Dasar-dasar kimia dan molekul pada sel
Sel adalah suatu unit dasar dari
tubuh manusia dimana setiap organ merupakan agregasi/penyatuan dari berbagai
macam sel yang dipersatukan satu sama lain oleh sokongan struktur
interselluler. Setiap jenis sel
dikhususkan untuk melakukan suatu fungsi tertentu. Misalnya sel darah merah yang jumlahnya 25
triliun berfungsi untuk mengangkut oksigen dari paru-paru ke jaringan. Disamping sel darah merah masih terdapat
sekitar 75 triliun sel lain yang menyusun tubuh manusia sehingga jumlah sel
pada manusia sekitar 100 triliun sel.
Walaupun banyak sel yang berbeda satu
sama lainnya, tetapi umumnya seluruh sel mempunyai sifat-sifat dasar yang mirip
satu sama lain. Misalnya oksigen yang
terikat pada karbohidrat lemak atau protein pada setiap sel untuk melepaskan
energy, mekanisme umum merubah makanan menjadi energi, setiap sel melepaskan
hasil akhir reaksinya ke cairan disekitarnya, hampir semua sel mempunyai
kemampuan mengadakan reproduksi dan jika sel tertentu mengalami kerusakan maka
sel sejenis yang akan beregenerasi.
Secara umum sel-sel yang menyusun
tubuh manusia mempunyai struktur dasar yang terdiri dari membran sel,
protoplasma dan inti sel (nukleus).
Ketiganya mempunyai komposisi kimia yang terdiri air, elektrolit,
protein, lemak dan karbohidrat.
Energi
Sel membutuhkan energi untuk
melakukan semua aktifitasnya, misalnya sintesa glukosa, kontraksi otot dan
replikasi DNA. Dalam sistim biologis,
energi tersebut diperoleh dari ikatan kimia dan reaksi kimia yang terdapat
dalam sel (buah makanan). Glukosa adalah
sumber energi yang utama. Sel melakukan
degradasi glukosa secara terus menerus dan pada proses tersebut energi tadi dapat
digunakan untuk semua aktifitas sel.
Energi yang dihasilkan dapat dikonversi menjadi berbagai macam energi
seperti energi panas, energi kimia, energi mekanik, dan energi listrik. Misalnya pada otot dan saraf, energi kimia
dikonversi menjadi energi mekanik pada kontraksi dan energi listrik pada
aktifitas sel saraf.
Energi yang diekstraksi dan bahan
makanan terikat dalam suatu ikatan kimia yang dikenal sebagai Adenosin
Triphosphate (ATP). ATP inilah yang
merupakan sumber energi, dimana energi akan dilepas jika ATP dihidrolisis
menjadi ADP sehingga 1 fosfat yang berenegri tinggi (12 kkal) dipakai untuk
kebutuhan sel, ADP masih dapat dihidrolisis untuk kembali menghasilkan 1 fosfat
(12 kkal) dan molekul AMP. Umumnya
energi yang diekstraksi dari bahan makanan, akan dipakai terlebih dahulu untuk
pembentukan ATP, sebelum energi tadi dipakai untuk semua aktifitas sel.
Nukleus
DNA yang terdapat pada kromosom
merupakan sruktur double stranded (double helix) yang terdiri dari : 1) gugus fosfat 2) gugus pentose (gula)
yaitu deoksiribosa dan 3) basa nitrogen yaitu purine : adenine dan guanine,
pirimidine : Cytosine dan thymine. Gugus
fosfat dan pentose membentuk struktur fisik DNA, sedangkan 4 basa yang berbeda
ini membawa informasi genetik. Pada DNA.
Adenine selalu berkaitan dengan thymine dan guanine selalu terikat dengan
Cytosine.
Karena DNA berlokasi pada inti sel
sedang hampir semua aktifitas sel terjadi pada sitoplasma, maka dibentuklah RNA
yang dapat berdifusi menuju sitoplasma untuk mengatur sintesa protein yang
spesifik. Proses pembentukan RNA diatur
oleh DNA melalui proses transkripsi.
Perbedaan struktur RNA dan DNA adalah
bahwa pada RNA pentosennya adalah ribosa, dan gugus basa yang berkaitan dengan
adenin adalah urasil (tidak ada thymine).
Proses pembentukan RNA terjadi dibawah pengaruh enzim RNA
polymerase. Setalah dibentuk RNA akan
dilepas ke nukleoplasma. Terdapat 3
jenis RNA yang dibentuk oleh DNA, dimana tiap jenis RNA mempunyai fungsi yang
berbeda yaitu :
Messenger RNA (mRNA), berfungsi
membawa kode genetik ke sitoplasma untuk mengatur sintesa protein.
