies selalu konstan dari generasi ke generasi berikutnya. Semua penemuan tersebut menghasilkan teori sel yang lebih rinci, yaitu: 1. Sel adalah unit struktural dan fungsional dari organisme 2. Sifat-sifat suatu organisme ditentukan oleh sifat sel penyusunnya. 3. Sel hanya berasal dari sel sebelumnya 4. Sel merupakan unit kehidupan yang terkecil. B. Terbentuknya Sel Pertama Menurut penelitian, kehidupan pertama kali muncul setidaknya 3,8 miliar tahun yang lalu, atau sekitar 750 juta tahun setelah bumi terbentuk. Bagaimana kehidupan berasal dan sel pertama muncul masih menjadi perdebatan. Ada banyak perbedaan pendapat, karena peristiwa ini tidak bisa direproduksi di laboratorium. Meskipun demikian, beberapa jenis eksperimen memberikan bukti penting sebagai dasar pada proses pembentukan sel pertama kali. Gambar

1.23

menjelaskan

tentang

pembentukan molekul organik secara spontan. Gambar 1.2 Pembentukan spontan molekul organik 2

Annie Istanti, et. all., Biologi Sel. (Malang: JICA Universitas Negeri Malang, 1999),

hal. 1 3

Geoffrey M. Cooper dan Robert E. Hausman, The Cell A Molecular Approach Fourth Edition. (Washington, D. C.: ASM Press, 2007), hal. 5

3

Saat kehidupan muncul, diperkirakan atmosfer bumi mengandung CO2, N2, H2S, CO, dan sedikit atau bahkan tidak ada oksigen bebas. Pembentukan spontan molekul organik pertama kali ditunjukkan secara eksperimental pada tahun 1950. Stanley miller melakukan percobaan dengan memanaskan air, uapnya akan naik ke tabung yang dikondisikan seperti atmosfer primitif bumi (berisi gas H2, CH4, NH3 dan H2O), kemudian dialiri listrik dan didinginkan, akan terbentuk berbagai molekul organik, termasuk beberapa asam amino (Gambar 1.2). Meskipun percobaan Miller tidak tepat mereproduksi kondisi primitif bumi, tetapi percobaan tersebut jelas menunjukkan sintesis spontan molekul organik yang mampu menyediakan bahan dasar dari mana organisme hidup pertama muncul.

Gambar 1.3 Replikasi diri RNA

Langkah selanjutnya dalam evolusi adalah pembentukan makromolekul. Pembentukan makromolekul dari monomernya melalui polimerisasi spontan dalam kondisi prebiotik. Contohnya pemanasan kering campuran asam amino menghasilkan polimerisasi menjadi polipeptida. Setelah itu, karakteristik penting makromolekul dalam evolusi kehidupan adalah kemampuan untuk mereplikasi dirinya sendiri. Dua kelas utama makromolekul yaitu asam nukleat dan protein, hanya asam nukleat yang mampu mereplikasi diri. Asam nukleat dapat berfungsi sebagai template untuk sintesisnya sendiri (pembentukan pasangan basa spesifik antara nukleotida komplementer) (Gambar 1.3).4 Pada awal tahun 1980 Sid Altman dan Tom Cech menemukan bahwa RNA mampu mengkatalisis sejumlah reaksi kimia, termasuk polimerisasi nukleotida. Molekul RNA mampu mensintesis untai RNA baru dari template

4

Cooper, The Cell..., hal. 5

4

RNA, sehingga RNA diyakini sebagai sistem genetik awal atau materi genetik yang pertama kali terbentuk.5 Sel pertama diasumsikan muncul dengan bentukan membran

fosfolipid

membungkus 1.4).6

yang

RNA

(Gambar

Fosfolipid

adalah

dasar

semua

komponen

membran, baik itu membran sel prokariotik maupun eukariotik.

