Proses dan Tahapan Fotosintesis pada Tanaman

Tanaman melakukan fotosintesis dengan menggunakan 2 fotosistem yaitu fotosistem I dan fotosistem II. Fotosintesis pada tanaman seringkali disebut dengan fotofosforilasi non-siklik. Disebut dengan fotofosforilasi non-siklik karena elektron yang tereksitasi dari fotosistem I maupun fotosistem II tidak akan kembali pada fotosistem. Terakhir elektron pada fotofosforilasi non-siklik digunakan untuk membentuk NADPH dari NADP⁺ dan H⁺ yang selanjutnya masuk ke dalam siklus calvin.

Berikut adalah tahapan fotosintesis pada tanaman :

Proses fotosintesis; reaksi terang

1. Fotosintesis pada tanaman diawali dengan pemecahan molekul air (H₂O) menjadi oksigen (O₂) dan hidrogen (H⁺) oleh enzim yang berada dalam fotosistem II. Elektron yang dilepaskan oleh reaksi tersebut akan ditangkap oleh fotosistem II. Ketika terkena sinar matahari, foton pada fotosistem II menyebabkan elektron tersebut tereksitasi.

2. Elektron yang telah tereksitasi dari fotosistem II akan diterima dan dibawa oleh akseptor elektron yang disebut dengan plastoquinone. Plastoquinone membawa elektron melewati b₆-f complex, sebuah protein pemompa proton yang berada pada membran tilakoid dan mengakibatkan proton terpompa ke dalam tilakoid. Setelah melewati b₆-f complex, elektron dibawa oleh akseptor elektron yang disebut dengan plastocyanin menuju fotosistem I.

Konsentrasi proton (H⁺) yang berada dalam tilakoid lebih besar dari pada di dalam stroma karena dalam tilakoid terjadi pemecahan air (H₂O) menjadi oksigen (O₂) dan proton (H⁺) serta terjadi pemompaan proton dari stroma ke dalam tilakoid saat elektron melewati b₆-f complex. Proton (H⁺) tersebut kemudian akan kembali ke stroma melewati melalui sebuah protein channel ATP synthase. Ketika proton (H⁺) melintas, protein channel mensintesis ATP dari ADP dan Pi.

Chemiosmosis : pembentukan ATP  dalam fotosintesis

3. Elektron yang dibawa oleh plastocyanin menuju fotosistem I memiliki energi yang rendah namun foton yang ditangkap oleh fotosistem I menyebabkan elektron tersebut berenergi tinggi lagi kemudian tereksitasi. Elektron yang tereksitasi kemudian ditangkap oleh suatu akseptor elektron yang disebut dengan ferredoxin. Ferredoxin kemudian memberikan elektronnya pada NADP⁺ dan ion H⁺ sehingga membentuk NADPH. Reaksi tersebut dikatalisis oleh enzim NADP reductase yang berada dalam membran tilakoid. NADPH dan ATP selanjutkan akan digunakan untuk sintesis senyawa organik dalam siklus calvin.

            Jika dalam kondisi membutuhkan ATP lebih, beberapa tanaman mampu mengubah tahapan fotosintesis menjadi fotofosforilasi siklik dengan cara elektron yang tereksitasi dari fotosistem I kembali lagi pada b₆-f complex sehingga b₆-f complex mempompakan proton (H+) dari stroma ke dalam tilakoid. Proton yang telah berada dalam tilakoid kemudian akan kembali ke stroma melalui sebuah protein channel ATP synthase dan dihasilkan ATP seperti yang telah disebutkan dalam tahapan fotosintesis sebelumnya. Namun jika kebutuhan ATP sudah tercukupi, fotosintesis kembali pada fotofosforilasi non-siklik.

4. Siklus Calvin

Siklus calvin adalah rangkaian fotosintesis yang di dalamnya terjadi proses sintesis senyawa organik dari  karbon dioksida (CO₂). Selain karbon dioksida (CO₂), siklus calvin memerlukan ATP dan NADPH keduanya didapatkan dari tahapan fotosintesis sebelumnya. Berikut adalah persamaan reaksi dalam Siklus calvin :

3 CO₂ + 9 ATP + 6 NADPH + Air —→ glyceraldehyde 3-phosphate + 8 Pi + 9 ADP + 6 NADP⁺

Fotosintesis yang terjadi dalam kloroplast dan katabolisme dalam mitokondria saling terkait. Hasil dari katabolisme dalam mitokondria yaitu air (H₂O) dan karbon dioksida (CO₂) merupakan komponen yang diperlukan dalam fotosintesis. Sebaliknya hasil dari fotosintesis yaitu oksigen (O₂) dan pyruvatemerupakan komponen yang diperlukan dalam katabolisme untuk menghasilkan ATP. Berikut gambaran selengkapnya :

Hubungan Fotosintesis dan katabolisme sukrosa

Siklus calvin diawali dengan pengikatan karbon dioksida (CO₂) oleh Ribulose 1,5-bisphosphate(RuBP) yang dikatalisis oleh enzim ribulose bisphosphate carboxylase/oxygenase atau yang sering disebut dengan rubisco membentuk phosphoglycerate (PGA). Enzim rubisco bekerja sangat lambat, yaitu hanya memproses 3 RuBP perdetik sementara reaksi enzimatis biasanya dapat memproses hingga 1000 substrat perdetik. Oleh karena itu dibutuhkan rubisco yang banyak sehingga lebih dari 50% protein daun adalah rubisco, bahkan rubisco diperkirakan merupakan enzim terbanyak di bumi.

