Antara Ayah, Ibu, dan Mitokondria

Apakah pernah terpikirkan bahwa ayah kita yang selama ini tampak kuat, namun kita tidak mendapat warisan mitokondria dari beliau?

Ibu yang selama ini lemah lembut, justru yang mewariskan segala sumber tenaga di sel kita.

Mengapa bisa begitu?

Bukankah seharusnya kita mendapat warisan keturunan yang imbang dari orangtua kita?

Pada kesempatan kali ini saya akan membahas mengenai biologi, lebih tepatnya mengenai mitokondria yang diwariskan secara maternal inheritance.

Sebagai bab pembuka dari pelajaran biologi kelas XI, materi yang saya dapatkan adalah mengenai sel. Topik yang akan saya bahas yaitu :

"Mitokondria yang ada di dalam sel tubuhmu seluruhnya berasal dari sel ovum ibumu dibandingkan dengan sel sperma ayahmu. Sejauh mana anda setuju?"

Pada awal saya mendengar pertanyaannya, hipotesis awal saya adalah tentunya sel sperma juga mewariskan mitokondia kepada zigot. Logika pikir saya adalah, seorang anak merupakan gabungan dari kedua belah pihak orang tua.  Pemikiran tersebut didasari oleh Hukum Mendel. Mungkin anda juga berpikiran sama dengan hipotesis saya, namun itu salah.

Pewarisan genetik di luar inti sel (ekstranuclear inheritance) disebut sebagai pewarisan non-Mendel. Pewarisan ini dilakukan oleh organel sitoplasma seperti mitokondria dan plastid. Dalam hal ini, Hukum Mendel atau pewarisan sifat tidak berlaku.

Setelah melakukan riset dan akhirnya dikonfirmasi oleh guru saya, saya mendapatkan suatu kesimpulan. Mitokondria hanya mampu diwariskan oleh sel telur. Ayah kita sama sekali tidak mewariskan mitokondria kepada tubuh kita. Genetika dan pewarisan mitokondria merupakan hal yang berbeda, meskipun mitokondria menyimpan DNA berupa mtDNA. Pewarisan mitokondria hanya dilakukan oleh ibu.

Sebelum masuk ke dalam argument saya, pertama-tama saya akan menjelaskan dasar teorinya terlebih dahulu.

Dulu, para ahli biologi mengira bahwa DNA kita hanya tersimpan di organel pengontrol sel, yaitu nukleus.

Kemudian, pada tahun 1963, sepasang peneliti di Stockholm University menemukan DNA di luar nukleus. Melalui mikroskop elektron, Margit dan Sylvan Nass menyadari benang-benang DNA di organel bernama mitokondria, pusat pembentuk energi di dalan sel. 

Mitokondria, kondriosom merupakan organel tempat berlangsungnya fungsi respirasiselmakhluk hidup, selain fungsi seluler lain, seperti metabolismeasam lemak, biosintesispirimidina, homeostasiskalsium, transduksi sinyal seluler dan penghasil energi berupa adenosina trifosfat pada lintasankatabolisme.

Mitokondria merupakan organel sel bermembran ganda yang bersifat aerob. Ukuran mitokondria bervariasi, tergantung pada jenis sel. Ukuran mitokondria bervariasi, kisaran 0,3 m-0,4m. Jumlah mitokondria pada sel tumbuhan relative sedikit karena fungsinya banyak dilakukan oleh plastida.

Mitokondria mempunyai dua lapisan membran, yaitu lapisan membran luar dan lapisan membran dalam. Membran yang melapisi mitokondria tersusun atas lipoprotein. Lapisan membran dalam ada dalam bentuk lipatan-lipatan yang sering disebut dengan cristae. Di dalam mitokondria terdapat 'ruangan' yang disebut matriks, di mana beberapa mineral dapat ditemukan. Sel yang mempunyai banyak mitokondria dapat dijumpai di jantung, hati, dan otot.