Gambar 1.4 Asumsi bentukan sel pertama

Fosfolipid merupakan penghalang yang memisahkan isi sel dengan lingkungan luar sel. Sel pertama ini mampu mempertahan-kan diri sebagai unit kehidupan dan mampu bereproduksi mandiri serta mengalami evolusi lebih lanjut. Evolusi

selan-

jutnya adalah dalam hal metabolisme. Sel-sel berasal dari lautan molekul organik sehingga mampu memperoleh

makanan

dan energi dari lingkungan mereka sendiri. Akan

Gambar 1.5 Evolusi metabolisme energi

tetapi cara seperti ini tidak bisa berlangsung selamanya, sehingga sel harus berevolusi untuk menghasilkan energi dan mensintesis molekul yang diperlukan untuk replikasi mereka sendiri. Mekanisme sintesis ATP telah berevolusi dalam 3 tahap, yaitu glikolisis, fotosintesis, dan metabolisme oksidatif (Gambar 1.5). Kondisi primitif bumi adalah anaerobik, reaksi pembentukan energi pertama melibatkan pemecahan molekul organik tanpa adanya oksigen, menghasilkan energi bersih 2 molekul ATP. ATP yang dihasilkan digunakan 5 Brian O’Rourke, “From Bioblasts to Mitochondria: Ever Expanding Roles of Mitochondria in Cell Physiology” dalam https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3059 936/, diakses 10 Desember 2016 6 Cooper, The Cell..., hal. 6

5

sebagai sumber energi kimia intraseluler dan mendorong reaksi metabolisme lainnya. Langkah evolusi metabolisme berikutnya adalah fotosintesis, yang memungkinkan memperoleh energi dengan bantuan cahaya matahari. Bakteri fotosintetik pertama berevolusi lebih dari 3 milyar tahun yang lalu, memanfaatkan H2O untuk mengkonversi CO2 menjadi molekul organik. Jalur fotosintesis ini masih digunakan oleh beberapa bakteri sampai saat ini. Penggunaan H2O sebagai donor elektron dan hidrogen memiliki dampak penting pada perubahan atmosfer bumi, karena menghasilkan O2 bebas di atmosfer. Peristiwa fotosintesis inilah yang disebut sebagai penghasil O2 pertama kali di bumi. Proses

fotosintesis

ini

akhirnya

mengubah

lingkungan,

yang

menyebabkan sel-sel berkembang dan mengalami metabolisme oksidatif. Peningkatan O2 di atmosfer memberikan keuntungan pada organisme untuk menghasilkan energi menggunakan O2 tersebut. O2 merupakan molekul yang sangat reaktif, dan metabolisme oksidatif memanfaatkan reaktivitas ini untuk menghasilkan energi dari molekul organik yang jauh lebih efisien dari glikolisis anaerobik. Misalnya pemecahan glukosa menjadi CO2 dan H2O menghasilkan energi sebanyak 36 – 38 molekul ATP, berbeda dengan glikolisis anaerob yang hanya menghasilkan 2 molekul ATP. Dengan beberapa pengecualian, sel kini menggunakan reaksi oksidatif sebagai sumber utama energi mereka. C. Struktur Umum Sel (Sel Prokariota dan Sel Eukariota) Sel dibagi menjadi dua golongan utama berdasarkan ada dan tidaknya bungkus inti, yaitu sel prokariota dan sel eukariota. Sel prokariota tidak memiliki bungkus inti, sedangkan sel eukariota memiliki bungkus inti sehingga materi genetik terpisah dari sitoplasma. Ada berbagai macam bentuk sel baik itu pada sel prokariotik maupun sel eukariotik, seperti pada Gambar 1.6.7 Sel prokariota umumnya lebih kecil dan lebih sederhana dari sel eukariota, dengan ketiadaan nukleus, kompleks genom lebih sedikit, tidak berisi organel sitoplasma ataupun sitoskeleton. Walaupun memiliki perbedaan tersebut, sel prokariota dan sel

7

Hardin, Becker’s World..., hal. 4

6

eukariota memiliki dasar mekanisme pengembangan molekuler yang sama, dilihat dari sel baru yang diturunkan dari satu sel primordial nenek moyang.