Melewati serangkain reaksi Phosphoglycerate (PGA) kemudian menggunakan ATP dan NADPH untuk membentuk Glyceraldehyde 3-phosphate. Sebagian glyceraldehyde 3-phosphate diubah menjadi glukosa dan sebagian digunakan untuk membentuk RuBP kembali. Berikut gambaran siklus calvin selengkapnya :

 

Reaksi gelap dalam fotosintesis yang sering disebut dengan siklus calvin

Kanker dan Pembelahan Sel

Kanker adalah suatu sel yang terus menerus tumbuh dan membelah diri tanpa terkontrol yang disebabkan gagalnya regulasi dalam pembelahan sel. Para peneliti telah menemukan sebuah gen yang sangat berperan dalam kontrol pembelahan sel (siklus sel) yaitu gen p53. 

Protein p53 memicu perbaikan sel yang rusak pada fase G1 (atas): terjadi malfungsi pada protein p53 sehingga sel dengan DNA rusak tetap membelah yang selanjutnya menimbulkan sel kanker (bawah.)  Sumber : Biology: Peter H. Raven et al

Protein p53 yang dikodekan oleh gen p53 akan memantau dan mengecek DNA selama fase

G1. Fase-fase pembelahan sel dapat dilihat pada postingan (Siklus Sel (Pembelahan Sel) pada Eukariotik) Jika protein p53 mendeteksi adanya kerusakan atau mutasi pada DNA, protein p53 akan menghentikan pembelahan sel dan menstimulasi enzim yang memperbaiki DNA dan ketika DNA sudah diperbaiki, pembelahan sel akan dilanjutkan. Namun jika DNA tidak bisa diperbaiki lagi, maka protein p53 akan dihancurkan  melalui apoptosis (lihat gambar diatas). 
            Munculnya sel kanker diawali dengan terjadinya kerusakan gen p53 sehingga di dalam sel tidak terdapat protein p53. Tidak adanya protein p53 menyebabkan sel-sel dengan DNA yang rusak atau termutasi tetap hidup serta mengalami pembelahan diri dan akan berkembang menjadi sel kanker.

Proses Bakteri Membelah Diri

Bakteri adalah organisme bersel satu atau tunggal dan tidak memiliki inti sel atau disebut juga dengan prokariotik. Seperti makhluk hidup lainnya, bakteri juga mengalami proses reproduksi atau berkembangbiak. Salah satu cara reproduksi bakteri atau perkembangbiakan bakteri adalah dengan cara membelah diri. Namun bagaimana mekanisme pembelahan diri pada bakteri?

Mari kita bahas bersama…

Mekanisme pembelahan diri pada bakteri disebut dengan binary fission yang diawali dengan pembelahan DNA. Deoxyribonucleic acid (DNA) pada bakteri berbentuk sirkuler dan terdiri dari untaian ganda (double-stranded). Pembelahan DNA bakteri diawali dengan menempelnya DNA yang berbentuk sirkular pada membrane sel. Kemudian suatu protein yang disebut dengan replication origin memulai replikasi DNA. Replication origin adalah protein enzim yang terdiri dari 22 protein yang berbeda dan berfungsi untuk melakukan replikasi DNA. Replication origin memulai replikasi dari satu titik dan terus berjalan sepanjang lingkaran DNA hingga terbentuk 2 salinan DNA bakteri yang identik. 
 

Pembelahan DNA bakteri (prokariotik)

Setelah terbentuk 2 salinan DNA, Bakteri mengalami pertumbuhan yaitu.kira-kira 2 kali dari
ukuran sebelumnya. Masing masing salinan DNA tersebut kemudian menuju ke ujung sisi yang dari sitoplasma. Membran plasma dan dinding sel diantara 2 salinan DNA sedikit demi sedikit membelah sehingga terbentuk 2 sel baru yang identik. Setelah proses pembelahan diri, bakteri kemudian tumbuh dan akan melakukan pembelahan diri kembali.

Pembelahan diri pada bakteri

Perbedaan Tanaman C3, Tanaman C4, dan Tanaman CAM

Jika membahas tentang fotosintesis, kita akan sering mendengar istilah tanaman C₃, tanaman  C₄, dan tanaman crassulacean acid metabolism (CAM). Istilah-istilah tersebut sebenarnya berhubungan dengan bagaimana tanaman melakukan fiksasi karbon.

 Tanaman  C₃

Tanaman  C₃ adalah tanaman yang menghasilkan senyawa dengan 3 atom karbon dari proses fiksasi karbon (CO₂).yaitu phosphoglycerate (PGA). Phosphoglycerate (PGA) dihasilkan dari reaksi ribulose1,5-bisphosphate (RuBP) dan karbondioksida (CO₂) yang dikatalisis oleh enzim ribulose bisphosphate carboxylase/oxygenase atau sering disebut dengan rubisco.