Transfer RNA (tRNA) untuk transport
asam amino menuju ribosom untuk digunakan menyusun molekul protein.
Ribosomal RNA (rRNA) untuk membentuk
ribosom bersama dengan 75 protein lainnya.
Bila molekul mRNA kontak dengan
ribosom, maka akan dibentuklah molekul protein disepanjang ribosom. Proses pembentukan protein ini disebut
translasi. Jadi pada ribosom terjadi
proses kimia penyusunan asam amino untuk membentuk protein.
Retikulum Endoplasma (RE)
Merupakan organel yang mempunyai
permukaan membran yang sangat luas.
Retikulum endoplasma terdiri dari vesikel dan tubulus dan berfungsi
sebagai tempat sintesa protein dan lemak.
Permukaan membran RE ada yang mengandung granula-granula ribosom dan
disebut RE granuler/Rough RE dan ada yang tidak mengandung granula disebut RE
agranuler/smooth RE. Ribosom yang
terdapat pada granuler RE berfungsi sebagai tempat sintesa protein, sedang
agranuler RE berfungsi untuk sintesa dan metabolismee asam lemak dan
fosfolipid.
Apparatus Golgi
Apparatus Golgi (AG) disebut juga
golgi kompleks yang mempunyai hubungan yang erat dengan RE granuler. Beberapa menit setelah protein disintesa oleh
RE, akan ditransport ke golgi vesikel yang lokasinya dekat inti sel. AG mempunyai fungsi memodifikasi unit
glikoprotein dan karbohidrat dan sebagai polisi yang menyortir dan mengarahkan
protein sesuai dengan tempatnya yang tepat.
Lisosom
Merupakan organel vesikuler yang
dibentuk pada Apparatus golgi yang akan disebarkan ke seluruh sitoplasma. Lisosom berfungsi sebagai sistim pencernaan
intrasel yang akan mencerna dan membuang bahan-bahan yang tidak dibutuhkan atau
benda asing seperti bagian sel yang mati, atau bakteri. Lisosom mempunyai pH yang lebih rendah dari
sitoplasma. Fungsi pencernaan dan lisosom dilakukan melalui enzim acid
hydrolase, yang dapat mencerna berbagai bahan organik menjadi bahan yang lebih
sederhana seperti protein menjadi asam amino atau glikogen menjadi
glukosa.
Peroksisom
Merupakan organel kecil yang terdapat
pada sitoplasma dengan diameter 0,5 m dan mempunyai membran. Mengandung enzim oksidase yang akan bereaksi
dengan hidrogen membentuk hidrogen peroksida (H202), juga
mengandung enzim kataisase yang akan mengubah H202 menjadi
air dan oksigen. Mekanisme oksidase
katalase-H202 sangat penting untuk mensintesis asam lemak
menjadi acetyl-coenzym A yang selanjutnya masuk dalam siklus Krebs untuk
pembentukan energi. Organel peroksisom
ini juga banyak terdapat dalam hati dan ginjal yang berperan pada proses
glukoneogenesis (pembentukan glukosa dari lemak/protein).
Mitokondria
Merupakan sumber energi (powerhouse)
dari sel berfungsi mengekstrak energi dari makanan. Mitokondria merupakan organel yang besar
dalam sel dan menempati sekitar 25% volume sitoplasma. Mitokondria mempunyai 2
lapisan membran, membran luar dan membran dalam. Membran luar mempunyai pori-pori yang
memungkinkan molekul besar melewatinya.
Membran dalam terdiri dari 80 % protein dan 20 % lemak dan menonjol ke
dalam. Pada tonjolan ini (Krista)
terdapat banyak enzim-enzim oksidatif fosforilase. Enzim ini berperan pada pproses oksidasi
glukosa dan lemak serta sintesa ATP dan ADP.
Pada bagian dalam mitokondria (matriks) juga terdapat banyak enzim yang
diperlukan untuk ekstraksi energi dari bahan-bahan makanan. Energi yang dilepaskan digunakan untuk
sintesa ATP. Asam piruvat dan asam lemak dan sebagian besar asam amino akan
diubah menjadi asetil-Co A pada matrix mitokondria, dimana proses tersebut
menjadi melalui siklus asam sitrat atau siklus Krebs. Pada siklus ini, asetil-Co A akan dipecah
menjadi hydrogen dan karbon dioksida. Karbon dioksida akan keluar dari
mitokondria. Reaksi ini menghasilkan
banyak energi yang digunakan untuk pembentukan ATP dan ADP. Proses ini sangat kompleks dan melibatkan
enzim ATP sintetase.
