Mitokondria, Warisan Berharga Sang Ibu

Ibu telah mewariskan hal-hal yang sangat berharga dalam kehidupan setiap makhluk hidup. Selain mewariskan sifat-sifat dan cara bertahan hidup, ibu juga telah mewariskan kepada anaknya salah satu organel yang sangat penting peranannya dalam menopang fungsi kerja tubuh kita, yaitu mitokondria yang merupakan penghasil energi siap pakai bagi sel tubuh kita.

Sel sendiri merupakan komponen hidup paling sederhana yang menyusun tubuh seluruh makhluk hidup, artinya sel menjalankan fungsi struktural. Selain menjalankan fungsi struktural, sel juga berfungsi sebagai unit dasar kehidupan yang fungsional dan hereditas. Sel sebagai unit dasar yang fungsional berarti sel mampu melakukan suatu fungsi tertentu dengan tujuan untuk menunjang kehidupan sel tersebut. Sedangkan sel sebagai unit hereditas berarti sel mampu mewariskan sifat-sifat yang dimilikinya kepada keturunannya.

Kebanyakan organisme di bumi tersusun atas sel tunggal atau seringkali disebut uniseluler. Meskipun demikian, terdapat pula organisme yang tersusun atas banyak sel (multiseluler) yang telah mengalami spesialisasi. Sel yang menyusun organisme multiseluler tidak mampu melakukan fungsi bila bekerja sendirian. Artinya, sel harus saling mendukung dan menopang dalam menjalankan fungsi kehidupan suatu organisme multiseluler.

Sel dapat mengalami spesialisasi bila ada rangsangan dari luar sel, bisa berupa perubahan kondisi lingkungan sekitar. Sel yang mengalami spesialisasi akan mengalami perubahan satu atau beberapa struktur agar bisa melaksanakan suatu fungsi khusus. Meskipun demikian, tidak semua sel mengalami spesialisasi. Suatu sel tidak akan mengalami spesialisasi bila sel tersebut telah adaptif dengan kata lain telah mampu menyesuaikan diri dengan lingkungan. Artinya, sel tersebut telah mampu mendapatkan apa yang menjadi kebutuhannya untuk hidup dengan menjalankan fungsi yang sudah ada sebelumnya.

Sel secara umum dibagi menjadi dua kelompok yaitu sel prokariotik dan sel eukariotik. Sel prokariotik memiliki struktur yang lebih sederhana daripada sel eukariotik. Sel prokariotik dan sel eukariotik memiliki perbedaan pada struktur penyusunnya. Sel eukariotik dibagi lagi menjadi dua kelompok besar yaitu sel hewan dan sel tumbuhan, dengan sel fungi dimasukkan dalam kelompok sel tumbuhan. Kedua kelompok tersebut dibedakan berdasarkan struktur selnya. Secara umum, organel-organel sel yang menyusun organisme eukariotik adalah dinding sel, membran sel, sitoplasma, retikulum endoplasma, ribosom, golgi aparatus, lisosom, peroksisom, mitokondria, kloroplas, nukleus, vakuola, dan sentriol.

Hasil gambar untuk sel hewan dan sel tumbuhan

Dinding sel adalah lapisan terluar sel yang memiliki sifat padat, kuat, dan kaku. Dinding sel hanya dapat ditemukan pada sel tumbuhan dan memiliki fungsi sebagai penyokong dan pelindung sel. Dinding sel berperan dalam mengatur keluar masuknya air dan gas dari dan ke dalam sel. Dinding sel pada kelompok tumbuhan muda dan kelompok monokotil terbentuk dari selulosa, pada kelompok tumbuhan tua atau mati tersusun atas lignin, sedangkan pada kelompok fungi, dinding sel tersusun atas kitin dan selulosa.

Membran sel atau membran plasma dapat ditemukan baik pada kelompok sel tumbuhan maupun sel hewan. Pada kelompok sel tumbuhan, membran sel ditemukan di dalam dinding sel. Sedangkan pada kelompok sel hewan, membran sel adalah lapisan paling luar sel. Membran sel memiliki fungsi yang sama bagi kedua kelompok, yaitu untuk memberikan perlindungan, sokongan, mengontrol keluar masuknya material dari dan ke dalam sel, menjadi pembatas bagi sel dengan lingkungan luar, serta mampu menjaga homeostatis. Membran sel tersusun atas fosfat dan gliserol, lipid, glikoprotein, dan protein membran yang terdiri atas protein integral dan protein perifer. Fosfat dan gliserol memiliki sifat hidrofilik, lipid bersifat hidrofobik, glikoprotein sebagai penerima sinyal, dan protein membran berfungsi untuk memindahkan molekul.