Namun sisi aktif dari rubisco yang mengkatalisis fiksasi karbon tersebut juga mempunyai kemampuan untuk mengikat oksigen (oksidasi) menghasilkan (CO₂) atau yang sering disebut dengan fotorespirasi . Fotorespirasi dan fiksasi karbon (CO₂) oleh rubisco saling berkompetisi sehingga fotorespirasi menurunkan efisiensi fotosintesis pada tanaman C_3.

Fiksasi Karbon pada Tanaman C3

 Tanaman C₄

Tanaman C₄ adalah tanaman yang menghasilkan senyawa dengan 4 atom karbon dari proses fiksasi karbon (CO₂) oxaloacetate. Pada tanaman C₄, Rangkaian proses fotosintesis terjadi di dua tempat, yaitu di sel mesofil daun dan di sel bundle-sheath. Fiksasi karbondioksida (CO₂) dari udara terjadi di sel mesofil daun sedangkan siklus calvin terjadi pada sel bundle-sheath.

Oxaloacetate dihasilkan dari reaksi antara phosphoenolpyruvate (PEP) dan karbondioksida (CO₂) yang dikatalisis oleh enzim PEP carboxylase. Berbeda dengan enzim rubisco pada tanaman C₃, enzim PEP carboxylase tidak mempunyai kemampuan mengikat oksigen (O₂) sehingga tidak terjadi fotorespirasi, selain itu PEP carboxylase juga mempunyai afinitas terhadap karbondioksida (CO₂) yang lebih tinggi dibandingkan dengan rubisco.

Oxaloacetate yang merupakan hasil dari fiksasi karbondioksida (CO₂) dari udara kemudian diubah menjadi malate yang kemudian diangkut ke sel bundle-sheath. Di dalam bundle-sheath, malatedidekarboksilasi menghasilkan pyruvate dan melepaskan karbondioksida (CO₂) yang kemudian masuk dalam siklus calvin seperti pada tanaman C₃. Sedangkan pyruvate akan kembali ke sel mesofil daun dan diubah menjadi phosphoenolpyruvate (PEP) untuk mengikat karbondioksida (CO₂) lagi dari udara.

Fiksasi karbon pada tanaman C4

Tanaman CAM (crassulacean acid metabolism)

Tanaman CAM adalah tanaman yang dalam proses fotosintesisnya melakukan fiksasi karbon (CO₂) pada malam hari dan siklus calvin di siang hari. Dinamakan crassulacean acid metabolism (CAM) karena mekanisme tersebut pertama kali ditemukan pada famili Crassulaceae

Stomata yang merupakan jalan masuknya udara ke daun akan membuka pada malam hari sehingga memungkinkan karbondioksida (CO₂)  masuk ke dalam mesofil daun dan di fiksasi seperti yang terjadi pada tanaman C₄, yaitu karbondioksida (CO₂) berikatan dengan phosphoenolpyruvate (PEP) menghasilkan oxaloacetate yang kemudian diubah menjadi malate. Di siang hari, malatedidekarboksilasi sehingga melepaskan karbondioksida (CO₂). Karbondioksida (CO₂) kemudian berikatan dengan rubisco dan masuk dalam siklus calvin seperti yang terjadi pada tanaman C₃. Pada tanaman CAM, stomata di siang hari menutup, menyebabkan oksigen (O₂) tidak memasuki sel namun konsentrasi Karbondioksida (CO₂) dalam sel tinggi karena adanya dekarboksilasi malate.

Perbedaan fotosintesis pada tanaman C₄ dan tanaman CAM adalah lokasi reaksi berlangsung. Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya. Tanaman C₄ melakukan fiksasi karbondioksida (CO₂) dari udara terjadi di sel mesofil daun sedangkan siklus calvin terjadi di sel bundle-sheath namun tanaman CAM melakukan fiksasi karbondioksida (CO₂) dari udara dan silkus calvin di satu sel, yaitu sel mesofil daun.

Fiksasi Karbon pada Tanaman CAM

Modifikasi fotosintesis pada tanaman C₄ dan CAM merupakan bentuk dari adaptasi tanaman untuk menghindari terjadinya fotorespirasi yang mengakibatkan berkurangnya efisiensi fotosintesis khususnya dalam fiksasi karbon. Penurunan fiksasi karbon dari fotorespirasi yang terjadi pada tanaman C₃ cukup besar yaitu antara 25% hingga 50% tergantung pada kenaikan suhu lingkungan. Kenaikan suhu menyebabkan kenaikan laju fotorespirasi.

 Tanaman C₄  contohnya jagung, tebu dan sorgum mempunyai habitat yang hangat sedangkan Tanaman CAM merupakan tanaman yang habitatnya di lingkungan yang panas sehingga jika tanaman C₄  dan tanaman CAM tetap melakukan fiksasi karbon seperti tanaman C_3, keduanya akan kehilangan efisiensi fiksasi karbon yang besar oleh karena itu tanaman C₄  dan CAM melakukan modifikasi dalam fiksasi karbon dengan mekanisne yang telah dijelaskan diatas.

