BIOLOGI SEL_LISOSOM DAN PEROKSISOM 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 55 BAB V LISOSOM DAN PEROKSISOM A. Lisosom Lisosom ditemukan oleh De Duve pada tahun 1949 sewaktu mempelajari enzim fosfatase a...

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 55

BAB V LISOSOM DAN PEROKSISOM

A. Lisosom Lisosom ditemukan oleh De Duve pada tahun 1949 sewaktu mempelajari enzim fosfatase asam dari serpihan sel-sel hati.1 De Duve menemukan kenyataan bahwa aktivitas enzim tersebut dalam isolat yang dibuat dengan air suling lebih tinggi daripada aktivitas enzim dalam isolat yang dibuat dengan larutan sukrosa yang isotonis. Hal ini juga terjadi pada isolat yang telah disimpan , aktivitas enzim lebih tinggi daripada dalam isolat yang masih baru, dan enzim tersebut tidak lagi berada dalam zarah yang mengendap. Penemuan enzim hidrolitik lain juga menunjukkan sifat yang sama. Zarah yang mengandung enzim hidrolitik tersebut dinamakan lisosom, berbentuk kantung yang berisi enzim. Selama masih terbungkus membran, enzim hidrolitik bersifat stabil.

Gambar 5.1 Mikrograf elektron Lisosom

1. Struktur Lisosom Lisosom adalah organel yang polimorfik, artinya mempunyai bentuk dan ukuran yang sangat bervariasi (Gambar 5.1).2 Berbagai ukuran yang bervariasi ini

1

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

hal. 48 2

Geoffrey M. Cooper dan Robert E. Hausman, The Cell A Molecular Approach Fourth Edition. (Washington, D. C.: ASM Press, 2007), hal. 425

56

menunjukkan bahwa lisosom merupakan organel yang sangat dinamis. Terdapat 4 macam bentuk lisosom yaitu: a. Lisosom Primer adalah lisosom yang baru terbentuk dari tunas sisterna AG pada sisi trans, belum bergabung dengan materi yang akan dicerna. Awal terbentuk lisosom yaitu terjadi pelekukan keluar dari membran AG sisi trans disebabkan oleh protein klatrin yang menyelubunginya. Setelah vesikula terbentuk sempurna maka klatrin ini akan lepas (Gambar 5.2).3

Gambar 5.2 Pembentukan Selubung Klatrin

b. Lisosom sekunder, ada 3 macam yaitu: 1) Heterofagosom (fagolisosom) adalah gabungan dari fagosom dengan lisosom primer. 2) Sitolisosom (autolisosom) adalah gabungan dari autosom dengan lisosom primer. 3) Tubuh residu (badan residu) adalah vakuola yang berisi sisa materi yang tidak tercerna.

3

Ibid., hal. 421

57

Membran lisosom sangat unik, mempunyai protein transpor untuk membawa hasil pencernaan ke sitosol. Pada membran juga terdapat pompa ion H+ untuk memasukkan ion H+ ke dalam lisosom sehingga pHnya konstan sekitar 5 (Gambar 5.3).4 Membran lisosom tidak dapat tercerna oleh enzimnya sendiri (self digesty), karena pada membran terdapat rantai sakarida yang sangat panjang (karbohidrat) sehingga sisi protein dan fosfolipidnya akan terlindungi. Di dalam lisosom ditemukan 40 macam enzim hidrolitik, meliputi: protease, nuklease, hidrolase, glikosidase, lipase, fosfolipase, fosfatase, dan sulfatase. Enzim fosfatase adalah enzim yang paling banyak. Enzim-enzim tersebut bekerja optimal pada pH sekitar 5. Selama membran lisosom tidak rusak, enzim tidak dapat keluar ke sitosol, seandainya terjadi kebocoran enzim tidak dapat aktif karena pH sitosol sekitar 7,2. Substrat enzim fosfatase sebagian besar ester dan lisosomnya berasal dari jaringan hewan,

