Categories: Hewan

Nukleus Sel Hewan – Struktur – Sistem – Replikasi, dan Transkripsi

Nukleus sel atau inti sel adalah salah satu organel yang terdapat dalam sel eukariot seperti hewan, tumbuhan, jamur, dan protozoa. Sel bakteri yang termasuk dalam golongan prokariot tidak memiliki nukleus dikarenakan prokariot tidak memiliki membran inti. Nukleus mengandung hampir seluruh materi genetik sel dan mengatur seluruh proses yang dilakukan oleh sel melalui sintesis protein.

Tidak semua sel eukariot memiliki inti sel, contohnya adalah sel darah merah. Di lain pihak ada beberapa sel yang memiliki beberapa inti sel, contohnya adalah sel otot rangka. Dengan demikian, sel darah merah tidak memiliki kemampuan untuk membelah diri dan mewariskan informasi genetiknya.

Struktur

Inti sel merupakan organel terbesar dalam sel. Organel ini menempati sekitar 10% dari total volume sel dengan diaeter sekitar 6 mikrometer. Bagian dalam inti sel terdiri dari beberapa bagian yaitu

Nukleoplasma, cairan dalam inti sel yang berfungsi sebagai pengisi sel
DNA, struktur terkecil dari materi genetik
Protein, salah satunya bernama histon yaitu protein yang melingkupi DNA

Materi genetik dalam nukleus ada dalam bentuk kromosom. Kromosom ini terbentuk dari material yang bernama kromatin. Kromatin terbuat dari DNA dan histon. Bla dilihat melalui mikroskop elektron, kromatin berada dei tengah sel sebagai gumpalan. Namun pada saat sel membelah, kromatin dapat terlihat jelas sebagai benang yang menebal. Pada fase ini kromosom dapat dikenali dengan bentuk seperti yang kita pelajari di buku.

Membran yang melindungi nukleus

Nukleus sama seperti halnya sel dilingkupi oleh sebuah membran yang disebut membran inti. Membran ini juga terbuat dari fosfolipid bilayer dan bersifat semi permeabel. Dengan sifat ini, membran dapat mengatur molekul apa saja yang dapat masuk dan keluar sel. Sifat ini dbantu dengan adanya pori-pori inti yang disebut dengan nukleoporin. Membran inti terdiri dari dua lapisan yaitu membran dalam dan membran luar denga jarak sekitar 10 hingga 50 nanometer. Struktur membran ini berhubungan dengan lingkungan luarnya (yaitu sitoplasma dan organel sel) melalui struktur yang disebut retikulum endoplasma. Organel ini merupakan tempat biosintesis sebagian besar material untuk metabolisme tubuh kita. (baca : fungsi membran sel pada hewan)

Inti sel juga memiliki inti di dalamnya yang dikenal dengan nama nukleolus atau anak inti. Di anak intilah molekul rRNA (ribosomal RNA) disintesis berdasarkan kode dari DNA. Sejenis protein dari sitoplasma akan melewati membran inti dan berkatan dengan rRNA ini untuk membuat ribosom. Ribosom lalu keluar dari inti sel melalui membran inti dan berdiam di sitoplasma. Fungsi ribosom untuk mensintesis protein.

Sistem Transport

Seperti yang dibahas sebelumnya, molekul dapat melewati membran inti melewati nukleoprin. Molekul kecil dapat bebas keluar masun namun molekul besar seperti RNA membutuhkan suatu protein sebagai alat transportasi yang disebut importin dan eksportin. Dari namanya tentu kita sudah tahu fungsi masing-masing protein transporter ini. Mekanisme import dan eksport materi ini diatur oleh Ran (enzim yang dapat berikatan dengan GTP sebagai yang berguna dalam transportasi intra nukleus) dan GTP (sebuah molekul berisi energi). Importin memerlukan Ran-GTP untuk melepaskan strukturnya dari materi yang diimport sedangkan eksportin memerlukan Ran-GTP untuk berikatan dengan materi yang akan dieksport.

Sistem Import pada Inti Sel

Protein yang harus diimport ke dalam inti sel dari sitoplasma memiliki pengenal khusus di strukturnya yang disebut sinyal lokalisasi nuklear (Nuclear Localisation Signals/NLS). Protein importin akan mengenali NLS ini dan akan berikatan dengan protein yang akan diimport. Kompleks ini kemudian akan dapat menembus membran inti. Selanjutnya sistem import sel ini akan berlangsung dalam sebuah siklus sebagai berikut.