Fotosintesis, Khloroplas dan khlorofil

Sinar matahari adalah sumber energi utama bagi kehidupan di bumi. Energi yang dipergunakan oleh semua sel makhluk hidup di bumi ini berasal dari matahari. Proses pemanfaatan energi matahari oleh sel-sel makhluk hidup disebut dengan FOTOSINTESIS. Kehidupan di planet ini akan musnah jika proses fotosintesis berhenti karena oksigen (O₂) yang digunakan untuk bernafas makhluk di bumi berasal dari hasil fotosintesis. Secara garis besar, fotosintesis terdiri dari 3 tahapan, yaitu pengambilan energi dari sinar matahari, memproduksi ATP dan NADPH sedangkan tahapan terakhir adalah penggunaan  ATP dan NADPH untuk memproduksi molekul organik dari CO₂, Seperti yang telah dibahas pada postingan sebelumnya dengan judul Proses dan Tahapan Fotosintesis pada Tanaman.

Tahapan pertama dan kedua memerlukan adanya cahaya agar dapat berlangsung sehingga sering disebut dengan reaksi terang menghasilkan oksigen (O₂) dari pemecahan molekul air (H₂O) Sedangkan tahapan yang ketiga dapat berlangsung tanpa adanya cahaya sehingga sering disebut dengan reaksi gelap. Proses fotosintesis terjadi pada sebuah organela sel yang disebut dengan kloroplast. Kloroplast hanya dimiliki oleh tumbuhan, alga dan beberapa bakteri tertentu sehingga fotosintesis hanya bisa dilakukan oleh tumbuhan, alga dan beberapa bakteri tertentu tersebut.

Bagian bagian dari kloroplast

Pada tumbuhan, kloroplast banyak terdapat di daun tepatnya di bagian mesofil daun. Kloroplast mempunyai 2 lapisan membran, yaitu membran luar dan membran dalam. Di dalam kloroplast terdapat kantong-kantong berbentuk bulat yang disebut dengan tilakoid. Tilakoid tersusun bertumpuk-tumpuk antara tilakoid satu dengan tilakoid lainnya. Tumpukan tilakoid tersebut dinamakan dengan grana. Lapisan membran tilakoid menyimpan pigmen fotosintesis untuk menangkap energi matahari dan memproduksi ATP (reaksi terang). Tilakoid dikelilingi oleh substansi semiliquid yang disebut dengan stroma. Di dalam stroma terdapat enzim yang dibutuhkan untuk merakit molekul karbon (reaksi gelap).

Tilakoid, Stroma dan grana yang merupakan tempat berlangsungnya proses fotosintesis

Kloroplast terdapat pigmen yang dapat menyerap energi dari cahaya matahari. Terdapat 2 pigmen pada tumbuhan yaitu klorofil dan karotenoid. Klorofil tersusun dari porphyrin dan serangkaian ekor hidrokarbon. Ada 2 jenis klorofil, yaitu klorofil a dan klorofil b. Pada klorofil a terdapat gugus metil (—CH3)  sedangkan klorofil b mempunyai gugus aldehyde (—CHO) pada lingkaran porphyrin. Penyusun karotenoid  adalah β-karoten. Karotenoid dapat menyerap foton dalam spektum panjang yang lebih luas daripada klorofil. Oleh karena itu karotenoid membantu fotosintesis dengan menangkap energi dari cahaya panjang gelombang yang tidak terserap secara efisien oleh klorofil.

Strukur klorofil: klorofil a mempunyai gugus metil (—CH3)  sedangkan klorofil b mempunyai gugus aldehyde (—CHO) pada lingkaran porphyrin

Proses Replikasi DNA

Proses replikasi pada DNA  double helix merupakan suatu proses yang kompleks dan melibatkan banyak enzim bahkan para peneliti memerlukan 1 dekade untuk mempelajarinya. Secara ringkas terdapat 5 tahapan dalam Proses replikasi pada DNA  double helix, yaitu :

1. Membuka double stranded DNA

Untuk mengawali proses replikasi, double stranded DNA harus dibuka agar terbentuk single strandedDNA sehingga proses replikasi bisa berjalan. Seperti yang telah dibahas sebelumnya bahwa DNA direplikasi secara semi konservatif (Postingan tentang Replikasi DNA secara semi konservatif). Artinya setiap double stranded DNA yang dihasilkan dari proses replikasi memiliki 1 strand DNA dari DNA induk dan 1 strand DNA merupakan strand baru hasil replikasi.

Pembukaan double stranded DNA dimulai dengan menempelnya initiator protein pada replication origin. Replication origin adalah titik dimulainya proses replikasi. Enzim helicase membuka ikatan nitrogen dari double stranded DNA sehingga membentuk garpu replikasi. Agar kedua single stranded DNA tidak berikatan lagi membentuk double stranded DNA, maka single-strand binding proteinmenempel pada masing-masing strand DNA. Putaran helix DNA akan diluruskan oleh enzim topoisomerase.