Mitokondria hampir bisa dipastikan berasal dari bakteri-bakteri yang mulai hidup di dalam organisme-organisme lain bersel satu lebih dari satu miliar tahun yang lalu. Mitokondria hidup menumpang sejak saat itu untuk memberi energi kepada sel --sel tumbuhan dan hewan, dan sebagai imbal baliknya, mitokondira mendapatkan tempat yang nyaman untuk hidup.

 

Struktur Mitokondria :

https://www.slideshare.net

• Membran luar -- Lapisan luar dari mitokondria ini dilindungi oleh suatu selaput yang halus dan bervariasi dalam bentuk dari mulai bentuk gumpalan bulat hingga berbentuk batang panjang, yang disebut membran.
• Membran dalam -- Selain membran luar, sebagai pelapisan mitokondria juga memiliki membran dalam yang berkerut dengan banyak lipatan. Membran dalam ini melakukan sejumlah fungsi untuk membantu menghasilkan energi bagi sel.
• Krista -- Krista merupakan lipatan pada membran dalam. Lipatan krista ini berfungsi untuk menambah luas permukaan membran dalam supaya lebih fleksibel.
• Matrix -- Matriks merupakan ruang di dalam membran dalam yang berperan untuk menyimpan energi dan protein yang dihasilkan dari mitokondria. Matriks juga menyimpan ribosom dan DNA yang unik untuk mitokondria.

Pengertian Fertilisasi

Fertilisasi (atau disebut juga pembuahan, konsepsi, singami) merupakan peleburan dua gamet yang dapat berupa nukleus atau sel-sel bernukleus untuk membentuk sel tunggal (zigot) atau peleburan nukleus. Biasanya melibatkan penyatuan bahan nukleus (kariogami) dan penggabungan sitoplasma (plasmogami) . Dengan meiosis, zigot itu membentuk ciri fundamental dari kebanyakan siklus seksual eukariota, dan pada dasarnya gamet-gamet yang melebur merupakan haploid. Apabila  keduanya motil seperti pada tumbuhan, maka fertilisasi itu disebut isogami, bilamana berbeda dalam ukuran tetapi serupa dalam bentuk maka disebut anisogami, bila satu tidak motil (dan biasanya lebih besar) dinamakan oogami. Hal ini merupakan cara khas pada beberapa tumbuhan, hewan, dan sebagian besar jamur. Pada sebagian gimnofita dan semua antofita, gametnya tidak berflagel, dan polen tube terlibat dalam proses fertilisasi.

www.pinterest.com

Proses Fertilisasi

Fertilisasi terjadi saat oosit sekunder yang mengandung ovum dibuahi oleh sperma dan terjadi di tuba falopii dengan kejadian sebagai berikut :

1. Penetrasi sperma
Oosit sekunder mengeluarkan fertilizin untuk menarik sperma agar mendekatinya. Sperma harus menembus lapisan-lapisan yang mengelilingi oosit sekunder dengan cara mengeluarkan enzim hialuronidase untuk melarutkan senyawa hialuronid pada corona radiata, lalu mengeluarkan akrosin untuk menghancurkan glikoprotein pada zona pelusida dan anti fertilizin agar dapat melekat pada oosit sekunder.

2. Proses di sel telur
Sel-sel granulosit di bagian korteks oosit sekunder mengeluarkan senyawa tertentu agar zona pelusida tidak dapat di tembus oleh sperma yang lainnya. Penetrasi sperma akan merangsangsel telur untuk menyelesaikan proses meiosis II yang menghasilkan 3 badan polar dan satu ovum (inti oosit sekunder).

3. Setelah penetrasi
Setelah sperma memasuki oosit sekunder, inti atau nukleus pada kepala sperma akan
membesar dan ekor sperma akan berdegenerasi.