Sitoplasma adalah struktur sel yang terdapat di sel tumbuhan dan sel hewan. Sitoplasma bersifat koloid karena tersusun atas sitosol, organel, dan sitoskeleton. Sitosol sendiri adalah cairan sel bersama nutrien, mineral, dan vitamin yang terdapat di dalamnya. Sedangkan sitoskeleton adalah struktur sel yang berfungi untuk menjaga bentuk sel dan mengatur pergerakan dalam sel. Sitoskeleton dibagi menjadi tiga berdasarkan struktur dan fungsinya, yaitu mikrotubul yang berbentuk saluran yang kaku dan kuat, mikrofilamen yang berbentuk benang elastis untuk menghindari bentuk sel yang terlalu kaku, dan filamen intermediet yang berfungsi untuk menjaga agar organel tetap terletak pada tempat seharusnya.

Retikulum endoplasma (RE) adalah organel sel yang dapat ditemukan dalam sel tumbuhan dan sel hewan. Retikulum endoplasma dibagi menjadi dua berdasarkan struktur dan fungsinya yaitu retikulum endoplasma kasar dan retikulum endoplasma halus. RE kasar memiliki bentuk berupa kantung bemembran pipih yang berhubungan secara langsung dengan membran inti. RE kasar ditempeli oleh ribosom sehingga mampu menghasilkan protein. Karena RE termasuk kedalam sistem endomembran, maka protein yang disintesis oleh RE kasar akan disekresikan keluar sel. Sedangkan retikulum endoplasma halus merupakan perpanjangan RE kasar yang tidak memiliki ribosom pada permukaannya. Karena tidak ditempeli ribosom, RE halus tidak dapat mensintesis protein tetapi dapat melakukan proses sintesis lemak.

Ribosom adalah organel sel yang dapat ditemukan dalam sel tumbuhan dan sel hewan. Ribosom tersusun dari subunit besar dan subunit kecil dan terdiri atas protein dan rRNA (ribosome-ribonucleic acid). Komponen ribosom disintesis di nukleolus (anak inti sel). Ribosom sendiri berfungsi sebagai tempat terjadinya sintesis protein internal.

Golgi aparatus atau badan golgi dapat ditemukan baik pada sel tumbuhan maupun sel hewan. Badan golgi tersusun atas kantung pipih bermembran yang berlipat-lipat. Pada badan golgi, terdapat sisi cis (menerima) dan sisi trans (mengirim). Badan golgi berfungsi untuk menerima protein hasil sintesis RE lalu memodifikasi, memilah, dan membungkus molekul tersebut untuk disimpan atau dikirim keluar sel.

Lisosom adalah organel sel yang hanya ditemukan di sel hewan. Lisosom adalah vesikel membran berkantung yang berfungsi untuk pencernaan intraseluler (fagositosis), autolisis, dan ekskresi. Lisosom mampu melakukan pencernaan intraseluler karena berisi enzim hidrolitik yang bersifat asam sehingga mampu merusak antigen yang masuk ke dalam sel.

Peroksisom adalah organel yang memiliki bentuk seperti lisosom yaitu berupa vesikel kantung bemembran. Peroksisom berisi enzim oksidatif dan katalase yang digunakan untuk mengubah H202yang bersifat racun.

Kloroplas adalah organel sel yang dapat ditemukan hanya pada sel tumbuhan. Kloroplas memiliki membran ganda, DNA sirkuler, enzim, dan pigmen fotosintetik. Dalam kloroplas, juga terdapat stroma yang berupa cairan dan modifikasi membran berupa kantung pipih yang disebut tilakoid, tumpukan tilakoid disebut granum. Kloroplas berfungsi sebagai tempat terjadinya fotosintesis, yaitu proses pembuatan makanan/nutrisi yang akan digunakan sebagai bahan dasar respirasi sel. Fotosintesis sendiri terbagi menjadi dua tahap yaitu reaksi gelap yang berlangsung di stroma dan reaksi terang yang berlangsung di tilakoid.

Nukleus adalah inti sel yang berfungsi untuk mengatur seluruh kerja sel dan membawa materi genetik sel tersebut. Nukleus dapat ditemukan pada kedua kelompok sel eukariotik. Nukleus sendiri diselubungi oleh membran ganda berpori yang terhubung secara langsung ke retikulum endoplasma. Pada nukleus terdapat nukleoplasma (plasma inti sel) dan nukleolus (anak inti sel). Nukleolus bersifat sementara dan akan hilang saat terjadi pembelahan sel.