Origin Replication merupakan titik dimulainya pembelahan DNA; Eukariotik mempunyai banyak origin replication

2. Penempelan Primer pada DNA Template

Strand DNA baru tidak dapat disintesis hingga sebuah primer menempel pada DNA template karena DNA polymerase memerlukan ujung 3’ primer untuk memulai proses replikasi. Primer tersebut berupa RNA yang tersusun dari rangkain nukleotida pendek yaitu terdiri dari sekitar 10 nukelotida. Penempelan primer dikatalisis oleh RNA polimerase yang sering disebut dengan primase.

3. Perakitan DNA Baru

DNA polymerase III kemudian akan memulai proses perakitan DNA baru dengan menambahkan nukleotida pada ujung 3’ dari primer.  selanjutnya DNA polymerase III terus memperpanjang DNA dengan menambahkan nukleotida pada ujung 3’ dari nukleotida yang baru ditambahkan.

DNA Polymerase III mengkatalisis pemanjangan DNA dengan merangkai nukleotida; Ketika 2 nukleotida saling berikatan, 2 atom fosfat dilepaskan ( Pyrophosphate)

DNA polymerase III hanya dapat melakukan replikasi DNA dengan menambahkan nukleotida pada ujung 3’ dari nukleotida sebelumnya sehingga perpanjangan DNA hanya dari arah ujung 5’ ke ujung 3’. Sedangkan kedua strand dari DNA double helix tersusun secara antiparallel, yaitu 1 strand DNA berorientasi / terbentang dari arah ujung 3’ ke ujung 5’ dan 1 strand DNA satunya berorientasi / terbentang dari arah ujung 5’ ke ujung 3’. Kedua hal tersebut menyebabkan replikasi DNA dari kedua strand DNA berjalan dengan mekanisme berbeda. Ada 2 istilah yang dikenal yaitu leading strand dan lagging strand.

Leading strand adalah replikasi DNA pada strand DNA yang berorientasi / terbentang dari arah ujung 5’ ke ujung 3’. Karena orientasi  strand DNA sama dengan arah replikasi DNA, proses replikasi / penambahan nukleotida berjalan terus menerus hingga proses replikasi selesai.

Lagging strand adalah replikasi DNA pada strand DNA yang berorientasi / terbentang dari arah ujung 3’ ke ujung 5’. Karena orientasi strand DNA berbeda dengan arah replikasi DNA, proses replikasi / penambahan nukleotida menghasilkan potongan-potongan DNA yang disebut dengan fragmen okizaki. Fragmen okizaki terdiri dari sekitar 200 nukleotida.

3. Pelepasan primer dari DNA Template

Primer (RNA) yang sebelumnya mengawali terjadinya replikasi kemudian dilepas

/ dipindahkan dari  DNA template dan diganti dengan nukleotida (DNA) oleh enzim DNA polymeraseI. DNA polymerase I mengkatalisis pengisian celah-celah (gap) antar fragmen okizaki.

5. Penyambungan fragmen-framen Okizaki

Setelah celah-celah (gap) antar fragmen okizaki terisi nukleotida, enzim DNA ligase kemudian menyambung fragmen-fragmen okizaki pada keseluruhan lagging strand DNA.

Gambar diagram proses replikasi

Fotorespirasi pada Tanaman C3

Fotorespirasi adalah suatu reaksi pada tanaman dimana enzim rubisco mengkatalisis reaksi antara ribulose1,5-bisphosphate (RuBP) dan Oksigen (O₂). Rubisco seharusnya mengkatalisis reaksi antara ribulose1,5-bisphosphate (RuBP) dan karbondioksida (CO₂) yang menghasilkan phosphoglycerate (PGA) seperti yang telah dibahas pada postingan sebelumnya (Proses Fotosintesis pada Tanaman). Fotorespirasi terjadi karena enzim rubisco selain mempunyai kemampuan untuk mengikat CO₂ (karboksilasi) juga mempunyai kemampuan untuk mengikat O₂ (oksidasi). Karbondioksida (CO₂) dan Oksigen (O₂) mempunyai sisi aktif yang sama pada enzim rubisco sehingga terjadi kompetensi dan memyebabkan berkurangnya efisiensi fotosintesis.

Oksidasi ribulose1,5-bisphosphate (RuBP) dalam fotorespirasi menghasilkanphosphoglycerate (PGA) dan phosphoglycolate. Phosphoglycerate (PGA) akan masuk ke dalam siklus calvin seperti  phosphoglycerate (PGA) yang dihasilkan dari karboksilasiribulose1,5-bisphosphate (RuBP). Namun phosphoglycolate menjadi inhibitor enzim tertentu yang terlibat dalam fiksasi karbon. Selain itu proses perombakan phosphoglycolatejuga relatif sulit. Perombakan phosphoglycolate harus melewati serangkaian reaksi yang terjadi dalam peroxisome dan mitokondria untuk diubah menjadi gliserat yang kemudian masuk ke dalam kloroplast. Gliserat lalu diubah menjadi Phosphoglycerate (PGA) baru kemudian masuk ke siklus calvin.

