Filogeni & Ontogeni Sel Oleh : Purnomo Soeharso Departemen Biologi Medik FKUI

Biologi Sel (Sitologi) : Mempelajari kehidupan & organisme hidup pada tingkat sel atau dibawahnya (subsel)  organel, molekul. Berkembang dari pertengahan abad 17 hingga sekarang ditunjang oleh kemajuan ilmu dan teknologi lain yang relevan : fisika kimia matematika Perkembangan biologi sel bertumpu pada hasil riset dengan percobaan-percobaan deskriptif dimasa lalu hingga percobaan-percobaan analitik mutakhir/ modern saat ini.

Robert Hooke (1665) melihat irisan gabus (cork) dengan kaca pembesar (loop)  kotak-kotak kecil disebut sel (cella). Anthony van Leewenhook (1668) mengkonstruksi mikroskop I - mengamati air kolam  organisme uniseluler (bakteri, protozoa) - melihat nukleus pada preparat darah ikan salmon. Pengamatan dengan mikroskop melahirkan teori : sel/makhluk hidup berasal dari sel/makhluk sebelumnya. Sebelum itu berlaku teori organisme hidup diciptakan dari sesuatu yang tidak hidup.

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. Weissmann (1883) – kontinuitas plasma germinal  gamet membawa plasma (germinal) yang ditransmisi- kan terus menerus dari generasi ke generasi.

1822 – 1884, Gregor Mendel menjelaskan bahwa sifat/karakter makhluk hidup dibawa dalam bentuk materi dan berpasangan  pasangan tersebut bersegregasi dan membentuk pasangan baru pada generasi berikutnya secara random. Materi genetik menempati lokasi tertentu pada khromosom (lokus) dijelaskan oleh Barbara McClintock (1931).

Materi genetik adalah DNA yang membawa informasi & ditransmisikan dari generasi ke generasi dan diekspresikan menjadi fenotip, dijelaskan oleh Avery McLeod & McCarry (1944). Struktur DNA diformulasikan oleh Watson & Crick (1953) dengan X-ray diffraction analysis. Penemuan struktur DNA memungkinkan penemuan & pengembangan teknologi/rekayasa dibidang biologi molekuler dengan didukung oleh kemajuan ilmu-ilmu lain seperti fisika dan kimia.

Jumlah khromosom manusia adalah 46 (22 pasang autosom + 2 khromosom sex)  dibuktikan oleh Sie Kian Tjong & Tjioe Djien Jong (1962). 1980  sekarang  era rekayasa dengan mengaplikasikan bioteknologi untuk mengubah dan memanipulasi sistem hidup pada tingkat molekul,sel atau organisme untuk memperoleh manfaat yang sebesar-besarnya bagi kepentingan manusia.

Bioteknologi : Teknologi / Rekayasa yang mengexplorasi sistem hidup (tingkat molekul, sel, organisme) untuk mendapatkan luaran / output / produk yang sesuai dan bermanfaat untuk keperluan / kepentingan manusia. Didukung ilmu-ilmu lain yang relevan : - Kimia & Biokimia - Fisika - Matematika & Komputasi - Mikrobiologi dll.

Prinsip Dasar : 1. Sistem hidup — diatur dan dikontrol oleh sistem informasi yang ada di DNA  bersifat universal dan conserve (lestari). 2. Informasi dalam DNA didistribusikan dan ditransmisikan : - dari satu generasi ke generasi berikutnya melalui proses replikasi. - diubah menjadi informasi bentuk lain dan didistri busikan ke bagian-bagian sel dan lingkungan melalui proses transkripsi dan translasi  expresi gen  fenotip

Bioteknologi bidang kedokteran dan kesehatan : 1 Bioteknologi bidang kedokteran dan kesehatan : 1. Fase empiris / tradisional — dikembangkan berdasarkan observasi dan pengalaman turun temurun. 2. Teknologi makro — melakukan manipulasi dan intervensi sistem secara artifisiel : - breeding - fermentasi - penemuan antibiotik, sulfa, dll.