Vakuola adalah organel yang dapat ditemukan dalam ukuran besar pada kelompok sel tumbuhan dan dalam ukuran kecil atau bahkan tidak dapat ditemukan dalam kelompok sel hewan. Vakuola berupa kantong cairan penyimpan cadangan dan memiliki membran. Vakuola mampu mempengaruhi tekanan turgor tumbuhan dan dapat digunakan sebagai tempat penyimpanan senyawa beracun, tempat pembuangan produk sampingan metabolisme, tempat menyimpan gas, ion anorganik, dan senyawa organik, serta menyimpan pigmen daun, bunga, ataupun buah.

Sentriol adalah organel yang hanya dapat ditemukan pada sel hewan. Sentriol terbentuk dari kumpulan mikrotubul, berpasangan dan letaknya dekat dengan nukleus. Sentriol muncul selama proses pembelahan sebagai benang spindel yang akan menarik kromosom menjauh dari pasangannya menuju ke sisi yang berlawanan.

Mitokondria adalah organel yang dapat ditemukan baik pada sel hewan maupun sel tumbuhan. Mitokondria berfungsi untuk respirasi tingkat sel atau suatu proses katabolisme untuk menghasilkan energi yang akan dipergunakan dalam proses kehidupan. Dengan kata lain, mitokondria merupakan "Energy Power House" dari sebuah sel. Energi siap pakai yang digunakan oleh sel adalah ATP atau Adenosin Trifosfat yang merupakan molekul hasil metabolisme sel dan digunakan untuk aktivitas sel.

Respirasi dibagi menjadi dua jenis yaitu respirasi aerob dan respirasi anaerob. Respirasi aerob adalah respirasi yang memerlukan oksigen dan terjadi di mitokondria, dengan energi yang terbentuk sejumlah 36 ATP untuk tiap molekul glukosa. Sedangkan respirasi anaerob adalah repirasi yang tidak menggunakan oksigen dan terjadi di sitoplasma, dengan energi yang terbentuk sebanyak 2 ATP untuk tiap molekul glukosa.

Mitokondria memiliki membran dalam, membran luar, ruang antar membran, dan DNA sirkuler. Membran luar mitokondria tersusun atas protein dan lipid serta bersifat permeabel terhadap molekul yang berukuran kecil. Membran luar juga mengandung enzim yang terlibat dalam kegiatan sel. Kerusakan membran luar dapat mengakibatkan protein di ruang antar membran masuk ke sitosol. Hal ini dapat mengakibatkan kematian bagi sel.

Membran dalam mitokondria tidak lebih permeabel dari membran luar. Penyusun membran dalam adalah 80% protein dan 20% lipid. Membran dalam sendiri merupakan tempat pembentukan ATP. Modifikasi membran dalam berupa krista yang merupakan tempat terjadinya proses respirasi. Krista pada mitokondria berbentuk lekukan dengan tujuan untuk meningkatkan produktivitas respirasi sel (peningkatan produksi ATP). Membran sel juga membentuk matriks yang berisi ribosom mitokondrial, DNA mitokondria (mtDNA), tRNA, serta enzim respirasi untuk oksidasi asam piruvat dan asam lemak.

Ruang antar membran mitokondria atau disebut ruang intermembran adalah ruang yang terletak diantara membran luar dan membran dalam. Konsentrasi molekul kecil di ruang intermebran sama seperti sitosol karena membran luar yang permeabel untuk molekul kecil. Sedangkan untuk molekul besar hanya molekul tertentu yang dapat melewati membran luar sehingga konsentrasi protein di ruang intermembran berbeda dengan di sitosol.

Mitokondria memiliki DNA sendiri yang sering disebut mtDNA. mtDNA dipergunakan oleh mitokondria untuk menyintesis protein yang akan dipergunakan oleh mitokondria itu sendiri. Selain itu, dengan adanya mtDNA, mitokondria mampu mereplikasi DNA dan mengontrol pembelahan sendiri. mtDNA ini memiliki ciri berbentuk sirkuler dan tidak terbungkus membran. Karena ciri inilah, ada sebuah teori sel yang disebut teori endosimbiosis yang menyebutkan bahwa dulu mitokondria merupakan sebuah makhluk hidup sendiri yang kemudian ditelan lalu melakukan simbiosis dengan organisme eukariotik.