Dalam nukleus, Ran-GTP akan berinteraksi dengan kompleks yang menyebabkan protein yang diimport terlepas dari kompleks.
Ran-GTP akan kembali ke sitoplasma dan Ran GTP akan berpisah dengan importin.
GTP akan terhidrolisis menjadi GDP sehingga terbentuklah Ran-GDP.
Ran-GDP akan berikatan dengan faktor transport nuklear (NUTF2) dan kembali ke nukleoplasma.
GDP akan berubah kembali menjadi GTP dan kompleks protein Ran-GTP terbentuk kembali.

Sistem Eksport pada Inti Sel

RNA, protein, ribosom dan materi lain yang harus dieksport ke sitoplasma dari dalam inti sel memiliki pengenal khusus di strukturnya yang disebut sinyal eksport nuklear (Nuclear Export Signals/NES). Protein eksportin akan mengenali NES dan akan berikatan dengan molekul yang akan dieksport. Sama seperti importin, eksportin memungkinkan kompleks berdifusi keluar dari inti sel melalui membran inti. Siklus yang terjadi pada sistem eksport berkebalikan dengan sistem import inti sel yaitu sebagai berikut.

Setelah kompleks tiba di sitoplasma maka materi yang dieksport akan terlepas dari kompleks.
Ran-GTP akan terhidrolisis menjadi Ran-GDP.
Ran-GDP akan kembali ke dalam inti sel via NUTF2 dan akan menjadi Ran-GTP kembali

Fungsi Inti Sel

Inti sel memiliki tiga fungsi utama yaitu:

Menyimpan materi genetik DNA dan meneruskannya ke sel anakan melalui pembelahan sel
Menyintesis ribosom
Mentranskripsi DNA menjadi RNA

Replikasi pada Sel

Pembelahan sel merupakan dasar dari perkembangbiakan semua makhluk hidup. Melalui pembelahan sel, sel dapat tumbuh, mengganti sel yang rusak, dan menjaga jumlah sel dalam tubuh. Kecepatan sel membelah bergantung dari jenisnya, ada yang sekali sehari, ada yang lebih jarang, bahkan ada sel yang tidak pernah membelah seperti sel otot.

Dalam fase hidup sel, dikenal dua fase yaitu:

Interfase, yaitu fase ketika sel dengan aktif melakukan metabolisme. Pada fase ini pula inti sel memproduksi protein, memproduksi organel, dan memperbesar ukuran sel. Kromosom juga menggandakan dirinya pada fase ini.
Fase mitotik, yaitu fase ketika sel membelah menjadi dua sel anakan yang identik. Dari seluruh fase hidup sel, fase mitotik hanya berlangsung selama 10%-nya saja. Dalam fase mitotik, tepatnya pada pembelahan mitosis, inti sel membelah menjadi dua inti sel beserta kromosom yang telah mengganda sebelumnya.

Sebelum inti sel membelah, DNA pada setiap kromosom disalin atau digandakan terlebih dahulu beserta protein yang melengkapinya (struktur lengkap kromatin). Hal ini menyebabkan setiap kromosom memliki kembarannya yang teridiri dari kromatid homolog. Setiap kromatid bergabung dalam sebuah struktur yang bernama sentromer. Bila digambarkan maka kromosom yang telah mengganda ini berbentuk seperti huruf X di mana sentromer berada di tengah-tengah huruf tersebut. Ketika sel kromatid homolog membelah maka setiap bagiannya disebut dengan kromosom. Masing-masing kromosom memiliki materi genetik yang identik.

1. Mitosis – Pembelahan mitosis begantung pada benang-benang mitotik yang terbuat dari mikrotubulus. Mikrotubulus ini muncul dari suatu organel yang bernama sentrosom. Mikrotubulus akan memisahkan kromatid homolog dengan kembarannya. Ada lima fase yang terjadi dalam pembelahan mitosis di inti sel yaitu:

2. Profase – Terjadi perubahan struktur pada tahap profase di dalam inti sel. Benang-benang kromatin menjadi lebih tebal dan lebih mengkerut sehingga dapat terlihat jelas di bawah mikroskop elektron. Anak inti akan menghilang pada tahap profase. Kromatin kemudian membentuk struktur X yang kita kenal. Di sitoplsma mikrotubulus tumbuh dari kedua sentromer dan membentuk benang-benang mitotik.