3. Teknologi genom: - teknologi DNA rekombinan - pemetaan genom manusia - terapi gen - penemuan virus dan bakteri mutan/galur baru - binatang transgenik

Membuat klon gen (Gene cloning) Membuat klon gen (Gene cloning). Memperbanyak (propagasi) gen dengan menggunakan vektor (tumpangan)  unit replikasi yang dapat bereplikasi secara bebas di dalam sel inang (host) – bakteri, yeast. Tujuan : - Menghasilkan pustaka gen (gene library) yang akan digunakan untuk bermacam-macam keperluan. - Menghasilkan produk gen in vitro.

Penggunaan klon DNA a. Produksi protein (mammalia) menggunakan sel ekspresi (cell line, bakteri). Produksi protein dalam skala besar dengan mengekpre sikan klon cDNA untuk keperluan industri & kedokteran. Contoh : - produksi obat dengan reagen dasar polipeptida — somatotropin - produksi vaksin — hepatitis B generasi baru Produk yang dihasilkan dsbt protein rekombinan

b. Expresi gen pada sel manusia (mammalia) Gen asing dapat diexpresikan pada sel manusia untuk bermacam-macam keperluan. 1. Penelitian (experiment) - melihat expresi gen termutasi. - melihat aktivitas promoter termutasi. 2. Klinis — terapi gen contoh : leukemia limfositik / mielositik Transfesikan gen normal ke stem cell penderita leukemia yang diambil dari bone marrow. Bersihkan bone marrow & tanamkan stem cell yang membawa gen normal rekombinan  sel normal tumbuh menggantikan sel leukemia.

Binatang transgenik : Binatang yang mengemban gen binatang/ organisme lain dengan komposisi genetik berbeda (gen dari spesies lain). Gen dari spesies lain diintroduksikan ke hewan resipien  ekspresi gen spesifik hewan resipien dipengaruhi oleh gen asing yang diintroduksikan (transgen).

Kloning dan terapi regeneratif Kloning  memproduksi sel / organisme satu galur. Kultur sel induk (stem cells)  berdeferensiasi menjadi sel / organ yang berpotensi mengganti organ yang rusak. - mengantisipasi usia manusia yang semakin panjang - mengganti organ yang gagal karena kelainan (kongenital), trauma dan penuaan.

Mengandalkan organ dari donor adalah sulit dan belum tentu efektif Mengandalkan organ dari donor adalah sulit dan belum tentu efektif. Sel induk (stem cells) dapat berasal dari bermacam-macam sumber : I. Sel induk embrio (embryonic stem cells) - Zigot dan blastomer — totipoten  dapat berkembang menjadi organisme sempurna. - Lapis germinal ektoderm, mesoderm dan entoderm — pluripoten  dapat berkembang menjadi beberapa jenis organ / jaringan.

II. Sel induk dewasa (adult stem cells) - bone marrow — mempunyai potensi berdeferen siasi terbatas — multipoten  menjadi beberapa jenis sel saja. - osteoblast, mioblast, neuroblast, dsb — unipoten  berproliferasi dan berdeferensiasi menjadi satu jenis sel saja.

Sel : Unit kehidupan terkecil hewan & tumbuhan Sel : Unit kehidupan terkecil hewan & tumbuhan. Mempelajari sel diperlukan untuk mendapat pengertian mendasar tentang kehidupan. Bidang kedokteran/kesehatan : - pengertian mendasar tentang kehidupan pada tingkat sel & molekul dalam keadaan normal dan patologis. - Diperlukan untuk pengelolaan dan manajemen kesehatan : diagnosis pengobatan rehabilitasi 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.

Berdasarkan tingkat evolusinya sel dibedakan menjadi 2 golongan : prokariota & eukariota. Virus : terdiri dari komponen-komponen hidup dan dapat menunjukkan sifat-sifat hidup / aktifitas kehidupan apabila berinteraksi dengan sel hidup. 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.

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

Cara sel mengambil energi dari lingkungan : Autotrof : mengambil energi dari sinar matahari pada proses fotosintesis  tumbuh-tumbuhan dan mikroorganisme berkhlorofil. Heterotrof : mengambil molekul berenergi/organik dari substrat/makanan diantaranya dari sel autotrof. Energi dari lingkungan diubah menjadi energi yang dapat digunakan sel melalui reaksi-reaksi yang terintegrasi & terorganisasi  metabolisme.