Meskipun berada dalam satu sel, mtDNA berbeda dengan DNA inti. Selain dari bentuknya, mtDNA juga memiliki tingkat polimorfisme yang tinggi yang ditunjukkan dengan tingginya laju mutasi (10-17 kali DNA inti). Tingginya laju mutasi mtDNA dikarenakan tidak efisiennya mekanisme reparasi, tidak adanya protein histon, dan letaknya yang berdekatan dengan membran dalam mitokondria yang menjadi tempat bagi reaksi forforilasi oksidatif yang menghasilkan produk sampingan berupa radikal oksigen. Selain itu, enzim DNA polymerasi mitokondria tidak mampu mereplikasi mtDNA secara akurat, sehingga mtDNA mudah mengalami mutasi karena tidak mampu melakukan perbaikan dan penghilangan kesalahan replikasi.

Meskipun begitu, pola pewarisan DNA mitokondria yang unik menjadikan DNA mitokondria dapat digunakan untuk mengetahui hubungan kekerabatan secara maternal. Seiring dengan berkembangnya teknologi, pemeriksaan DNA dapat digunakan untuk mengidentifikasi hubungan atau membedakan antar individu

Mitokondria pada sel setiap makhluk hidup seluruhnya diwariskan oleh ibu kepada keturunannya (maternal inheritance) tanpa ada rekombinasi. Mitokondria yang diturunkan dari ibu terdapat pada sitoplasma sel telur.

Maternal inheritance terjadi bukan dikarenakan sel sperma yang tidak memiliki mitokondria, melainkan karena ketika fertilisasi terjadi, hanya bagian kepala dari sperma yang masuk ke dalam sel telur sementara bagian ekornya terlepas. Bagian kepala dari sperma hanya berisi materi genetik, sehingga hanya materi genetik milik sperma saja yang bergabung dengan materi genetik ovum. Sedangkan, mitokondria pada sperma sendiri terletak di daerah leher hingga ekor, karena ekor sperma yang digunakan untuk bergerak sehingga mitokondria dipusatkan berada di daerah ekor. Karena itulah, hanya materi genetik ayah saja yang disumbangkan sementara mitokondria ayah tidak dapat masuk ke dalam ovum.

Tetapi, ada kemungkinan bahwa mitokondria sel sperma berhasil masuk ke dalam ovum. Bila hal itu terjadi, mitokondria sperma tidak lantas ikut memberi informasi genetik untuk embrio. Malahan, mitokondria yang berasal dari sel sperma akan ditarget oleh ubiquitin yang merangsang terjadinya proteolisis dan akan dihancurkan oleh sel ovum. Hal ini terjadi karena mitokondria ayah dianggap sebagai benda asing (antigen) oleh sel telur. Karenanya, sel hasil fertilisasi tidak memiliki mitokondria yang berasal dari ayah.

Hasil gambar untuk maternal inheritance mitochondria

Pada setiap organisme, sel-sel yang menyusun tubuh organisme tersebut merupakan hasil pembelahan satu sel. Pada organisme uniseluler, setiap pembelahan dari suatu organisme akan menghasilkan organisme baru. Sedangkan pada organisme multiseluler, seluruh sel yang menyusun tubuh organisme tersebut merupakan hasil pembelahan dari sel hasil fertilisasi antara sperma dan sel telur

Penurunan informasi genetik dan struktur sel induk kepada keturunannya dapat terjadi karena pada saat proses pembelahan sel, DNA akan mengalami replikasi dan organel-organel sel mengalami perbanyakan agar dapat diwariskan pada sel keturunannya. Maka dari itu, sel keturunan akan memiliki organel yang sama dengan sel induk. Dalam kasus ini, artinya sel hasil fertilisasi akan membelah dan berkembang menjadi sel-sel penyusun tubuh yang mempunyai organel yang sama dengan sel hasil fertilisasi itu sendiri.

Pewarisan mitokondria oleh ibu juga menunjukkan bahwa kelainan genetika yang disebabkan oleh mutasi mtDNA tidak diturunkan dari ayah melainkan dari ibu. Kelainan genetika dapat diwariskan dari ibu ke anak bila ibu memiliki penyakit karena mutasi mtDNA sehingga kekurangan mitokondria normal. Ibu yang memiliki penyakit ini selalu menurunkan kelainan genetika pada keturunannya.