Pada mitokondria juga terdapat DNA,
sama dengan yang terdapat pada inti sel.
DNA ini yang mengatur kemampuan mitokondria untuk mengadakan self
replication bila aktifitas mitokondria untuk menghasilkan energi meningkat.
MEMBRAN SEL
Sel dan organel yang terdapat dalam
sel, dilapisi oleh membran yang terutama tersusun oleh lemak dan protein. Lemak yang terdapat pada membran memungkinkan
membran berfungsi sebagai berrier yang membatasi pergerakan molekul yang dapat
larut dalam air melewati membran.
Molekul protein yang dapat menembus membran sel, berfungsi sebagai
tempat lewatnya bahan-bahan tertentu.
Selain itu protein yang terdapat pada permukaan membran seperti
reseptor, enzim dan pump (pompa) masing-masing berfungsi sebagai katalisator
dan pompa yang melakukan transport aktif ion-ion tertentu kedalam maupun keluar
sel.
Selain berfungsi sebagai barrier yang
permeabilitasnya selekfif, membran sel juga berfungsi mengatur arus informasi
antara sel dengan lingkungan sekitarnya.
Hal ini dimungkinkan oleh adanya reseptor yang spesifik pada permukaan
membran sel.
Ikatan suatu substrat dengan
reseptornya yang spesifik pada permukaan membran sel akan menyebabkan
terjadinya transduksi sinyal yang selanjutnya akan mengaktifkan berbagai mata
rantai rekasi biokimia dalam sel, sehingga dapat disimpulkan bahwa membran sel
berfungsi dalam proses komunikasi antar sel.
Membran sel komposisinya terutama
terdiri dari protein 35% lemak 42% dan
karbohidrat 3%, tetapi persentase ini bervariasi pada berbagai sel. Terdapat 3 jenis lemak yang terdapat pada
membran sel yaitu fosfolipid, kolesterol dan glikolipid. Pada membran sel fosfolipid membentuk dua
lapisan (lipid bilayer) dimana lapisan hidrofilik terletak pada bagian luar
(berhadapan dengan cairan ekstrasel) dan bagian dalam sel (berhadapan dengan
sitoplasma), sementara bagian hidrofobik terletak antara kedua lapisan
hidrofilik ini.
Protein pada membran sel terbagi atas
protein integral dan protein perifer.
Sebagian besar protein integral membentuk channel pada membran atau
membentuk pompa sebagai tempat lewatnya ion-ion. Sementara protein perifer biasanya hanya
terikat dengan protein integral atau dengan bagian hidrofilik membran, dan
umumnya protein perifer ini membentuk enzim.
Karbohidrat pada membran umumnya
dalam bentuk glikolipid dan glikoprotein.
Karbohidrat ini berfungsi meningkatkan hidrofilisitas lemak dan protein,
mempertahankan stabilitas membran oleh adanya struktur yang disebut
glikokaliks. Glikokaliks akan
berinteraksi dengan glikokaliks sel lain sehingga berfungsi melekatkan satu sel
dengan sel yang lainnya. Glikolipid yang
terdapat pada membran sel juga berperan dalam reaksi imunologis, dengan
membentuk antigen dalam darah.
Transport membran
Permeabilitas sel bersifat sangat
selektif. Arus pergerakan molekul dan
ion antara sel dan lingkungan sekitarnya diatur dengan tepat oleh berbagai
sistim transport yang spesifik. Sitim
transport ini berperan dalam :
1.
Mengatur
volume dan komposisi cairan tubuh
2.
Mengatur
masuknya bahan yang dibutuhkan seperti glukosa, asam amino dan pengeluaran
bahan yang tidak dibutuhkan oleh sel misalnya bahan-bahan toksik.
3.
Menimbulkan
gradient konsentrasi untuk ion-ion tertentu yang berperan dalam eksitabilitas
sel saraf dan otot.
Proses transport melalui membran
terjadi melalui 2 mekanisme, yaitu transport aktif dan transport pasif. Transport pasif terjadi tanpa memerlukan
energi sedangkan tranposrt aktif memerlukan energi. Yang termaksuk transport pasif adalah :
a. Difusi sederaha
b. Transport dengan fasilitas
c. Transport lewat ion channel
Pada difusi sederhana molekul akan
bergerak dari daerah yang konsentrasinya tinggi ke daerah konsentrasi rendah.
Misalnya oksigen yang banyak diluar sel akan berdifusi masuk kedalam sel.