Energi di dalam sel dibebaskan dengan reaksi oksidasi & reduksi Energi di dalam sel dibebaskan dengan reaksi oksidasi & reduksi. Reaksi oksidasi adalah reaksi pemindahan/transfer elektron dari molekul donor e- (reduktor) ke molekul aseptor e- (oksidator)  dihasilkan reduktor baru dan oksidator baru. AH + B  BH + A

Reaksi oksidasi menghasilkan energi bebas : Reaksi oksidasi menghasilkan energi bebas : G = -nFE G = energi bebas n = jumlah elektron yang ditransfer F = konstan Farady 96,406 joule/dt E = perbedaan redox potensial antara produk & reaktan Aliran e- dari reduktor ke oksidator adalah reaksi eksoterm/eksergonik yang membebaskan energi; G = negatip (-). Oksidator dapat menjadi reduktor apabila mendapatkan e- dari molekul donor melalui reaksi endoterm/endergonik yang memerlukan input energi; G = positip (+).

Sel heterotrof dibedakan menjadi 2 golongan berdasarkan caranya menggunakan aseptor elektron (oksidator) - aerob : menggunakan O2 sebagai aseptor elektron terakhir. - anaerob : menggunakan molekul selain O2 sebagai aseptor elektron. Berdasarkan cara menggunakan donor elektron (reduktor); - khemoorganotrof : menggunakan molekul organik kompleks (gula, protein, lipid) sebagai donor elektron. - khemolitotrof : menggunakan zat anorganik (H2S, amonia) sebagai donor elektron.

Virus Terdiri dari materi genetik DNA atau RNA linier atau sirkuler dalam mantel protein dsbt kapsid. Beberapa virus diluar kapsid diselubungi envelope lipoprotein; virus berukuran 10 – 275 nm. Virus yang bebas diluar sel (virion) bersifat inert (tidak aktif) karena tidak mempunyai perangkat untuk transformasi energi, replikasi, transkripsi dan translasi. Bila virus menginfeksi sel, virus melepaskan materi genetik kedalam sel dan meninggalkan kapsul/ envelope diluar sel, atau mengalami uncoating di dalam sel.

Di dalam sel DNA/RNA virus bereplikasi, bertrans kripsi dan bertranslasi menggunakan enzim dan aparat sel untuk membentuk virus baru dalam jumlah besar  sel akan melepas virion keluar. Beberapa virus akan merusak & memecah sel  lisis  mati. Beberapa ada yang keluar tanpa merusak sel. Pada beberapa spesies DNA atau cDNA virus dapat berintegrasi ke DNA genom menjadi provirus  menginduksi sel bertransformasi menjadi maligna.

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 (polimer/ulangan N-asetilglukosamin & N-asetilmuramat).

Dinding sel bakteri gram positip lebih tebal terdiri dari rantai peptidoglikan yang dihubungkan oleh tetrapeptida (pentaglisin), dan asam teikhoat. Dinding sel bakteri gram negatif mempunyai kandungan peptidoglikan lebih sedikit, diliputi lapisan lipid, protein dan lipopolisakharida (LPS)  endotoxin. Di dalam sitoplasma tdpt materi genetik DNA berbentuk supercoil & menempati daerah dsbt nukleoid. Diluar nukleoid sitoplasma terdiri dari cairan sel berisi bahan-bahan dan molekul besar/ makromolekul spt ribosom (70 S) dan bahan-bahan cadangan sebagai perangkat kehidupan sel.

Bentuk umum bakteria :. kokus. basili. spirillum. spiroseta Bentuk umum bakteria : kokus basili spirillum spiroseta vibrio Bakteri dapat hidup di lingkungan sangat bervariasi Eubakteria  hidup di alam/lingkungan biasa : tanah, air dan organisme lain yang lebih besar. Archaebakteria  hidup & tumbuh di lingkungan khusus, tidak ditoleransi makhluk lain  bakteri metanogen, halofil & termoasidofil.

