Diambil dari Campbell Biology (2011), Biology 9th
10/12 September 2014
Tatap Muka 2: The Cell I
II. Struktur dan Fungsi Sel
(A Tour of the Cell)
Di dalam hirarki organisasi biologi yang disajikan pada bab pendahuluan, sel merupakan materi hidup yang paling simpel. Terdapat banyak sekali bentuk kehidupan yang beragam dari organisme bersel tunggal (uniseluler). Organisme yang lebih
kompleks pada umumnya bersifat multiseluler, tubuhnya tersusun atas berbagai macam sel terspesialisasi yang bekerja secara kooperatif dimana tiap sel tidak dapat hidup sendiri. Namun demikian, walaupun tiap sel pada organisme multiseluler terorganisir sebagai jaringan atau organ, sel merupakan unit dasar struktur dan fungsi bagi suatu organisme. Bab ini akan memberikan latar belakang yang baik untuk dapat memahami bagaimana membran plasma sel mengendalikan lalu lintas substansi. Pada Bab ini akan dibahas sel dan organelnya dengan mengacu pada konsep kunci sebagai berikut:
1. Eukaryotic cells have internal membranes that compartmentalize their function 2. The eukaryotic cell’s generic instructions are housed in the nucleus and carried
out by the ribosomes
3. The endomembrane system regulate protein traffic and performs metabolic functions in the cell
4. Mitochondria and chloroplasts change energy from one form to another
5. Extracellular components and connections between cells help coordinate cellular activities
Setelah mempelajari Bab ini mahasiswa diharapkan mampu mencapai kompetensi khusus yang diharapkan yaitu:
________________________________________________________________________ 1. Mahasiswa mampu membedakan sel prokariot dari eukariot
2. Mahasiswa mampu membedakan ribosom bebas dari ribosom terikat 3. Mahasiswa mampu membedakan ER halus dari ER kasar
4. Mahasiswa mampu menerangkan peran mitokondria, kloroplas 5. Mahasiswa mampu mendeskripsi struktur sistem endomembrane 6. Mahasiswa mampu mendeskripsikan fungsi sistem endomembran 7. Mahasiswa mampu mendeskripsikan empat macam hubungan antar sel
8. Mahasiswa mampu mendeskripsikan struktur dan peran dari matrix extraseluler sel hewan
1. Eukaryotic cells have internal membranes that compartmentalize their function
Comparing Prokaryotic and Eukaryotic Cells
Semua sel mempunyai sifat umum yang sama yaitu memiliki membran plasma (pembatas sel yang bersifat selektif). Bagian yang dibungkus oleh membran plasma adalah substansi semifluida seperti jelly yang disebutcytosol. Selain itu, semua sel juga memiliki kromosom pembawa gen dalam bentuk DNA, dan memiliki ribosom yaitu organel kecil yang berfungsi sebagai penyusun protein sesuai instruksi dari gen.
Perbedaan utama dari sel eukariot dan sel prokariot adalah pada lokasi DNA-nya. Padasel eukariot, sebagian besar dari DNA terletak dalam organel nukleus yang dibatasi oleh membran ganda. Didalamsel prokariot, DNA terkonsentrasi pada bagian yang tidak dilapisi oleh membran sehingga bagian ini disebutnucleoid (Figure 6.6). Bagian dalam dari sel prokariot disebutsitoplasma; dan istilah ini juga digunakan untuk area yang terletak diantara nukleus dan membran plasma pada sel eukariot. Didalam
sitoplasma sel eukariot (dan terendam di dalam sitosol) terdapat berbagai organel yang memiliki bentuk dan fungsi khusus. Struktur berlapis membran ini tidak terdapat pada sel prokariot.