Reaksi fotorespirasi pada tanaman C3

Pada suhu 25⁰ C laju karboksilasi ribulose1,5-bisphosphate (RuBP) mempunyai laju 4 kali lebih cepat dari pada laju oksidasi (fotorespirasi) yang artinya efisiensi fiksasi karbon pada kondisi tersebut berkurang 20%. Kenaikan suhu diatas 25⁰ C akan lebih menurunkan efisiensi fiksasi karbon karena laju oksidasi (fotorespirasi) meningkat seiring dengan peningkatan suhu lingkungan. 

Replikasi Semi Konservatif DNA

DNA ada di setiap organisme dan berfungsi untuk membawa materi genetik. Seperti yang telah dibahas pada postingan sebelumnya, DNA terdiri dari 2 untaian nukleotida yang basa nitrogennya saling berikatan membentuk ikatan hydrogen. Timin berikatan dengan adesin sedangkan guanin berikatan dengan sitosin. DNA hampir ada disetiap sel, tepatnya berada di inti sel. Ketika sel mengalami pembelahan sel, DNA harus direplikasi/ diperbanyak agar masing-masing sel anakan mempunyai DNA yang sama seperti saat sel induk belum membelah. 

Dua orang peneliti dari Institut Teknologi California, Matthew Meselson dan Franklin Stahlmelakukan penelitian untuk mengetahui bagaimana mekanisme replikasi DNA tersebut. Mereka menumbuhkan bakteri pada medium yang mengandung isotop nitrogen ¹⁵N. Bakteri akan menggunakan molekul atau senyawa yang tersedia pada media tersebut untuk tumbuh termasuk menggunakan ¹⁵N yang tersedia untuk melakukan replikasi DNA. Setelah beberapa generasi, bakteri kemudian dipindahkan dalam media yang mengandung isotope nitrogen lebih ringan, yaitu ¹⁴N. Inkubasi bakteri dalam media ¹⁴N divariasikan ada yang hanya satu generasi, ada yang sampai beberapa generasi.

            Selanjutnya DNA dari bakteri yang telah diberi beberapa perlakuan tersebut dilarutkan dengan  cesium chloride dan disentrifugasi. Setelah disentrifugasi, cesium chloride dan DNA akan bermigrasi ke bagian bawah membentuk gradient berdasarkan konsentrasi dan densitasnya (beratnya). Karena densitas (berat) isotop nitrogen ¹⁵N lebih tinggi dari pada isotop nitrogen ¹⁴N maka pola yang dihasilkan dari beberapa variasi percobaan berbeda-beda.

Hasil fotografi dari penelitian menunjukkan bahwa bakteri yang setelah diinkubasi selama 1 generasi, band pita DNA tunggal dengan densitas antara  atom ¹⁵N dan ¹⁴N. Artinya, salah satu strand dari double stranded DNA yang dimiliki oleh bakteri tersusun dari isotope atom ¹⁵N dan strand satunya tersusun dari isotope atom ¹⁴N. Sedangkan bakteri yang diinkubasi hingga 2 generasi menghasilkan 2 band pita DNA, 1 pita DNA mempunyai densitas antara atom ¹⁵N dan ¹⁴N dan pita DNA satunya mempunyai densitas seperti atom ¹⁴N. Artinya terdapat 2 double stranded DNA. Double stranded DNA ke-1 terdiri dari strand  DNA yang tersusun dari isotope atom ¹⁵N dan strand satunya tersusun dari isotope atom ¹⁴N. Double stranded DNA ke-2 terdiri dari strand  DNA yang masing-masing hanya tersusun dari isotope atom ¹⁴N.

Eksperiman  Meselson–Stahl tentang replikasi DNA secara semi konservatif. Sumber : Biology: Peter H. Raven et al

Hasil penelitian yang dilakukan oleh Matthew Meselson dan Franklin Stahl tersebut membuktikan bahwa proses replikasi DNA berjalan secara semikonservatif yang artinya setiap double stranded DNA anakan yang dihasilkan dari proses replikasi DNA memiliki 1 strand (untaian) tunggal yang berasal dari strand (untaian) DNA induk dan 1 strand (untaian) tunggal yang berasal dari perakitan nukleotida yang baru.  

Demikian postingan saya tentang Eksperiman  Meselson–Stahl tentang replikasi DNA yang bersifat semi konservatif. Apabila ada yang kurang jelas atau postingan yang tidak sesuai Silahkan komentar di bawah ini.

Kromosom, Kromatin dan Kariotipe

Kromosom ditemukan oleh seorang embryologist Jerman Walther Fleming pada tahun 1882 ketika sedang meneliti tentang kecepatan pembelahan sel pada larva salamander. Walther Fleming mengobsevasi sel larva salamander menggunakan mikroskop. Ketika melihat inti sel Walther Fleming terlihat adanya benang panjang yang membelah kemudian dia memberikan nama pada proses pembelahan itu dengan nama Mitosis. Kata “ mitosis” berasal dari Bahasa Yunani yang artinya adalah “benang”. Sejak penemuan itu, berbagai penelitian tentang kromosom banyak dilakukan oleh para ahli. Hasil penelitian menunjukkan bahwa jumlah kromosom pada tiap-tiap spesies berbeda-beda. Beberapa spesies seperti semut Myrmecia, Haplopappus gracilis dan Penicillium mempunyai 1 pasang kromosom sementara beberapa spesies pakis memiliki hingga 500 pasang kromosom.