3. Prometafase – Membran inti hancur pada tahap ini dan menghilang. Benang-benang mitotik lalu memanjang dan mencapai kromosom di suatu protein yang bernama kinetokor.Kinetokor adalah suatu protein pada sentromer.Benang-benang mitotik kemudian saling tarik menarik dan membuat kromosom menuju bagian tengah sel.

4. Metafase – Benang-benang mitotik kimi membentuk jaringan antara dua kutub sentromer di tempat yang berlawanan dalam sel. Kromosom yang telah berada di tengah sel kemudian berbaris di tengah ekuator berdasarkan posisi sentromernya. Masing-masing kinetokor pada tiap kromatid homolog pada fase ini menghadap kutub dari benang-benang mitotik. Dengan demikian, dari satu buah sentromer, benang-benang mitotik berikatan dengan kinetokor pada satu kromatid. Di lain sentromer, benang-benang mitotik berikatan dengan kinetokor pada kromatid homolognya.

5. Anafase – Sentomer di masing-masing kutub sel saling menjauh sehingga memisahkan kromatid dengan kromatid homolognya. Setelah terpisah maka kromatid dan homolognya dapat dikatakan sebagai masing-masing satu kromosom. Kinetokor menggerakan kromosom anakan menjauhi bidang ekuator melalui benang mitotik. Pada saat ini, sel mulai menjadi lonjong dan ketika kromosom telah sampai di masing-masing kutub maka proses anafase berakhir.

6. Telofase – Sel yang menjadi lonjong pada proses anafase kemudian menjadi lebih panjang. Inti sel mulai terlihat kembali pada masing-masing kutub bersamaan dengan munculnya membran inti. Kromatin mengendur dan menipis kembali seperti pada fase normal sel. Benang-benang mitotik menghilang dari sentromer. Ketika inti sel kembali utuh maka proses mitosis berakhir.

7. Meiosis – Berbeda dengan pembelahan mitosis, pembelahan meiosis menghasilkan sel anakan yang memiliki jumlah kromosom setengah dari sel induk. Pada pembelahan ini, sel akan membelah menjadi empat sel anakan setelah kromosom tergandakan. Meiosis terdiri dari fase Meiosis I dan Meiosis II. Meiosis II memiliki proses yang sama dengan pembelahan mitosis sedangkan fase Meiosis I berbeda dengan mitosis dan dapat dibagi menjadi empat subfase yaitu:

Profase I – Proses profase I merupakan proses yang paling menentukan dari meiosis karena 90% waktu yang diperlukan sel digunakan dalam proses profase. Benang-benang kromatin menebal dan mengkerut kemudian setiap kromosom berpasangan dengan kromosom homolog yang dikenal dengan proses sinapsis. Sinapsis menghasilkan struktur empat kromoso yang disebut tetrad (dapat dibayangkan berbentuk XX). Ketika kromosom semakin menebal maka inti sel pun menghilang, kedua sentromer menghasilkan benang-benang mitotik dan dan menjauh satu sama lain. Membran inti pun akhirnya pecah menjadi beberapa bagian dan menghilang Tetrad kromosom kemudian ditangkap oleh benang-benang mitotik dan digiring menuju tengah sel.
Metafase I – Kromosom tetrad dijajarkan di bidang ekuator sel sehingga masing-masing kromosom berada di kutub yang berlainan dengan kromosom homolognya. Benang-benang kromatin mengikat sentromer pada kinetokor seperti pada tahap metafase mitosis. Pada metafase I, bukan kromatid homolog yang berada di dua sisi sel namun kromosom homolog sehingga di setiap sisi sel terdapat masing-masing satu set kromatid homolog.
Anafase I – Sama seperti pada mitosis, pada anafase meiosis I, kromosom akan berpindah dari bidang ekuator menuju kedua kutub sentromer. Perbedaan pada anafase dan anafase I adalah pada anafase I, kromosom homologlah yang akan ditarik oleh benang-benang mitotik menjauhi bidang ekuator, bukan kromatid homolognya. Tetrad kromosom akan terpisah menjadi dua bagian, masing masing memiliki satu kromatid homolog (dari XX menjadi X). Dengan demikian, terjadi pengurangan jumlah kromosom dari diploid (XX) menjadi haploid (X) atau dengan kata lain kromosom sel anakan akan berjumlah setengah dari kromosom sel induk.
Telofase I – Pada tahap telofase I, kromosom akan berada di masing-masing kutub sentrosom dan bersifat haploid. Sel kemudian memanjang dan bersiap untuk membelah menjadi dua yang disebut proses sitokinesis. Masing-masing sel yang terbentuk akan masih memiliki kromatid homolognya. Setelah telofase I maka sebagian sel akan membuat inti selnya sebelum proses meiosis II, namun sebagian sel lainnya langsung menuju meiosis II tanpa melalui proses pembentukan inti sel lagi.