A Panoramic View of the Eukaryotic Cell
Selain dari membran plasma yang terdapat pada bagian paling luar dari sebuah sel, sel eukariot juga memiliki membran internal yang ekstensif (luas) dan terorganisir secara kompleks. Membran ini mampu memisahkan bagian dalam sel menjadi
2. The eukaryotic cell’s generic instructions are housed in the nucleus and carried out by the ribosomes
The Nucleus
Nukleus berisi sebagian besar gen pada sel eukariot (sebagian kecil gen terletak didalam mitokondria dan kloroplas). Nukleus merupakan organel yang paling mudah dilihat dalam sel eukariot (diameter rata-rata 5 um). Membran nukleus (nuclear envelope) melapisi nukleus (Figure 6.10) sehingga memisahkannya dari sitoplasma.
Membran nukleus adalah membran ganda. Kedua membran tersebut (masing-masing membran adalah lipid bilayer dengan sejumlah protein) hanya terpisah dengan jarak 20-40 nm satu sama lainnya. Membran nukleus berpori dengan ukuran diameter 100 nm. Tiap-tiap bibir lingkaran pada membran dalam dan membran luar nukleus
bersambung. Suatu struktur protein yang rumit (pore complex) mengelilingi tiap-tiap pori dan berperan penting dalam mengatur keluar masuknya protein dan RNA serta
makromelekul. Kecuali pada pori-porinya, membran nukleus bagian dalam dilapisi oleh
nuclear lamina(lamina nucleus), yaitu suatu jaringan yang tersusun atas filament protein yang berfungsi menjaga bentuk nukleus dengan cara menyokong membran secara
Di dalam nukleus terdapat DNA yang terorganisir dalam unit yang disebut
kromosom, yaitu struktur yang membawa informasi genetik. Tiap-tipa kromosom tersusun atas materi yang disebutkromatin(protein dan DNA). Tiap spesies eukariot memiliki sejumlah kromosom tertentu. Manusia pada umumnya memiliki 46 kromosom didalam nukleusnya; kecuali sel gamet yang memiliki 23 kromosom. Lalat buah memiliki 8 kromosom pada tiap selnya, dan 4 kromoson pada sel gamet.
Struktur lain yang terdapat di dalam nukleus dan tidak membelah adalah
nucleolus(pada mikroskop elektron terlihat seperti masa padat dari partikel dan serat yang bergabung dengan kromatin). Ribosomal RNA (rRNA) disentesa didalam nukleolus berdasarkan instruksi didalam DNA. Didalam nukleolus, protein yang diimport dari sitoplasma digabungkan dengan rRNA menjadi subunit ribosom kecil dan besar. Kedua subunit ini kemudian keluar dari nucleus melalui pori-pori menuju sitoplasma, dimana subunit besar dan kecil bergabung menbentuk ribosom. Kadang-kadang didalam nukleus terdapat dua atau tiga nukleoli; jumlahnya tergantung dari spesies dan tahapan siklus reproduksi sel.
Ribosomes: Protein Factories
Ribosom yang merupakan komponen yang tersusun atas rRNA dan protein merupakan komponen sel yang melakukan sintesis protein (Figure 6.11). Sel-sel yang memiliki laju sintesa protein tinggi memiliki ribosom dalam jumlah besar. Sebagai contoh, sel pankreas manusia memiliki jutaan ribosom (peran nukleoli menjadi sangat penting pada sel yang aktif dalam sintesa protein).
Ribosom menyusun protein pada dua lokasi dalam sitoplasma. Ribosom bebas terbenam didalam sitosol sedangkan ribosom terikat melekat pada sisi luar dari retikulum endoplasma atau membran nukleus. Kedua macam ribosom ini memiliki struktur yang identik. Sebagian besar dari protein yang disintesa oleh ribosom bebas berfungsi didalam sitosol; contohnya adalah enzim yang mengkatalisis reaksi pertama dalam pemecahan gula. Ribosom terikat pada umumnya mensintesa protein yang disisipkan pada membran, yang dikemas didalam organel tertentu, atau yang akan disekresikan. Sel-sel yang
Retikulum endoplasma
3. The endomembrane system regulate protein traffic and performs metabolic functions in the cell
Banyak dari membran yang terlihat berbeda dalam sel eukariot sebenarnya adalah bagian darisistem endomembrane, yang melakukan bermacam-macam tugas didalam sel. Tugas ini termasuk mensintesa protein dan transport protein menuju membran dan organel-organel atau menuju keluar sel, metabolisme dan perpindahan lipid, dan detoksifikasi toksin. Membran pada sistem ini terhubung melalui hubungan fisik secara langsung atau dengan cara mentransfer sebagian membran dalam bentukvesikel(kantong yang terbuat dari membran). Walaupun saling berhubungan, tetapi membran-membran tersebut tidak identik dalam struktur maupun fungsinya. Sistem endomembran terdiri atas membran nukleus, retikulum endoplasma, aparatus Golgi, lisosom, dan bermacam-macam jenis vakuola, serta membran plasma.