Gambar 5.3 Pengaturan pH di dalam Lisosom

tumbuhan, maupun protista. Enzim fosfatase yang lain adalah monofosfat dan fosfodiesterase asam yang substratnya oligonukleotida dan diester fosfat. Sedangkan asal lisosomnya adalah sama dengan fosfatase asam yaitu jaringan hewan, tumbuhan, dan protista. Enzim yang tergolong dalam nuklease adalah RNAase yang substratnya RNA, dan DNAase yang substratnya DNA. Asal lisosom keduanya sama yaitu berasal dari jaringan hewan, tumbuhan dan protista. Enzim hidrolase terdiri dari: a. β-galaktosidase substratnya galaktosida, asal lisosomnya adalah jaringan hewan, tumbuhan, dan protista b. α-glukosidase substratnya glikogen c. α-manosidase substratnya manosida d. β-glukoronidase substratnya polisakarida dan mukopolisakarida 4

Ibid., hal. 425

58

Ketiga enzim terakhir ini asal lisosomnya adalah jaringan hewan. Lisozime juga termasuk dalam kelompok enzim hidrolase, subtratnya dinding bakteri dan mukopolisakarida, asal lisosomnya ginjal. Hialuronidase subtratnya asam hialuronat dan kondroitin sulfat, asal lisosomnya dari hati. Arilsulfatase substratnya sulfat-sulfat organik, asal lisosomnya hati dan tumbuhan. Enzim dalam kelompok protease antara lain: enzim katepsin, enzim kolagenase, dan enzim peptidase. Enzim katepsin substratnya protein, asal lisosomnya sel hewan. Enzim kolagenase substratnya kolagen, asal lisosomnya sel tulang. Enzim peptidase substratnya peptida, asal lisosomnya jaringan hewan, tumbuhan, dan protista. Kelompok enzim terakhir yang termasuk dalam lisosom adalah enzimenzim perombak lipid yang terdiri dari enzim esterase dan fosfolipase. Enzim esterase substratnya ester asam lemak, asal lisosomnya jaringan hewan, tumbuhan, dan protista. Enzim fosfolipase substratnya fosfolipid, asal lisosomnya diduga berasal dari jaringan tumbuhan. 2. Fungsi Lisosom Semua enzim yang dijelaskan di atas berfungsi untuk pencernaan intra sel. Pencernaan intra sel selalu terjadi di dalam vakuola (lisosom sekunder), sehingga enzim tidak keluar ke sitosol. Umumnya pencernaan protein hanya sampai pada bentuk dipeptida sudah dapat menembus membran lisosom, selanjutnya dibongkar menjadi asam-asam amino. Karbohidrat dicerna menjadi monosakarida. Disakarida dan polisakarida seperti selubiose, insulin, dekstran, dan sukrose tidak dapat dicerna dan tetap tinggal di dalam lisosom. Selain untuk pencernaan intra sel. Lisosom juga berperan antara lain dalam:5 a. Perombakan organel sel. Organel sel yang sudah usang dicerna, dan komponen-komponennya dipergunakan lagi untuk pembentukan organel baru. b. Proses perkembangan dan pemulihan organ, misalnya: 1) Hilangnya ekor berudu selama metamorfosis karena dicerna oleh enzim katepsin yang terdapat di dalam lisosom. 5

Istanti, Biologi..., hal. 49

59

2) Penyusutan duktus Wolfian pada embrio betina dan duktus Mulleri pada embrio jantan. 3) Pemulihan ukuran uterus setelah proses kehamilan ke ukuran awal. 4) Proses fertilisasi, akrosom pada spermatozoa mengandung enzim hialuronidase dan asam fosfatase untuk mencerna zona pelusida (selubung ovum) sehingga inti spermatozoa dapat masuk ke dalam ovum. Proses pencernaan yang terjadi secara enzimatis di lisosom terdiri dari berbagai macam, tergantung dari jenis dan asal materi yang akan dicerna. Materi yang akan dicerna dapat berasal dari luar sel dan dari dalam sel itu sendiri. Materi dari luar sel masuk ke dalam sel dengan cara pinositosis dan fagositosis. Materi dari dalam sel sendiri berupa organel sel yang sudah usang. Penjelasan lebih lengkap sebagai berikut:

Gambar 5.4 Autofagi dan Fagositosis

a. Autofagi merupakan pencernaan bagian-bagian sel yang sudah usang. Bagian yang akan dicerna terlebih dahulu harus dibungkus dengan membran yang berasal dari RE, sehingga terbentuk autofagosom. Selanjutnya autofagosom bergabung dengan endolisosom membentuk autofagolisosom (Gambar 5.4).6 6

Cooper, The Cell..., hal. 428

60

b. Heterofagi merupakan pencernaan yang bahannya berasal dari luar sel. Proses heterofagi terjadi dengan jalan endositosis, artinya bahan yang berasal dari luar akan masuk ke dalam sel dengan cara endositosis (fagositosis dan pinositosis) membentuk endosom. Endosom akan melebur dengan lisosom primer sehingga enzim lisosom akan berkontak langsung dengan bahan yang akan dicerna. Proses pencernaan berlangsung dan terbentuk lisosom sekunder, kemudian sisa pencernaan akan dikeluarkan dari sel dengan cara eksositosis (Gambar 5.4). Proses pencernaan ekstraseluler yang dilakukan oleh lisosom dengan cara mencurahkan isi lisosom ke dalam daerah ekstraseluler. Jadi pada proses ini yang dicerna adalah substansi antar sel, misalnya pencernaan ekstra sel yang menyebabkan perubahan tulang dan tulang rawan. 3. Biogenesis Lisosom Biogenesis lisosom meliputi sintesis membran dan enzimnya. Membran lisosom berasal dari membran jala trans AG. Sintesis enzim berawal dari REK, kemudian ditranspor ke AG (secara berurutan dari cis→media→trans), setelah itu dibawa dalam vesikel transpor ke endolisosom dan akhirnya ke lisosom. Pada Bab sebelumnya telah dibahas bahwa pada jala trans AG terjadi pemilahan materi, yaitu materi untuk lisosom, untuk membran sel atau untuk sekresi. Pemilahan materi didasarkan pada peptida sinyal (isyarat) yang dipunyai oleh masing-masing protein. Peptida sinyal untuk enzim hidrolase (enzim untuk lisosom) adalah manose 6 fosfat (M6P). Pada bagian tertentu membran jala trans AG terdapat protein transmembran yang bertindak sebagai reseptor untuk M6P. Reseptor M6P hanya akan mengikat M6P pada pH 7 dan enzim lisosom akan dilepaskan pada pH kurang dari 6. Penurunan pH ini terjadi karena adanya penambahan ion H+. Ion H+ ini diangkut oleh protein pengangkut yang berasal dari membran lisosom primer (Gambar 5.3). Akibat masuknya ion H+ maka cairan di dalam lumen akan menjadi asam, sehingga enzim lisosom akan dilepaskan. Protein dengan sinyal M6P akan terikat pada reseptor M6P, sehingga terpisah dari protein yang lain, kemudian dari