Gambar 1.6 Perbedaan bentuk sel (a) filamen sel fungi; (b) bakteri Treponema; (c) sel darah merah manusia, keping darah, dan sel darah putih (kiri ke kanan); (d) Radiolarian; (e) Stentor (protozoa); (f) sel telur dan sel sperma menusia; (g) sel usus; (h) sel xilem tumbuhan; dan (i) sel saraf mata

1. Sel prokariota Sel prokariota tidak memiliki bungkus inti, sehingga materi inti kontak langsung dengan sitoplasma. Golongan prokariota meliputi bakteri, ganggang hijau-biru, dan mikoplasma. Sebagian besar prokariota berukuran antara 1 – 10 μm, tetapi beberapa ganggang hijau-biru berdiameter sampai 60 μm. Bakteri merupakan organisme yang sederhana, dan paling banyak dipelajari adalah Escherichia coli, sebab mudah dibiakkan dalam larutan yang mengandung glukosa dan ion-ion anorganik. Pada suhu 370C, bakteri ini dapat membelah setiap 20 menit. Bakteri memiliki membran dan dinding sel. Komponen utama membran sel adalah lipoprotein, sedangkan dinding sel mengandung

senyawa

mukoprotein

yang

dipergunakan

sebagai

dasar

penggolongan bakteri, yaitu bakteri Gram positif dan bakteri Gram negatif. 7

Kromosom bakteri berbentuk sirkuler, tersusun atas DNA yang bergelung di dalam nukleoid. Bila tidak bergelung (memanjang), panjang molekul DNA ± 1 mm, mengandung kode-kode untuk 2000 – 3000 macam protein. Bagian kecil dari DNA ada yang menempel pada membran sel. Pada bakteri tertentu terdapat DNA lain yang lebih kecil di luar kromosom, disebut plasmid yang menyebabkan kekebalan terhadap jenis antibiotika tertentu. Terdapat 20.000 – 30.000 ribosom di dalam sitoplasma yang tersusun dari RNA dan protein. Ribosom merupakan tempat sintesis protein, sehingga banyak ditemui molekul protein dan enzim di dalam sitoplasma. Beberapa bakteri mempunyai alat gerak

Gambar 1.7 Struktur Bakteri

disebut flagela yang tersusun dari protein flagelin. Struktur bakteri dapat dilihat pada Gambar 1.7.8 2. Sel eukariota Sel eukariota dikelilingi oleh membran plasma dan terdapat bentukan inti karena ada membran inti, sehingga materi inti (DNA) terpisah dari sitoplasma. Adanya membran inti, menyebabkan DNA terlindung dari bermacam-macam

Gambar 1.8a Struktur umum sel hewan (Cooper and Hausman, 2007).

8

Cooper, The Cell..., hal. 6

8

reaksi kimia yang terjadi di dalam sitoplasma, dan dari gerakan sitoskeleton. DNA berbentuk linier dan sangat panjang, bersama-sama dengan protein histon membentuk kromosom.

Gambar 1.8b Struktur umum sel tumbuhan (Cooper and Hausman, 2007).

Sel eukariota lebih kompleks, mengandung nukleus, bermacam-macam organel sitoplasmik (seperti mitokondria, lisosom, peroksisom, dsb), sistem endomembran (retikulum endoplasma, aparatus golgi), dan sitoskeleton. Organel yang paling besar dan utama adalah nukleus dengan diameter ± 5 μm. Nukleus berisi informasi genetik sel dengan molekul DNA linier. Nukleus adalah tempat terjadinya replikasi DNA dan sintesis RNA, yang kemudian translasi RNA menjadi protein terjadi dalam ribosom di sitoplasma. Mitokondria terdapat pada semua sel eukariota, sedangkan kloroplas hanya terdapat pada sel tumbuhan. Sel hewan dan fungi tidak memiliki kloroplas sehingga tidak mampu melakukan fotosintesis. Bagian sitoplasma yang berada di antara organela disebut sitosol. Struktur umum sel hewan dan sel tumbuhan dapat dilihat pada Gambar 1.8a dan 1.8b.9 Perbedaan ukuran sel prokariotik dan eukariotik nampak pada Gambar 1.9.10

9

Ibid., hal. 10-11 Hardin, Becker’s World..., hal. 2

10

9

Perbedaan pokok antara sel prokariota dan sel eukariota terlihat pada Tabel 1.1.11 Tabel 1.1 Perbandingan sel prokariota dan eukariota. Hal Organisme Ukuran Metabolisme Organela DNA RNA dan protein Sitoplasma Organisme seluler Pembelahan sel