Transkripsi RNA

Sintesis Protein Salah satu fungsi inti sel lainnya adalah mentranskripsi DNA menjadi RNA. Proses ini berguna sebagai proses awal dari sintesis protein. Seperti yang kita ketahui, DNA mengandung seluruh informasi genetik yang menentukan proses-proses yang terjadi dalam tubuh kita. Hal ini disebut dengan istilah genotipe. Namun, yang dapat kita observasi dari tubuh kita sehari hari adalah ekspresi dari genotipe yaitu fenotipe. Kedua tipe ini dihubungkan dengan proses sintesis protein.

Komando proses dari genotipe menjadi fenotipe ini dejelaskan melalui Teori Dogma Sentral yang dijelaskan oleh Francis Crick pada 1956. Teori ini menjelaskan bahwa

Komando berawal dari DNA di dalam inti sel kemudian diteruskan melalui RNA menjadi protein di sitoplasma melalui proses transkripsi dan translasi.
Proses transkripsi adalah proses pemindahan kode materi genetik dalam bentuk DNA menjadi RNA.
Proses tranlasi adalah proses penerjemahan kode genetik RNA menjadi untaian asam amino yang akan menjadi protein.

Karena kini kita membahas tentang fungsi inti sel, maka hanya proses transkripsi yang akan dijelaskan lebih lanjut.

Transkripsi RNA Pada sel eukariot, transkripsi terjadi dala nukleus, tempat DNA berada. DNA akan dicetak menjadi RNA setelah DNA berpisah dari untaian gandanya (dalam kondisi normal, DNA sel eukariot selalu dalam bentuk untai ganda/double helix). Hanya ada satu untai DNA yang akan menjadi template bagi RNA. Satu satu nukleotida RNA akan disambungkan dengan enzim RNA polimerase. RNA polimerase ini akan mulai menyambung dan membuat untaian RNA di promoter (prokariot) atau TATA box (eukariot). Proses ini tidak akan dijelaskan lebih lanjut dalam artikel tentang transkripsi RNA.

Secara umum proses transkripsi dalam inti sel dibagi menjadi tiga fase yaitu :

Inisiasi, yaitu pelekatan RNA polimerase pada tempat mulainya sintesis RNA (promoter atau TATA box).
Elongasi, yaitu proses sintesis RNA ketika nukleotida DNA dibaca dan RNA digabungkan RNA pilimerase. Setiap untaian RNA yang terbentuk, maka RNA akan terlepas dari DNA sehingga DNA dapat membentuk untai ganda kembali.
Terminasi, yaitu proses berhentinya transkripsi. Proses ini terjadi apabila RNA polimerasi telah mencapai suatu sekuensi DNA yang dikenal dengan nama terminator.

Pembagian transkripsi RNA

Ada tiga macam RNA yang disintesis dalam inti sel yaitu mRNA (messenger RNA) sebagai bahan kode untuk sintesis protein, tRNA (transfer RNA) sebagai moda untuk mengambil asam amino berdasarkan kode pada mRNA, dan rRNA (ribosomal RNA) sebagai materi pembentuk ribosom. Dalam inti sel, mRNA akan diproses dari RNA yang telah ditranskripsikan. Oleh karena itu, pada artikel ini kita akan membahas tentang produksi mRNA sebagai salah satu fungsi inti sel lainnya.

a. Produksi mRNA – Meskipun kode genetik dari DNA telah ditransfer ke dalam bentuk RNA, namun RNA belum dapat menjadi bahan kode untuk sintesis protein. RNA ini dikenal dengan nama pre-mRNA. Pre-mRNA harus melalui beberapa tahapan modifikasi sebelum dapat menjadi kode untuk sintesis protein. Hal ini hanya berlaku untuk sel eukariot karena sel eukariot memiliki inti sel. Berikut adalah modifikasi yang dilakukan terhadap pre-mRNA.

b. Capping and Tailing – Pada proses ini beberpa nukleotida ditambahkan pada ujung-ujung pre-mRNA yang telah ditranskripsikan. Nukleotida tambahan ini berupa satu buah Guanin (cap) dan sekitar 50 hingga 250 adenin (tail). Cap dan tail berada di ujung berbeda dari nukleotida.