4. Penggabungan inti
Terjadi penggabungan inti sperma yang mengandung 23 kromosom (haploid)dengan inti ovum yang mengandung 23 kromosom (haploid) sehingga menghasilkan zigot

Bentuk sel sperma :

www.slideshare.net

• Kepala dapat berbentuk bulat atau lonjong.
• Nukleus terbungkus oleh inti membran.
• Akrosom, ruangan yang banyak mengandung enzim proteolitik.
• Membran dalam akrosom, berhadapan dengan membran nukleus spermatozoa.
• Membran luar akrosom, berdekatan dengan membran plasma.
• Bagian leher yang banyak mengandung mitokondria merupakan penghasil energi dalam bentuk gradient ion adenosine trifosfat (ATP). Mitokondria mengandung RNA dan DNA sehingga dapat bereplikasi dengan bebas. Energi yang terdapat dalam mitokondria dipergunakan untuk gerakan spermatozoa melalui ekornya.
• Ekor spermatozoa yang cukup panjang dipergunakan untuk pergerakan menembus leher serviks, uterus, dan tuba. Dengan interaksi khusus akan terjadi gerakan.

Struktur ovum :

Sumber : sridianti.com

Gen tidak hanya berasal dari inti sel, tetapi juga ditemukan juga di luar inti misalnya seperti gen atau DNA yang terdapat pada mitokondria dan kloropas. Akibatnya, sifat atau karakter suatu makhluk hidup tidak hanya dikontrol oleh gen yang ada di dalam inti tapi juga ada beberapa sifat yang dikontol oleh gen di luar inti.

DNA yang terdapat pada mitokondria dan kloropas tersebut berbentuk sirkuler, seperti pada virus dan bakteri. Gardner dkk  (1991) menjelaskan bahwa bentuk DNA sirkuler berhubungan dengan teori yangmenyatakan bahwa pada saat berevolusi, mitokondria merupakan bakteri yang bergabung dengan bakteri lain yang selanjutnya dalam membentuk sel eukariotik. Karenanya mitokondria memiliki genom DNA sendiri dan memiliki bentuk DNA sirkuler.

Karena asal-usulnya yang independen, mitokondria memiliki DNA sendiri-sebuah kumparan sirkular sepanjang 16.500 nukleotida. Setiap orang memiliki triliunan mitokondria dalam tubuhnya, dan urutan DNA dalam mitokondrion ini sama, dengan sedikit pengecualian. Namun, urutan DNA dalam mitokondria saya mungkin berbeda dari  urutan mitokondria orang lain.

Pada manusia, DNA mitokondria meliputi sekitar 16.500 blok bangunan DNA (pasangan basa), yang mewakili sebagian kecil dari total DNA dalam sel. DNA mitokondria mengandung 37 gen, yang semuanya penting untuk fungsi mitokondria normal. Tiga belas gen ini memberikan instruksi untuk membuat enzim yang terlibat dalam fosforilasi oksidatif. Fosforilasi oksidatif adalah proses yang menggunakan oksigen dan gula sederhana untuk membuat adenosin trifosfat (ATP), sumber energi utama sel. Gen-gen yang tersisa memberikan instruksi untuk membuat molekul yang disebut RNA transfer (tRNA) dan RNA ribosom (rRNA), yang merupakan sepupu kimia DNA. Jenis RNA membantu merakit blok bangunan protein (asam amino) menjadi fungsi protein. Gen mitokondria adalah salah satu dari sekitar 20.000 sampai 25.000 jumlah gen dalam genom manusia.

Mitokondria, sesuai dengan namanya, merupakan rantaiDNA yang terletak di bagian sel yang bernama mitokondria. DNA mitokondria memiliki ciri-ciri yang berbeda dari DNA nukleus ditinjau dari ukuran, jumlah gen, dan bentuk. Di antaranya adalah memiliki laju mutasi yang lebih tinggi, yaitu sekitar 10-17 kali DNA inti. Selain itu DNA mitokondria terdapat dalam jumlah banyak (lebih dari 1000 kopi) dalam tiap sel, sedangkan DNA inti hanya berjumlah dua kopi. DNA inti merupakan hasil rekombinasi DNA kedua orang tua sementara DNA mitokondria hanya diwariskan dari ibu (maternally inherited).