Bakteri berkembang biak (reproduksi) dengan cara sederhana : DNA berasosiasi dengan membran plasma, bereplikasi sehingga terbentuk 2 DNA baru & diikuti segmentasi sel dengan pembentukan membran plasma/dinding sel yang membagi sel menjadi dua bagian. Dalam media biakan replikasi akan menghasilkan koloni yang terdiri dari jutaan sel dalam waktu singkat. Beberapa bakteri membentuk endospora  struktur miniatur yang dpt membentuk sel baru secara vegetatif

Manusia selalu terkontaminasi mikroorganisme : bakteri, virus & parasit, sepanjang hidupnya — sejak lahir hingga mati. Kontaminasi diikuti infeksi  invasi mikroorganisme kedalam tubuh melalui beberapa route (jalan masuk)  mikroorganisme mendapatkan nutrien & penunjang hidup lainnya dari host - hidup sebagai flora normal secara komensal  mengkoloni /menempati daerah tertentu dalam tubuh tanpa menyebabkan gangguan. - hidup sebagai patogen  menginvasi area/bagian tubuh yang harus steril  menyebabkan gangguan dan/atau kerusakan jaringan/organ yang dikolonisasi.

Flora normal tidak menyebabkan sakit, tetapi berpotensi menjadi sumber infeksi dan patogen pada bagian tubuh lain atau individu lain. Mikroorganisme mempunyai route tertentu untuk menginfeksi dan keluar dari tubuh host Bakteri menginfeksi tubuh melalui: - route terbuka : saluran pencernaan, pernafasan dan urogenital. - route tertutup : merusak membran mukosa atau kulit melalui vektor (serangga, tungau, louse) ke sirkulasi

Setelah menginfeksi bakteri akan mengkolonisasi (menempati lokasi tertentu & berproliferasi) jaringan tertentu dengan mengkounter (melawan) mekanisme pertahanan host. Jumlah dan virulensi bakteri menentukan sistem pertahanan host : - inokulum kecil & virulensi rendah  sel-sel fagosit lokal memediasi sistem pertahanan nonspesifik untuk mengeliminasi bakteri. - inokulum besar & virulensi tinggi  menginduksi respon imun spesifik.

Eukariota Sel dengan tingkat evolusi sempurna. Uniseluler Eukariota Sel dengan tingkat evolusi sempurna. Uniseluler : yeast, amuba, protozoa. Multiseluler : binatang & tumbuh-tumbuhan terorganisasi sel  jaringan  organ Komposisi sel : sistem membran organel sitosol sitoskeleton

Sistem membran : Terdiri dari lipid lapis ganda (bilayer) dan protein tersusun secara mosaik. Molekul protein dan lipid berinteraksi dengan ikatan nonkovalen. Komposisi dan jenis lipid/protein yang menyusun membran sel bervariasi menurut jenis, fungsi sel dan spesies. Membran sel eukariota melipat/melekuk ke dalam sitoplasma & bermodifikasi membentuk organel.

 Lipid membran sel  Fosfolipid (bag  Lipid membran sel  Fosfolipid (bag. terbesar) bersifat amfifatik  mempunyai bagian hidrofobik & hidrofilik  membentuk misel dalam air/larutan.  Protein membran sel  intrinsik /integral extrinsik/peripheral fungsi protein membran : - komponen struktural - saluran/channel/pori (melewatkan ion & molekul). - enzim /kofaktor - reseptor - marker (penanda) genetik, dll.  Karbohidrat terikat pada lipid & protein di permukaan luar membran sel.

Materi genetik (DNA) tdpt dalam organel nukleus & mitokhondria Materi 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  khromatin Kondensasi khromatin  Khromosom (waktu mitosis)

Khromatin yang aktif bertranskripsi terbebas dari histon, membentuk tonjolan (loop) tegak lurus dengan sumbu khromatin  lampbrush chromosome pada oosit amfibia ( Xenopus leavis ). Bagian khromatin yang aktif bertranskripsi  eukhromatin  transparan (terang). Bagian khromatin yang tidak bertranskripsi  heterokhromatin  dense (gelap). Eukhromatin & heterokhromatin terlihat jelas pada khromososm politen (khromosom raksasa) D. melanogaster. Eukhromatin menonjol pada khromosom politen  Chromosome puff.

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

Terima Kasih Selamat belajar