61

bagian membran tersebut terbentuk vesikel transpor membawa enzim yang baru disintesis ke endolisosom dan akhirnya ke lisosom. B. Peroksisom De Duve pada tahun1965 mempergunakan ginjal tikus untuk memonitor kerja enzim urat oksidase yang terdapat pada lisosom, dan beliau mendapatkan bahwa enzim urat oksidase tidak hanya dihasilkan oleh lisosom saja tetapi juga diproduksi oleh organel sel lain yang selama ini belum diketahui struktur dan fungsinya.7 Selain menghasilkan enzim urat oksidase, organel yang tak dikenal ini juga menghasilkan enzim D-asam amino oksidase, katalase, serta enzim-enzim lainnya. Fungsi utama enzim-enzim yang dihasilkan organel tersebut berhubungan dengan metabolisme (pembentukan serta penguraian) Hydrogen Peroxide (H2O2). Berdasarkan hal tersebut, organel ini dinamakan Peroksisom. Peroksisom ditemukan pada semua sel hewan, ragi, dan sel tanaman tertentu. Pada sel tanaman, fungsinya berkaitan dengan siklus glioksilat sehingga disebut Glioksisom. Walaupun organel ini kurang dikenal sebelumnya, namun fungsi peroksisom sangat penting dalam metabolisme tumbuhan. Peroksisom bersamasama dengan kloroplas dan mitokondria berperan dalam fotorespirasi tumbuhan. Terjadinya fotorespirasi menyebabkan berkurangnya fotosintesis bersih (netto) dari tumbuhan. Efek negatif terhadap fotosintesis ini lebih sering terdeteksi pada tanaman C3 daripada tanaman C4. 1. Struktur Peroksisom Untuk mengetahui struktur dan fungsi peroksisom, teknik sentrifugasi gradien kepadatan (isodensity gradient centrifugation) tidaklah memadai karena relatif kecilnya perbedaan kepadatan antara lisosom dan peroksisom, sehingga dilakukan injeksi dengan detergen Triton WR-1339 dilanjutkan dengan penggunaan mikroskop elektron. Hasilnya menunjukkan bahwa peroksisom mengkonfirmasikan identitas yang unik. Bentuknya kecil seperti bola kasar,

7

Istanti, Biologi..., hal. 52

62

berukuran antara mitokondria dan ribosom. Ukuran yang sangat kecil ini menyebabkannya dan glioksisom digolongkan dalam benda-benda mikro (badan mikro). Dengan mikroskop elektron, badan mikro baik yang berasal dari sel hewan dan tumbuhan tampak sebagai bangunan yang dibatasi oleh membran tunggal, dan di dalamnya mengandung matriks yang amorf atau granular. Pada jaringan tertentu matriks badan mikro berisi struktur nukleoid kristal (crystalline nucleoid structure). Bentuk kristal ini umumnya adalah urat oksidase, salah satu enzim dari matriks badan mikro. Jadi, dapat ditarik kesimpulan bahwa peroksisom berbentuk bulat telur, diameter ± 0,5 – 0,7 µm, hanya dibungkus dengan satu membran dan tidak memiliki DNA serta ribosom seperti mitokondria dan kloroplas (Gambar 5.5).8 Jumlah peroksisom pada setiap sel bervariasi antara 70 – 100.

Gambar 5.5 Mikrograf Elektron Peroksisom

Pada sel-sel hewan, distribusi peroksisom tersebar di dalam sel, tetapi umumnya di sekitar retikulum endoplasma. Pada sel-sel tumbuhan, peroksisom sering berdekatan dengan kloroplas, karena kedua organel ini terlibat dalam metabolisme jalur glikolat. Jalur ini melibatkan tiga organel yaitu kloroplas, peroksisom, dan mitokondria. Membran yang membungkus peroksisom lebih tipis daripada membran sel, tebalnya hanya 6 – 8 nm, kurang lebih sama tebal dengan membran RE dan membran luar mitokondria. Peroksisom akan pecah bila dimasukkan ke dalam 0,01 M pirofosfat dengan sebab-sebab yang belum diketahui. Ternyata setelah 8