Besar genom pada DNA mitokondria relatif kecil apabila dibandingkan dengan genom DNA pada nukleus. Ukuran genom DNA mitokondria pada tiap tiap organisme sangatlah bervariasi. Pada manusia ukuran DNA mitokondria adalah 16,6 kb, sedangkan pada Drosophila melanogaster kurang lebih 18,4 kb. Pada khamir, ukuran genom relatif lebih besar yaitu 84 kb.

Tidak seperti DNA nukleus yang berbentuk linear, mtDNa berbentuk lingkaran. Sebagian besar mtDNA membawa gen yang berfungsi dalam proses respirasi sel. Eksperimen yang dilakukan dengan menghilangkan mtDNA pada Saccharomyces cerevisiae menunjukan penurunan tingkat pertumbuhan yang signifikan yang ditandai dengan mengecilnya ukuran sel.

Sel telur memiliki jumlah mitokondria yang lebih banyak dibandingkan sel sperma, yaitu sekitar 100.000 molekul sedangkan sel sperma hanya memiliki sekitar 100-1500 mtDNA. Dalam sel sperma mitokondria banyak terkandung dalam bagian ekor karena bagian ini yang sangat aktif bergerak sehingga membutuhkan banyak ATP.

dokpri

Pada saat terjadi pembuahan sel telur, bagian ekor sperma dilepaskan sehingga hanya sedikit atau hampir tidak ada mtDNA yang masuk ke dalam sel telur. Hal ini berarti bahwa sumbangan secara paternal hanya berjumlah 100 mitokondria. Apalagi dalam proses pertumbuhan sel, jumlah mtDNA secara paternal semakin berkurang. Maka jika dibandingkan dengan sumbangan secara maternal yaitu 100.000, maka sumbangan secara paternal hanya 0,01%. Oleh karena itu dapat dianggap tidak terjadi rekombinasi sehingga dapat dikatakan bahwa mtDNA bersifat haploid, diturunkan dari ibu ke seluruh keturunannya.

DNA mitokondria juga memiliki sifat unik lainnya yaitu laju mutasinya yang sangat tinggi sekitar 10-17 kali DNA inti. Hal ini dikarenakan mtDNA tidak memiliki mekanisme reparasi yang efisien [Bogenhagen, 1999], tidak memiliki protein histon, dan terletak berdekatan dengan membran dalam mitokondria tempat berlangsungnya reaksi fosforilasi oksidatif yang menghasilkan radikal oksigen sebagai produk samping. Selain itu, DNA polimerase yang dimiliki oleh mitokondria adalah DNA polimerase yang tidak mempunyai aktivitas proofreading (suatu proses perbaikan dan pengakuratan dalam replikasi DNA). Tidak adanya aktivitas ini menyebabkan mtDNA tidak memiliki sistem perbaikan yang dapat menghilangkan kesalahan replikasi. Replikasi mtDNA yang tidak akurat ini akan menyebabkan mutasi mudah terjadi. 

Sumber : kliksma.com

Tempat mtDNA di sitoplasma punya konsekuensi penting bagi pewarisan dan penyakit manusia. Jika satu sperma kecil dan sel telur menyatu, maka sitoplasma (dan mitokondria di dalamnya) zigot yang dihasilkan lebih banyak berasal dari telur, dan karenanya dari ibu. Dengan kata lain, mt DNA diwariskan secara matrilineal. Matrilineal berasal dari dua kata bahasa Latin, yaitu mater yang berarti ibu, dan linea yang berarti garis. Jadi, matrilineal berarti mengikuti garis keturunan yang ditarik dari pihak ibu. Meskipun mtDNA hampir selalu diwariskan secara eksklusif dari garis ibu, pada spesies-spesies lain diketahui kasus-kasus pengecualian, di mana molekul mtDNA pada keturunan terkadang berasal  dari sperma ayah, suatu fenomena yang dikenal sebagai kebocoran garis ayah (paternal leakage). Patrilineal berasal dari dua kata bahasa Latin, yaitu pater yang berarti ayah, dan linea yang berarti garis. Jadi, patrilineal berarti mengikuti garis keturunan yang ditarik dari pihak ayah.