Prokariota Bakteri, sianobakteri 1 – 10 μm Anaerobik dan aerobik Sedikit atau tidak ada Bentuk: sirkuler Letak: sitoplasma Disintesis di ruang yang sama Tanpa sitoskelet Terutama unisel Kromosom ditarik dengan cara melekat pada membran

Eukariota Fungi, tumbuhan, hewan 10 – 100 μm Aerobik Banyak Bentuk: linier Letak: nukleus RNA disintesis di inti, protein disintesis di sitoplasma Terdapat sitoskelet Terutama multisel Kromosom ditarik oleh aparatus mitosis

Gambar 1.9 Perbedaan ukuran sel prokariotik dan eukariotik

D. Komponen Kimia Sel Sel tersusun dari kumpulan elemen, yang terbanyak hampir 99% dari berat sel adalah elemen C, H, N, dan O. Komponen kimia dalam sel dapat berupa komponen anorganik (seperti air dan ion-ion mineral) dan komponen organik (seperti protein, karbohidrat, asam nukleat, dan lipid). Sel mengandung 75 – 85% air, 10 – 20% protein, dan 2 – 3% garam anorganik. Senyawa organik dibedakan menjadi mikromolekul dan makromolekul. Mikromolekul merupakan senyawa karbon yang terdiri ± 30 atom C dengan berat molekul 100 – 1000 dalton. Mikromolekul yang terdapat dalam sel antara lain: gula sederhana, asam lemak, asam

amino,

11

dan

nukleotida.

Makromolekul

merupakan

polimer

dari

Istanti, Biologi..., hal. 5

10

mikromolekul, berat molekulnya antara 10.000 – 1.000.000 dalton. Terdapat 3 macam polimer penting, yaitu: 1. Asam nukleat, yang merupakan polimer dari nukleotida 2. Protein, yang merupakan polimer dari asam amino 3. Polisakarida, yang merupakan polimer dari monosakarida, misalnya glukosa. Komponen kimia sel bakteri dan sel mammalia terlihat pada Tabel 1.2.12 Tabel 1.2 Komponen kimia sel bakteri dan sel mammalia Komponen H 2O Ion organik (Na+, K+, dll) Metabolit kecil Protein RNA DNA Fosfolipid Lipida lain Polisakarida

% dari berat E. coli Mammalia 70 70 1 1 3 3 15 18 6 1,1 0,25 1 3 2 2 2 2

1. Air, Garam, dan Ion-ion Air merupakan komponen terbesar tiap sel, kecuali pada sel-sel biji, tulang dan email. Air berada dalam bentuk di dalam sel, yaitu air bebas dan air terikat. Air bebas ± 95% dari air sel, berfungsi sebagai pelarut ion dan subtansi lain, merupakan medium sistem koloid sitoplasma. Air bebas juga berfungsi untuk reaksi enzimatik, dan dapat terbentuk dari proses metabolisme. Air terikat ± 4 – 5%, terikat pada protein dengan ikatan hidrogen. Garam-garam yang mengalami disosiasi menjadi anion misalnya Cl- dan kation misalnya Na+, K+, penting untuk mempertahankan tekanan osmotik dan keseimbangan asam basa di dalam sel. Beberapa ion anorganik seperti fosfat penting untuk pembentukan Adenosin Triphosphate (ATP). Konsentrasi berbagai ion di dalam dan di luar sel berbeda, misalnya dalam cairan intrasel konsentrasi ion-ion K+ dan Mg2+ tinggi, sedang konsentrasi ion-ion Na+ dan Cl- lebih tinggi di luar sel. Di dalam sel anion yang terbanyak adalah fosfat.