Pada manusia, setiap sel memiliki 46 kromosom, terdiri dari 23 pasang. Setiap kromosom menyimpan ribuan gen yang penyandikan berbagai protein penting dalam tubuh. Kromosom memegang peran penting dalam kelangsungan hidup suatu spesies. Terbukti pada manusia, kekurangan 1 kromosom (monosomi) atau kelebihan 1 kromosom (trisomi) berakibat sangat fatal, bahkan tidak dapat bertahan hidup saat masih tahap perkembangan embrio. Namun jika dapat bertahan hidup akan mengalami beberapa kelainan, seperti ketika kelebihan kromosom no 21 seseorang akan mengalami perkembangan yang lambat dan keterbelangan mental. 

Penampakan kromosom manuisa pada perbesaran 950 kali

Kromosom tersusun dari kromatin. Kromatin adalah suatu kompleks yang tersusun dari 60% protein dan 40% DNA. DNA pada sebuah kromosom merupakan DNA yang double stranded dan

sangat panjang, jika direntangkan panjang DNA pada kromosom bisa mencapai 2 meter. DNA pada kromosom manusia terdiri dari 140 juta nukleotida. Jika digambarkan sebagai tulisan, 1 nukleotida diasumsikan sebagai 1 kata, maka informasi genetik yang dibawa oleh 1 kromosom membutuhkan 280 buku yang masing masing buku terdiri dai 100 halaman dengan 500 kata untuk menuliskannya. 

Setiap 200 nukleotida, DNA tergulung pada 8 protein yang disebut dengan protein histonmembentuk kompleks yang disebut dengan nukleosom. Tidak seberti kebanyakan protein yang bermuatan negarif, nukleosom memiliki muatan positif karena mempunyai banyak asam amino arginin dan lisin sehingga menyebabkan terjadi tarik menarik antara nukleosom dan gugus fosfat pada DNA yang bermuatan negatif. Antar nukleosom juga salang menempel membentuk struktur yang sangat mampat (supercoil) membentuk kromatin.

Kromatin ada 2 macam, yaitu heterochromatin dan euchromatin. Heterochromatin adalah kromatin yang terus menerus dalam bentuk termampatkan (supercoil) sehingga DNA (gen) di dalamnya tidak pernah diekspresikan Sedangkan euchromatin adalah kromatin yang hanya termampatkan (supercoil)  membentuk kromosom pada saat terjadi pembelahan sel. Selain pada saat pembelahan sel, DNA pada euchromatin terurai dalam bentuk DNA double helix sehingga dapat terekspresi.

Kromosom tersusun dari benang benang-benang kromatin  kromatin

Kromosom satu dengan yang lain di dalam satu sel memiliki bentuk yang berbeda-beda baik dalam segi ukuran, sifat pewarnaan, lokasi sentromer dan panjang kedua lengannya. Gambaran kromosom dari suatu individu atau spesies disebut dengan kariotipe (Karyotypes). Untuk membuat kariotipe, contohnya kariotipe manusia, seorang peneliti harus mengambil sampel dari darah, cairan ketuban, atau jaringan lain kemudian ditambahkan bahan kimia untuk menginduksi sel pada sampel untuk membelah, Setelah kromosom dalam keadaan paling mampat, ditambahkan bahan kimia lain untuk menghentikan pembelaham sel. Sel kemudian dilisiskan/dipecah agar organel-organel sel keluar termasuk kromosom. Kromosom dilihat dengan mikroskop lalu difoto dan disusun. 

Kariotipe kromosom manusia: Kromosom manusia pada sel somatik terdiri dari 23 tipe kromosom yang berbeda dan masing-masing terdiri dari 2 copy, sehingga total jumlah kromosom adalah 46.

            Ketika membahas kromosom, kita sering mendengar istilah diploid (2n) dan haploid (1n). Diploid (2n) adalah jika sel mempunyai 2 copy kromosom yang identik untuk tiap tipe kromosom. Sedangkan haploid (1n) adalah jika sel hanya mempunyai 1 copy untuk tiap tipe kromosom. Sebagai contoh pada sel somatik  manusia mempunyai kromosom diploid yaitu 23 tipe kromosom yang berbeda dan masing-masing terdiri dari 2 copy, sehingga total jumlah kromosom adalah 46. Namun sel gamet manusia (sel sperma dan sel telur) mempunyai kromosom yang haploid yaitu terdiri dari 23 kromosom dan tiap kromosom hanya terdiri dari satu copy. Dua copy kromosom yang identik disebut dengan kromosom homolog. Dalam tiap-tiap tahap pembelahan sel, kromosom membelah memjadi dua membentuk sister chromatid yang keduanya terhubung disentromer.