The Endoplasmic Reticulum: Biosynthetic Factory
(ER) merupakan jaringan membran yang sangat luas dan terdiri atas lebih dari separoh total membran pada sel eukariot. ER terdiri dari membran tubula dan kantong yang disebut cisternae. Membran ER memisahkan kompartemen bagian dalam dari ER yang disebut lumen atau ruang cisternae dari sitosol. Karena
membran ER ini bersambung dengan membran nukleus, maka ruang antar membran pada membran nukleus bersambung dengan lumen ER (Figure 6.12).
Terdapat dua area pada ER dengan struktur dan fungsi yang berbeda walaupun keduanya bersambung yaitu ER halus dan ER kasar. DisebutER haluskarena
permukaan luarnya tidak memiliki ribosom.ER kasarmemiliki ribosom pada
permukaan membran sebelah luarnya sehingga permukaan membran nampak kasar jika dilihat dengan mikroskop elektron.
Function of Smooth ER
ER halus berfungsi dalam bermacam-macam proses metabolisme pada sel. Proses-proses tersebut meliputi sintesis lipid, metabolisme karbohidrat, dan detoksifikasi obat-obatan dan racun.
Enzim pada ER halus memegang peran penting dalam sintesa lipid termasuk minyak, fosfolipid dan steroid. Diantara steroid yang dihasilkan oleh ER halus dalam sel hewan vertebrata adalah hormon reproduksi dan berbagai hormon steroid yang disekresi oleh kelenjar adrenal. Sel-sel yang mensintesa dan mensekresi hormon-hormon tersebut (dalam testis dan ovari) kaya akan ER halus (sebuah gambaran tentang struktur yang sesuai dengan fungsi).
Enzim-enzin lain yang dihasilkan oleh ER halus membantu detoksifikasi obat-obatan dan toksin, terutama dalam sel-sel liver. Detoksifikasi biasanya melibatkan penambahan gugus hidroksil pada molekul obat-obatan, membuatnya menjadi lebih mudah larut dan lebih mudah di buang dari tubuh.
Function of Rough ER
Banyak sel-sel yang mensekresi protein dihasilkan oleh ribosom yang menempel pada ER kasar. Sebagai contoh, sel-sel pankreas tertentu mensintetsa protein insulin pada ER kasar dan mensekresi hormon tersebut kedalam aliran darah. Polipeptida yang
Sesudah protein terbentuk (oleh ribosom yang menempel pada ER kasar), membran ER memisahkannya dari protein yang dihasilkan oleh ribosom bebas. Protein yang disekresi dibungkus dalam membran vesikel yang dibentuk dari area yang disebut ER transisi (lihat Figure 6.12). Vesikel tersebut, yang melakukan perpindahan dari satu bagian sel ke bagian sel yang lain, disebutvesikel transport.
Selain menghasikan protein yang disekresi, membran ER kasar juga membuat membran untuk sel; ER kasar tumbuh dengan cara menambahkan protein membran dan fosfolipid kepada membrannya sendiri. Polipeptida yang digunakan sebagi protein membran dihasilkan oleh ribosom yang kemudian disisipkan kedalam membran ER dan ditahan oleh bagian membran yang bersifat hidrofobik. ER kasar juga membuat sendiri fosfolipid membrannya. Membran ER meluas dan ditransfer dalam bentuk vesikel transport ke komponen lain dari sistem endomembrane.