12

Ibid., hal. 6

11

2. Protein Protein merupakan komponen terbesar sel, lebih dari 50% berat kering. Protein adalah makromolekul, merupakan polimer dari asam amino yang saling berikatan dengan ikatan sulfida. Ada 20 macam asam amino penyusun protein, antara lain: Glisin, Alanin, Valin, Leusin, Isoleusin, Prolin, Sistein, Metionin, Fenilalanin, Triptofan, Serin, Treonin, Tirosin, Asparagin, Glutamin, Lisin, Arginin, Histidin, Asam Aspartat, dan Asam Glutamat. Proten tersusun dari unsur karbon, hidrogen, oksigen, dan nitrogen, kadang-kadang juga sulfur. Macam dan fungsi protein sangat beragam, yaitu sebagai penyusun sel dan berperan dalam proses fisiologi di dalam sel. Protein bisa berupa enzim yang bertindak sebagai katalisator berbagai reaksi kimia. Protein juga ada yang berperan dalam sistem gerak, misal protein aktin dan myosin di dalam sel otot dan sel-sel lain, serta mikrotubula pada silia dan flagela. Ada lagi protein yang membentuk kerangka dalam sel (sitoskeleton), misalnya protein pada mikrotubula dan mikrofilamen. Selain itu, protein juga sebagai salah satu komponen penyusun membran yang berfungsi untuk membawa materi melintasi membran sel. 3. Lipid Lipid merupakan senyawa yang bersifat hidrofobik, tidak larut dalam air, tetapi larut dalam pelarut organik. Terdapat berbagai macam lipid di dalam sel, antara lain: fosfolipid, glikolipid, lemak, dan steroid. Tiap molekul lemak terdiri atas 1 molekul gliserol dan 3 molekul asam lemak. Tiap molekul asam lemak mempunyai dua daerah yang berbeda, yaitu rantai hidrokarbon yang bersifat hidrofilik, dan gugus asam karboksilat yang bersifat hidrofobik. Asam lemak bila dibongkar akan menghasilkan energi lebih banyak dibanding glukosa, pada berat yang sama asam lemak menghasilkan energi dua kali lebih banyak. Asam lemak disimpan di sitosol dalam bentuk molekul trigliserida. Fungsi terpenting dari asam lemak adalah sebagai penyusun membran. Komponen kimia terbanyak dari membran sel maupun membran intra sel adalah fosfolipid yang tersusun dari asam lemak dan gliserol. Tiap molekul fosfolipid bersifat amfipatik, artinya terdiri dari dua bagian yang berbeda, yaitu bagian kepala yang bersifat hidrofilik dan bagian

12

ekor yang bersifat hidrofobik. Lipid lain yang juga terdapat pada membran adalah kolesterol yang mempengaruhi sifat keenceran membran. 4. Karbohidrat Karbohidrat tersusun atas karbon, hidrogen, dan oksigen yang merupakan sumber energi dan komponen penting penyusun dinding sel. Monosakarida (gula sederhana) memiliki rumus kimia Cn(H2O)n (n bervariasi 3 – 7). Berdasarka pada jumlah atom C-nya, karbohidrat dikelompokkan menjadi triosa, pentosa, dan heksosa. Pentosa ribosa dan deoksiribosa merupakan komponen asam nukleat. Glukosa merupakan sumber energi, lewat reaksi oksidatif glukosa dibongkar menjadi CO2 dan H2O, serta menghasilkan energi. Disakarida terbentuk dari kondensasi dua monomer heksosa dengan melepaskan satu molekul air, sehingga formula umumnya menjadi C12H22O11. Disakarida yang penting adalah sukrosa yang terbentuk dari glukosa dan fruktosa, dan laktosa yang terbentuk dari galaktosa dan glukosa. Polisakarida terbentuk dari kondensasi banyak monomer heksosa dengan melepaskan sejumlah molekul air, formula umumnya (C6H2O5)n. Polisakarida yang penting adalah glikogen pada sel hewan dan tepung/amilum pada sel tumbuhan yang digunakan sebagai sumber energi, dan selulosa yang merupakan komponen penting dinding sel. 5. Asam Nukleat Asam nukleat adalah makromolekul yang sangat penting untuk kelangsungan hidup sel. Semua organisme mengandung 2 macam asam nukleat, yaitu asam deoksiribonuleat (DNA) dan asam ribonukleat (RNA), kecuali virus yang hanya mengandung salah satu asm nukleat, DNA atau RNA saja. DNA merupakan penyimpan informasi genetis. Pada sel eukariota, DNA terdapat dalam inti bersama dengan protein histon membentuk kromosom. Ada juga DNA di lu...