Hasil gambar untuk maternal inheritance mito

Selain itu, ibu yang memiliki campuran mitokondria normal dan abnormal juga dapat menurunkan kelainan genetika karena mtDNA yang bermutasi dapat menyusup ke dalam sel telur saat pembelahan meiosis. Hal ini dapat menyebabkan penyakit bagi anak yang mendapat banyak mtDNA yang bermutasi. 

Hasil gambar untuk maternal inheritance mitochondria

Kasus kelainan genetika akibat mtDNA yang bermutasi jarang ditemui. Contoh kasus kelainan genetika akibat mutasi mtDNA adalah:

• Alzheimer's disease (pada beberapa kasus). Timbul kehilangan pada kemampuan kognitif secara progresif.
• CPEO (Chronic Progressive External Ophthalmoplegia). Timbul paralisis pada otot mata dan miopati mitokondria.
• Diabetes mellitus (beberapa kasus). Gula darah yang tinggi dan menyebabkan berbagai macam komplikasi.
• Dystonia (beberapa kasus). Pergerakan abnormal berkaitan dengan kaku otot; sering diikuti dengan proses degenerasi basal ganglia otak.
• KSS (Kearns-Sayre Syndrome). CEO digabung dengan berbagai kelainan seperti penyusutan retina, penyakit jantung, kehilangan pendengaran, diabetes, dan gagal ginjal.
• Leigh's syndrome. Kehilangan kemampuan motorik dan verbal secara progresif dan penyusutan basal ganglia; Sebuah penyakit anak-anak yang berbahaya.
• LHON (Leber's Hereditary Optic Neuropathy). Kebutaan permanen atau sementara yang dimulai dari kerusakan pada saraf optik.
• MELAS (Mitochondrial Encelophalomyopathy, Lactic Acidosis and Stroke like episodes). Kegagalan pada jaringan otak (sering mengakibatkan kejang-kejang, paralisis tertentu, dan dementia) digabung dengan miopati mitokondria dan toksin yang terakumulasi dari asam laktat asidosis di darah.
• MERRF (Myoclonic Epilepsy and Ragged Red Fibers). Kejang-kejang digabung dengan miopati mitokondria, dapat diikuti dengan kehilangan pendengaran dan dementia.
• Mitochondrial Myopathy. Deteriorasi dari otot, dimanifestasikan dengan lemah dan tidak mampu berolahraga. Otot sering menunjukkan urat-urat merah, yang terisi dengan mitokondria abnormal yang berubah menjadi merah bila terekspos pada suatu noda tertentu
• NARP (Neurogenic Muscle Weakness and Retinitis Pigmentosa). Kehilangan kekuatan otot dan koordinasi, diikuti dengan degenerasi otak regional, ataxia, dan deteriorasi retina
• Pearson's Syndrome. Sumsum tulang belakang gagal berfungsi (berakibat kehilangan sel darah) dan gagal pankreas; mereka yang berhasil melewati penyakit ini sering menuju ke KSS

Belakangan ini, terdapat perdebatan mengenai pewarisan mitokondria dikarenakan adanya kasus seseorang berusia 28 tahun yang memiliki maternal dan paternal mtDNA di dalam jaringan ototnya, sementara pada jaringan lainnya hanya ada maternal mtDNA. Kasus ini diungkapkan ke publik oleh Schwart dan Vissing (2002). Selain itu, Kraytsberg et al (2004) melakukan sebuah penelitian dan berhasil menunjukkan adanya rekombinasi  antara maternal dan paternal mtDNA pada orang tersebut.

Meskipun terdapat kasus rekombinasi mtDNA, lebih banyaknya pernyataan yang mendukung dan fakta bahwa lebih banyak makhluk hidup yang hanya mendapat mitokondria warisan dari ibu (maternal mtDNA) menunjukkan bahwa mitokondria yang berada dalam tubuh kita adalah warisan berharga dari ibu.

https://en.wikipedia.org/wiki/Paternal_mtDNA_transmission

http://learn.genetics.utah.edu/content/cells/organelles/

http://penyakitgenetik.yolasite.com/resources/Penyakit%20mitokondria%20&%20multifaktor.pdf

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21743/#

Marks, B.; Marks, D.; Smith, M. (1996). Biokimia Kedokteran Dasar: Sebuah Pendekatan Klinis.

Lodish, H.; Berk, A.; Zipursky, S.L.; Matsudaira, P.; Baltimore, D; Darnell, J. (2000). Molecular Cell Biology (dalam Inggris) (4 ed.). New York: W. H. Freeman.