The Golgi Apparatus: Shipping and Receieving center
Golgi. Aparatus Golgi dapat diibaratkan sebagai sumber produksi, gudang, sorting, dan pengiriman. Pada Golgi, produk dari ER seperti protein dimodifikasi dan disimpan kemudian dikirim menuju tujuannya. Badan golgi terdapat sangat melimpah pada sel-sel yang memiliki spesialisasi sekresi.
Badan Golgi terdiri atas kantong membran yang pipih (cisternae) (Figure 6.13). Sebuah sel bisa memiliki ratusan kantong-kantong pipih badan Golgi. Bagian internal cisternae dipisahkan dari sitosol oleh membran. Vesikel yang terkonsentrasi dekat dengan badan Golgi melakukan transfer materi dari bagian badan Golgi menuju struktur lain.
Lisosom
Badan Golgi memiliki polaritas yang berbeda pada bagian-bagiannya. Membran cisternae pada sisi yang berlawanan memiliki ketebalan dan komposisi molekul yang berbeda. Kedua sisi (kutub) dari badan Golgi disebut sebagai cis (bagian penerima) dan trans (bagian pengantar/transport). Sisi cis pada umumnya terletak di dekat ER. Vesikel transport memindahkan materi dari ER menuju badan Golgi. Sebuah vesikel yang berasal dari membran ER yang menguncup beserta materi yang dibawanya akan bergabung dengan sisi cis badan Golgi dan menyatu dengan membrannya. Sisi trans membentuk vesikel dan terlepas dari badan Golgi untuk mentransport materi tersebut. Produk dari ER biasanya dimodifikasi selama transit dari cis menuju trans dalam aparatus Golgi.
Aparatus Golgi juga membentuk makromolekul tertentu untuk dirinya. Banyak polisakarida yang disekresesi oleh sel merupakan produk dari Golgi, seperti pektin dan polisakarida non-sellulosa lain yang dibuat tanaman. Seperti pada transport protein, transport nonprotein yang dihasilkan oleh Golgi berangkat dari sisi trans didalam vesikel yang pada akhirnya vesikel ini akan bergabung dengan membran plasma sel.
Lysosomes: Digestive Compartments
Enzim hidrolitik dan membran lisosom terbuat dari ER kasar yang kemudian ditransfer menuju badan Golgi untuk diproses lebih lanjut. Sebagian dari lisosom dihasilkan dari sisi trans Golgi (lihat Figure 6.13). Lisosom menggunakan enzim hidrolitiknya untuk mendaur ulang materi organik dalam sel (prosesnya disebut autophagy). Selama autophagy berlangsung, organel yang rusak atau sejumlah sitosol akan dikelilingi oleh membran ganda (yang tidak diketahui asal usulnya) dan lisosom bergabung dengan membran luar dari vesikel tersebut (Figure 6.14b). Enzim lisosom melepaskan materi yang tersimpan dalam vesikel, and monomer yang telah diuraikan dalam lisosom dikembalikan ke sitosol untuk dipergukanan lagi. Dengan bantuan lisosom sel mampu memperbarui diri. Sel-sel liver manusia mendaur ulang separoh dari
makromolekulnya setiap minggu.
Orang-orang yang mewarisi penyakit yang terkait dengan lisosom tidak memiliki enzim hidrolitik yang berfungsi normal. Lisosom menjadi bengkak karena substansi yang tidak tercerna, yang kemudian akan mengganggu aktifitas lain dari sel. Pada penyakit Tay-Sachs, enzim pengurai lipid tidak ada atau tidak aktif, dan otak menjadi rusak karena akumulasi lipid dalam sel (penyakit ini sangat jarang).