Fungsi cap dan tail ini adalah untuk :

Memfasilitasi mRNA keluar dari inti sel
Melindungi mRNA dari enzim intraselular
Membantu riboseom untuk berikatan dengan mRNA

c. RNA Splicing – Pada kebanyakan sel hewan dan tumbuhan, terdapat banyak daerah pada DNA yang tidak memiliki kode genetik yang dapat diartikan dalam bentuk protein (non coding region). Bagian ini disebut intron. Bagian yang dapat diartikan dalam bentuk protein disebut ekson. Baik intron maupun ekson dicetak dalam bentuk RNA pada proses transkripsi sehingga ada bagian yang tidak dapat diartikan dalam pre-mRNA.

Sebelum mRNA dapat meninggalkan inti sel, intron-intron ini harus dihilangkan dan ekson-ekson disatukan agar menjadi fragmen yang utuh. Proses inilah yang dinamakan RNA Splicing. Pada umumnya, RNA Splicing dilakukan dengan bantuan kompleks enzim dan molekul RNA. Namun kadang-kadang RNA dapat menghapus intron ini dengan sendirinya. Bahkan, melalui proses ini, satu pre-mRNA dapat menajdi beberapa mRNA. Dengan demikian, dari satu gen yang ditranskripsi bisa saja tersintesis lebih dari satu jenis protein.

Aplikasi Teknologi

Banyak aplikasi teknologi yang melibatkan inti sel. Salah satu yang sangat terkenal dan menimbulkan kontroversi adalah kloning. Kloning adalah usaha perkembangbiakan hewan secara vegetative artificial. Hal ini berarti hewan dan manusia dapat memperbanyak dirinya tanpa ada proses pertemuan antara sel gamet jantan dan sel gamet betina (pembuahan). Teknologi kloning membutuhkan inti sel dari indukan untuk dijadikan organisme baru.

Teknologi kloning hewan dilakukan dengan melewati suatu tahapan yang dinamakan transplantasi nuklear. Teknik ini pertama kali diperkenalkan pada medio tahun 1950an dengan menggunakan embrio daur hidup katak. Pada proses itu, inti sel telur katak atau zigot diganti dengan inti sel tubuh katak dewasa. Setelah ditransplantasikan, ternyata sel yang berisi sel dewasa tersebut dapat membelah dan membentuk struktur blastosit, calon embrio.

Ada dua macam tipe kloning yang dikembangkan hingga saat ini yaitu

1.Kloning reproduktif – Kloning reproduktif ditujukan untuk memproduksi individu baru. Apabila sel hewan yang dikloning adalah sel pada sistem pernapasan mamalia seperti domba atau manusia, blastosit yang terbentuk harus ditanam di rahim inang. Anakan akan memiliki kesamaan genotipe yang identik dengan sel donor. Teknik ini pernah digunakan untuk mengembangkan seekor domba yang diberi nama Dolly oleh seorang ilmuwan dari Skotlandia, Ian Wilmut. Domba Dolly berasal dari sel domba dewasa yang telah sepenuhnya berkembang.

2.Kloning terapeutik – Kloning terapeutik ditujukan untuk memanen sel punca embrionik. Blastosit yang terbentuk setelah transplantasi nuklear dapat digunakan sebagai sel punca embrionik. Secara normal, sel punca embrionik dapat berkembang menjadi berbagai macam jenis sel seperti sel kulit, sel otot, dan sel darah tergantung mekanisme yang terekspresikan dari kode genetik. Dengan demikian, sel punca embrionik ini dapat digunakan sebagai terapi untuk penyakit degenerasi selular, misalnya saja transplantasi sel punca pada pankreas seorang penderita diabetes sehingga pankreasnya dapat kembali menghasilkan insulin.