Sister kromatid dan kromosom homolog

Mekanisme Kontrol Siklus Sel

Pembelahan sel pada eukariotik yang telah dibahas pada postingan sebelumnnya (Postingan Pembelahan sel eukariotik) membutuhkan suatu kontrol/mekanisme untuk menentukan kapan harus melakukan pembelahan sel, kapan harus berhenti melakukan pembelahan sel dan berapa lama durasi waktu dalam pembelahan sel. Ada 3 tempat (checkpoint) dimana pembelahan sel (siklus sel) biasanya dikontrol, yaitu :

1. Kontrol pada fase G1 (G1 checkpoint )

Kontrol siklus sel pada fase G1 (G1 checkpoint ) dilakukan ketika fase G1 hampir selesai dan sebelum fase S. Dalam G1 checkpoint ini akan diputuskan apakah sel akan melakukan pembelahan, menunda pembelahan atau memasuki fase G0 (fase istirahat). Jika kondisi mendukung, sel akan memulai fase S untuk replikasi DNA.

2. Kontrol pada fase G2 (G2 checkpoint )

Kontrol siklus sel pada fase G2 (G2 checkpoint ) dilakukan pada akhir fase G2. Jika G2 checkpointberhasil dilewati, sel akan memulai mitosis.

3. Kontrol pada fase M (M checkpoint) 

Kontrol siklus sel pada fase M (M checkpoint) dilakukan pada pada fase mitosis.

           

Checkpoint dimana pembelahan sel (siklus sel) biasanya dikontrol; G1 checkpoint, G2 checkpoint, M checkpoint. (Sumber : Biology: Peter H. Raven et al)

 

            Ada 2 protein yang berperan dalam kontrol siklus sel yaitu Cyclin-dependent protein kinases
(Cdks) dan cyclin. Cdks adalah enzim yang memfosfolarisasi protein histon, filament membran inti dan protein yang terhubung dengan mikrotubulus untuk melakukan checkpoint. Sedangkan cyclinadalah protein yang akan berikatan dengan Cdks.

cyclin dan Cyclin-dependent protein kinases (Cdks) merupakan protein yang berperan dalam regulasi siklus sel (Sumber : Biology: Peter H. Raven et al)

Selama fase G2, sel akan mengakumulasi G2 cyclin atau disebut juga mitotic cyclin dan cyclin tersebut berikatan dengan Cdks membentuk kompleks MPF (mitosis-promoting factor). Awalnya MPF tidak aktif, namun kemudian enzim tertentu memfosfolarisasi dan mengaktifkan MPF.MPF aktif lalu meningkatkan aktivitas enzim yang memfosfolarisasi MPF (feedback positif) sehingga dengan cepat meningkatkan konsentrasi MPF aktif. Konsentrasi MPF aktif yang telah memenuhi batas tertentu kemudian memicu terjadinya fase mitosis.

Durasi dalam fase mitosis ditentukan oleh aktivitas MPF. Selama proses mitosis MPFmengaktifkan protein yang mendegradasi cyclin mengakibatkan konsentrasi cyclin menurun sedangkan konsentrasi Cdk relatif konstans. Hal tersebut menyebabkan konsentrasi MPF rendah dan mengakhiri proses mitosis.

Mekanisme pengaturan siklus sel (pembelahan sel) (Sumber : Biology: Peter H. Raven et al)

            Regulasi pada G1 checkpoint juga serupa dengan regulasi pada G1 checkpoint. Sedangkan pada sel uniselular misalnya Yeast, faktor utama yang memicu replikasi DNA adalah ukuran sel. Sel Yeast, tumbuh dan membelah dengan cepat. Start decision pada Yeast tersebut adalah perbandingan volume sitoplasma dan ukuran genom. Selama proses pertumbuhan ukuran sitoplasma bertambah namun ukuran genom konstan. Jika ukuran sitoplasma sudah mencapai titik tertentu, cyclin akan diproduksi yang kemudian akan memicu replikasi DNA dan pembelahan sel.

            Sel eukariotik dari suatu organisme multiseluler tidak bisa bebas terus menerus membelah. Pembelahan sel pada organisme multi seluler harus diregulasi agar suatu organ mempunyai bentuk dan ukuran tertentu. Suatu protein yang bertanggung jawab untuk meregulasi pembelahan sel pada sel dari organisme multiseluler disebut dengan growth factors.

            Mekanisme kerja growth factor adalah memicu intracellular signaling systemseperti yang telah dibahas pada postingan (Penjelasan tentang intracellular signaling system) Contohnya adalah pada sel fibrobast, sel fibrobast mempunyai banyak reseptor pada membran selnya yang spesifik mengikat platelet-derived growth factor (PDGF). Ketika reseptor tersebut berikatan dengan PDGF, intracellular signaling system akan dipicu untuk menstimulasi pembelahan sel. Fase G0 atau fase istirahat yang terjadi pada siklus disebabkan rendahnya atau bahkan tidak adanya growth factor. 

Mekanisme kerja growth factor dalam mengontrol pembelahan sel; ketika protein Rb difosfolarisasi, memicu protein lain dalam inti untuk menstimulasi produksi protein Cdk yang akan memicu pembelahan (Sumber : Biology: Peter H. Raven et al)