Vacuoles: Diverse Maintenance Compartment
Vakuola adalah vesikel membran yang memiliki fungsi berbeda pada sel yang berbeda.Vakuola makananbersifat pagositosis. Sebagian besar protista air tawar
memilikivakuola kontraktilyang memompa kelebihan air keluar sel, sehingga menjaga konsentrasi ion dan molekul didalam sel. Pada tumbuhan dan fungi (tidak memiliki lisosom), vakuola melakukan hidrolisis. Tumbuhan dewasa memilikivakuola sentral
kecil yang berasal dari ER dan Golgi. Dengan demikian, vakuola menjadi bagian penting dari sistim endomembran. Sebagaimana membran sel lainnya, membran vakuola bersifat selektif dalam mentranspotasikan larutan sehingga larutan didalam vakuola sentral memiliki komposisi berbeda dengan sitosol.
4. Mitochondria and chloroplasts change energy from one form to another
Organisme mentrasformasi energi yang dibutuhkan dari sekelilingnya. Pada sel eukariot, mitokondria dan kloroplas adalah organel yang mengkonversikan energi kedalam bentuk yang bisa digunakan oleh sel.Mitikondria merupakan tempat respirasi sel, yaitu sebuah proses metabolisme yang mengkasilkan ATP dengan mengekstrak energi dari gula, lemak dan bahan bakar lain dengan bantuan oksigen.Kloroplasyang terdapat pada tumbuhan dan algae adalah tempat fotosintesis. Kloroplas mengubah energi matahari menjadi energi kimia dengan mengabsorbsi sinar matahari dan
menggunakannya untuk mensintesa komponen organik seperti gula dari karbon dioksida dan air. Walaupun mitrokondria dan kloroplas dilapisi oleh membran, keduanya bukan merupakan bagian dari sistem endomembran. Tidak seperti pada organel dari sistem endomembran yang memiliki dua membran dan memisahkan bagian dalamnya dari sitosol, kloroplas memiliki tiga membran. Kedua organel ini juga memiliki sejumlah kecil DNA. DNA inilah yang memprogram sintesin protein yang dibuat sendiri oleh ribosom dalam organel (protein yang diimport dari sitosol adalah yang diprogram oleh DNA nukleus). Mitokondria dan kloroplas adalah organel yang semiautonomi yang tumbuh dan bereproduksi dalam sel.
Mitochondria: Chemical Energy Conversion
Kloroplas adalah salah satu bentukplastida
Mitokondria mampu bergerak, mengubah bentuk, melakukan fusi atau membelah menjadi dua.
Mitokondria dilapisi oleh dua membran, masing-masing dengan dengan fosfolipid bilayer dengan sekelompok protein yang menempel pada membran (Figure 6.17).
Membran bagian luar halus/rata tetapi membran bagian dalam memiliki lekukan yang rumit (lekukannya disebut cristae). Membrane bagian dalam membagi mitokondria menjadi dua kompartemen internal. Yang pertama adalah ruang antar membran, yaitu suatu ruangan sempit antara membran luar dan membran dalam. Kompartemen kedua adalahmatriks mitokondria, yang ditutupi oleh membran internal. Matriks memiliki enzim yang bermacam-macam dan memiliki DNA mitokondria serta ribosom.
Chloroplast: Capture of Light Energy
(bentuk lain adalah amiloplas,
amilosa sebagai penyimpan starch, kromoplas yang memiliki pigmen pewarna bunga dan buah). Kloroplas memiliki pigmen hijau klorofil, enzim dan molekul lain yang berfungsi dalam fotosintesis menghasilkan gula. Organel yang berbentuk seperti lensa ini
berukuran 2 x 5 um dan banyak ditemukan di daun dan bagian hijau lainnya dari tanaman serta pada algae (Figure 6.18).
Bagian dalam dari kloroplas dipisahkan dari sitosol oleh ruang antar membran yang sempit. Didalam kloroplas terdapat sistem membran berbentuk pipih yang saling berhubungan disebuttilakoid. Pada beberapa bagian, tilakoid tersusun seperti tumpukan koin dan setiap tumpukan disebutgranum. Cairan yang berada diluar tilakoid disebut
Dinding sel
5. Extracellular components and connections between cells help coordinate cellular activities
Cell Walls of Plants
merupakan komponen extraseluler sel tumbuh-tumbuhan yang membedakannya dari sel hewan. Dinding sel melindungi sel tumbuhan, menjaga bentuk sel dan mencegah penyerapan air yang berlebihan. Prokariot, fungi dan beberapa protista juga memiliki dinding sel.