Cooper, The Cell..., hal. 463

63

pecah sangat sulit memisahkan membran dengan enzim-enzim dalam matriksnya, salah satu sebabnya adalah enzim-enzim itu melekat pada membran. Ada dua enzim yang merupakan protein integral membran peroksisom yaitu sitokrom b5 dan NADH-sitokrom b5 reduktase, ternyata enzim ini juga terdapat pada membran RE. Beberapa enzim lain yang terdapat pada membran ditemukan pada glioksisom. Enzim-enzim itu merupakan protein perifer ataupun protein integral membran, diantanya sitrat dan malat sintetase, malat dehidrogenase, 3-hidroksilKoA-dehidrogenase, dan krotonase. Membran peroksisom sangat permeabel terhadap substansi yang alaminya sebagai substrat dari beberapa enzim di dalamnya, seperti asam-asam amino, asam α-hidroksi, dan asam urat. Sukrosa juga dapat berdifusi melalui membran peroksisom. Berbeda dengan nukleotida piridin seperti NADH dan NADPH yang tidak dapat masuk melewati membran peroksisom. Padaha koenzim-koenzim ini penting sebagai aseptor (penerima) elektron untuk enzim oksidatif tertentu. Ternyata pada membran peroksisom terdapat pengangkut (shuttle) yang mekanisme seperti pada membran mitokondria, yaitu malatoksaloasetat (aspartat) shuttle dan gliserol-3-phosphat shuttle. Malat-oksaloasetat (aspartat) shuttle adalah tipe

pengangkut

peroksisom tanaman,

pada sel-sel

sedangkan

gliserol-3-phosphat shuttle adalah pada

tipe sel-sel

pengangkut hati

dan

Gambar 5.6 Oksidasi Asam Lemak

ginjal.

2. Fungsi Peroksisom a. Oksidasi substrat pada mamalia Reaksi oksidasi pada peroksisom jaringan mamalia dipicu oleh enzim flavin oksidase yang menggunakan oksigen sebagai penerima elektron dan

64

mengubahnya menjadi H2O2. H2O2 bersifat toksik bagi sel, sehingga harus diubah menjadi ½ O2 dan H2O oleh enzim katalase di dalam peroksisom (Gambar 5.6).9 b. β-Oksidasi asam lemak mamalia. Peran peroksisom jaringan mamalia lainnya adalah oksidasi asam lemak. Peroksisom jaringan hati tikus mampu mengoksidasi palmitoil-KoA menjadi asetil-KoA. Oksidasi ini dikenal dengan β-oksidasi dapat dilihat pada Gambar 5.7.10 Asetil-KoA ini akan diangkut ke mitokondria untuk memasuki siklus Kreb atau siklus asam sitrat. Jika tetap berada di sitosol maka akan diubah menjadi asam lemak dan kemudian menjadi lemak netral. Jalur β-Oksidasi di peroksisom melibatkan enzim

flavin

dehidrogenase

yang

akan

bereaksi

langsung dengan O2 menghasilkan H2O2. Seperti sebelumnya H2O2 akan diubah menjadi ½ O2 dan H2O oleh enzim katalase di dalam peroksisom. c. β-Oksidasi asam lemak pada endosperm biji tanaman. Enzim yang dibutuhkan untuk β-Oksidasi asam lemak

pertama

kali

ditemukan

pada

glioksisom

endosperm tumbuhan oleh Cooper dan Beever. Jalur βOksidasi ini sama, baik yang terjadi pada peroksisom hewan maupun glioksisom tumbuhan. Endosperm adalah cadangan makanan dalam biji. Cadangan makanan itu diantaranya lemak, seperti pada kacang-kacangan, biji jarak, biji kepuh, dsb.

Gambar 5.7 Jalur βoksidasi asam lemak

Cadangan makanan ini penting artinya dalam perkecambahan. Sumber energi utama dalam perkecambahan adalah karbohidrat, jadi kalau cadangan makanan dalam biji tadi berupa lemak, maka lemak harus dikonversi menjadi karbohidrat. 9