Difusi sederhana sangat ditentukan oleh kelarutan suatu bahan dalam lemak.
Apabila suatu bahan larut dalam lemak, maka bahan tersebut akan lebih mudah
berdifusi dibanding bahan yang larut dalam air. Kecepatan difusi suatu zat
dipengaruhi oleh beberapa faktor :
1. Permeatbilitas membran sel
(ditentukan oleh ketebalan membran, kelarutan suatu bahan dalam lemak, jumlah
channel, temperature dan diameter molekul).
2. Perberdaan konsentrasi molekul/ion.
3. Perbedaan tekanan pada kedua sisi
membran
4. Perbedaan potensial listrik pada
kedua sisi membran
5. Luas permukaan membran
Transport dengan cara
difusi fasilitas mempunyai perbedaan dengan difusi sederhana difusi yaitu
difusi fasilitas melalui carrier spesifik dan difusi ini mempunyai kecepatan
transport maksimum (Vmax). Suatu bahan
yang akan ditransport lewat cara ini akan terikat lebih dahulu dengan carrier
protein yang spesifik, dan ikatan ini akan membuka channel tertentu untuk
membawa ikatan ini kedalam sel. Jika
konsentrasi ikatan ini terus ditingkatkan, maka jumlah carrier akan habis
berikatan dengan bahan tersebut sehingga pada saat itu kecepatan difusi menjadi
maksimal (Vmax). Pada difusi sederhana
ini tidak terjadi, makin banyak bahan kecepatan transport bahan makin meningkat
tanpa batas.
Transport melalui ion
channel, khusus bagi ion-ion yang sulit ditransport secara difusi akibat muatan
listriknya. Ion chanel ini mempunyai
sifat yang sangat selektif dan terbukanya channel tersebut akibat potensial
listrik sepanjang membran sel dan melalui ikatan channel dengan hormon atau
neurotransmitter.
Beberapa ion harus
dipertahankan jumlahnya lebih besar dari luar sel (misalnya Natrium) atau
Kalium harus dipertahankan lebih banyak dalam sel. Hal ini tentunya tidak tercapai dengan
transport pasif, sebab transport pasif hanya akan menyeimbangkan konsentrasi
ion-ion di dalam dan di luar sel. Untuk
itu perlu transport aktif yang memakai energi untuk melawan perbedaan
konsentrasi, misalnya transport Na dari dalam sel ke luar sel lewat Na
pump. Transport aktif terbagi atas
transport aktif primer dan sekunder. Transport
aktif sekunder juga terdiri atas co-transport dan counter transport (exchange).
Transport aktif primer
memakai energi langsung dari ATP, misalnya pada Na-K pump dan Ca pump. Pada Na-K pump, 3 Na akan dipompa keluar sel
sedang 2 K akan dipompa ke dalam sel.
Pada Ca pump, Ca akan dipompa keluar sel agar konsentrasi Ca dalam sel
rendah.
Pada transport sekunder
co-tranport, glukosa atau asam amino akan ditransport masuk dalam sel mengikuti
masuknya Natrium. Natrium yang masuk
akibat perbedaan konsentrasi mengikuti glukosa atau asam amino ke dalam sel,
meskipun asam amino atau glukosa di dalam sel konsentrasinya lebih tinggi dari
luar sel, tetapi asam amino atau glukosa ini memakai energi dari Na (akibat
perbedaan konsentrasi Na). sehingga
glukosa atau asam amino ditranspor secara transport aktif sekunder
co-transport.
Pada proses counter
transport/exchange, masuknya ion Na ke dalam sel akan menyebabkan bahan lain
ditransport keluar. Misalnya pada Na-Ca
exchange dan Na-H exchange. Pada Na-Ca
exchange, 3 ion Na akan di transport ke dalam sel untuk setiap 1 ion Ca yang
ditransport keluar sel, hal ini untuk menjaga kadar Ca intrasel, khususnya pada
otot jantung sehingga berperan pada kontraktilitas jantung. Na-H exchange terutama berperan mengatur
konsentrasi ion Na dan Hidrogen dalam tubulus proksimal ginjal, sehingga turut
mengatur pH dalam sel.
Untuk partikel-partikel
besar, misalnya bakteri tidak dapat ditransport adalah molekul yang mengandung
cairan ekstrasel. Molekul tadi ditelan seluruhnya dan terbentuk dalam vesikel
pinositik. Mekanisme ini sama dengan proses fagositosis, hanya saja molekul
pada fagositosis lebih padat misalnya bakteri atau bagian sel yang rusak.