Dinding sel lebih tebal daripada plasma membran (0.1 hingga beberapa
The Extracellular Matrix (ECM) of Animal Cells
extraseluler(ECM) yang kompleks (Figure 6.30). Komponen utama dari ECM adalah glikoprotein yang disekresi oleh sel-sel. Glikoprotein paling melimpah dalam ECM sel hewan adalahkolagen, yang membentuk serabut kuat diluar sel (lihat Figure 5.21).
Intercellular Junctions
Sel-sel hewan atau tanaman terorganisir menjadi jaringan, organ, dan sistem organ. Sel seringkali menempel, berinteraksi dan berkomunikasi melalui kontak fisik secara langsung.
Plasmodesmata in Plant Cells
Tight Junctions, Desmosomes, and Gap Junction in Animal Cells
stroma
Semua sel dilapisi oleh membran plasma, namun tidak seperti sel eukariotik, sel prokariotik tidak memiliki nuklei dan organel lain yang terbungkus membran
Sel tumbuhan dan hewan memiliki banyak organel yang samaNukleus dibungkus oleh selaput yang memiliki pori, selaput nukleus bersambung dengan ER
.
Kromosom terdapat di dalam nukleus, mengandung nukleoli yang membuat sub unit ribosom. Pori-pori selaput nukleus mengatur keluar masuknya material.Ribosom terdiri atas dua subunit yang dapat berada secara bebas dalam sitosol atau terikat pada ER; berfungsi mensintesis protein
ER merupakan jaringan tubula dan kantong yang ekstensif; membrannya memisahkan lumen dari sitosol dan bersambung dengan selaput nukleus
ER halus berfungsi dalam sintesis lipid, metabolisme karbohidrat, penyimpanan ion calcium, dan detoksifikasi obat dan racun
ER kasar membantu sintesis protein yang akan disekresi oleh sel dan protein lain yang berasal dari ribosom yang terikat pada ER, menghasilkan membran baru GA memiliki struktur berupa tumpukan kantongbermembran yang memiliki polaritas (cis dan trans)
GA berfungsi dalam modifikasi protein, karbohidrat pada protein, fosfolipid; sintesis polisakarida, sorting produk yang dihasilkan dan melepaskan produk dalam vesikel
Lysosom merupakan kantong membran yang berisi enzim hidrolitik (pada sel hewan); berfungsi mendegradasi makromolekul sel dan organel yang rusak untuk didaur ulang
Vakuola adalah membran vesikel berukuran besar dan memiliki fungsi dalam digesti, penyimpanan, pertumbuhan sel
lapisan membran; cristae, berfungsi dalam respirasi sel
membran dalam berlipat membentuk an yang membungkus
tylakoid; berfungsi dalam fotosintesis
dan satu membran yang menghubungkan sel
hewan memilikitight junction, desmosomes,dangap junction
c. Ganda a. Tunggal
QUIZ
1. Struktur pembeda sel eukariot dari prokariot adalah: a. Membran sel
b. Membran Inti c. Sitoplasma sel d. Cilia
2. Nukleus memiliki membran: b. Ganda + dinding d. Tunggal +dinding
3. Sistem endomembran tersusun atas:
a. Nukleus, mitokondria, golgi, kloroplast
b. Nukleus, ER, golgi, lisosom, vakuola, membran c. Nukleus, lisosom, vakuola, membran
d. Endopalsmik retikulum, golgi, lisosom, vakuola, membran 4. Peran mitokondria:
a. Anabolisme b. Fotosintesis
c. Sistem endomembran d. Respirasi sel
5. Fungsi sistem endomembran, kecuali:
a. Kolaborasi kompleks sel mau bergerak b. Pengaturan lalu lintas dan sintesis protein c. Pengaturan sintesis lemak