Cooper, The Cell..., hal. 463 Ibid., hal. 90

10

65

Reaksi ini terjadi di glioksisom dan dipicu oleh enzim-enzim yang terdapat di dalamnya. Hasil oksidasi asam lemak ini adalah asetik-KoA, kemudian akan digunakan di dalam glioksisom untuk membentuk senyawa (asam) dengan 4 atom C, yaitu asam suksinat melalui daur glioksilat. Selanjutnya suksinat dibawa ke mitokondria sebagai bahan untuk proses glukoneogenesis. Di mitokondria asam suksinat akan dikonversi menjadi asam malat, yang nantinya akan dibawa ke sitosol. Di sitosol asam malat diubah menjadi fosfoenol piruvat, dan digunakan untuk sintesis glukosa (Gambar 5.8).11 Pada biji yang sedang berkecambah daur glioksilat seluruhnya terjadi di glioksisom, sedangkan pada ragi dan ganggang Tetrahymena, daur ini merupakan kerja sama antara glioksisom dan mitokondria. Hewan tingkat tinggi tidak dapat mensintesis glukosa dari asam lemak, karena tidak mempunyai enzim isositrat liase dan enzim malat sintetase. Oleh karena itu, asam lemak akan memasuki siklus asam sitrat yang akhirnya akan membebaskan CO2. d. Jalur Glikolat Jalur merupakan

glikolat

serangkaian

reaksi kimia yang terjadi di

peroksisom

bergandeng siklus

dengan

karbon

kloroplas

dan

di

(Gambar

5.9).12

Jalur

melibatkan

ini

kloroplas,

peroksisom, mitokondria, dan sitosol. Jalur ini meliputi

pengubahan

senyawa

yang

tidak

Gambar 5.8 Jalur Glioksilat

11

Ibid., hal. 464 Jeff Hardin, et. all., Becker’s World of the Cell Eighth Edition. (United States of America: Pearson Benjamin Cummings, 2012), hal. 316 12

66

mengandung fosfat (nonphosphorilated) yakni gliserat menjadi glisin, serin, dan persenyawaan ‘C1’, ini penting sebagai prekursor dalam biosintesis asam inti.

Gambar 5.9 Jalur Glikolat

Jalur glikolat dimulai di kloroplas, dimana fosfoglikolat, glikolat, dan fosfogliserat dibentuk dalam fotosintesis. Kloroplas memiliki enzim fosfataseyang dapat melepas fosfat dari dua substrat yang mengandung fosfat (yaitu fosfogliserat dan fosfoglikolat) menjadi glikolat. Glikolat meninggalkan kloroplas menuju peroksisom dengan perantaraan glioksilat-glikolat shuttle, kemudian glikolat dioksidasi menghasilkan glioksilat dan membebaskan H2O2. Dengan adanya enzim katalase di peroksisom, H2O2 diubah menjadi H2O dan ½ O2. Glioksilat akan disintesis menjadi asam amino serin atau kembali ke kloroplas. Kembalinya glioksilat ke kloroplas diduga sebagai mekanisme untuk menghabiskan NADPH dalam kloroplas yang dihasilkan waktu fotosintesis. NADPH direoksidasi dalam kloroplas dengan mekanisme tanpa menghasilkan H2O2 karena di kloroplas tidak ada enzim katalase. Asam amino glisin dibentuk dari glioksilat, melalui reaksi interkonversi dalam mitokondria menjadi asam amino serin, suatu bagian dari siklus yang belum diketahui dengan jelas. Serin ditranspor kembali ke peroksisom, lalu mengalami deaminasi oksalat, kemudian direduksi menjadi gliserat. Gliserat

67

kemudian ditranspor kembali ke kloroplas dan mengalami fosforilasi menjadi fosfogliserat. Siklus ini selesai, dengan catatan bahwa sebagian reaksi ini searah dan sebagian lain bolak-balik. Jadi serin dapat dihasilkan secara langsung dari fosfogliserat dibandingkan dari fosfoglikolat. Jalur ini membebaskan 1 molekul CO2, menghasilkan satu molekul serin atau gliserat dari dua molekul fosfoglikolat, atau menghasilkan 1 molekul serin atau 1 molekul glisin ditambah persenyawaan ‘C1’ dari satu molekul fosfogliserat. Pola metabolik ini penting bagi sel tumbuhan karena setengah dari karbon ya...