Kita semua menerima mitokondria dari ibu kita. Sel-sel sperma hanya memiliki satu tujuan dalam benaknya : mengirimkan paket kromosom mereka ke sel telur. Sel-sel sperma memilik sedikit mitokondria, dan mitokondria ini terbuang seperti daun-daun bunga yang rontok saat pembuahan.  Oleh karenanya, hanya sel-sel telurlah yang memberi mitokondria kepada generasi berikutnya.

Paternal mitokondria memiliki suatu mekanisme penghancuran diri sendiri yang diaktifkan ketika sel sperma bersatu dengan sel telur. Menunda mekanisme ini akan membawa dampak yaitu menurunkan kemungkinan keselamatan embrio. Secara singkat, bisa dibilang bahwa ini adalah suatu mekanisme bunuh diri. Penghancuran sel sperma ini mencegah terjadinya "paternal leakage"

Sebuah penelitian di University of Colorado mengidentifikasi sebuah gen bernama cps-6, yang mengawali dari proses penghancuran mitokondria paternal. Mereka menemukan bahwa cps-6 menyebabkan mitokondria paternal untuk menempel lebih lama di embrio. Hal ini juga memicu kemungkinan kematian embrio yang semakin tinggi.

Penelitian ini membuktikan eksperimen data yang pertama kali membuktikan bahwa menyimpan DNA mitokondria sel sperma tidaklah baik. Namun, masih belum jelas mengenai apakah memiliki DNA mitokondria paternal di sel kita dapat menyebabkan masalah kesehatan. Ada suatu laporan kasus di 2002 oleh para peneliti di Denmark. Pada seorang laki-laki dewasa dengan penyakit miopati, sebuah penyakit otot, para peneliti menemukan suatu mutasi mtDNA yang berasal dari ayahnya. Ada suatu kemungkinan bahwa mutasi terjadi langsung setelah konsepsi, bukannya diturunkan langsung oleh ayahnya.

Karena penyakit mitokondria (penyakit yang disebabkan oleh malfungsi mitokondria) bisa diturunkan melalui ibu dan melalui pewarisan kromosom, cara mereka disalurkan dari generasi ke generasi berbeda-beda tergantung dari penyakitnya. Mutasi genetik mitokondria yang terjadi di DNA nukleus bisa terjadi di kromosom mana saja (tergantung spesies). Pewarisan melalui kromosom mengikuti Hukum Mendel, meskipun fakta bahwa fenotipe penyakit mungkin diabaikan.

lhon.se/information-in-english

Gangguan pada mitokondria mungkin disebabkan karena adanya mutasi dalam nDNA atau dalam mtDNA sendiri, yang biasanya menunjukkan suatu bagian dari model inheritan (diturunkan). Kedua DNA tersebut berpengaruh terhadap produksi ATP, di mana hampir semua jaringan sangat bergantung pada ATP. Jaringan yang menerima defek mitokondria dalam jumlah yang besar akan mempunyai hanya sedikit produksi ATP. Jika jaringan tersebut memerlukan banyak energi seperti sel dalam sistem saraf, otot, ginjal dan sebagainya, orang yang mempunyai mitokondria mutan tersebut akan terpengaruh. Istilah heteroplasmy digunakan dalam kejadian ini, yaitu situasi dimana sel atau jaringan(dari genom yang berbeda) mempunyai dua tipe mitokondria baik mutan ataupun kelainan mitokondria yang sudah mengalami defek (alami/wild-type), sedangkan homoplasmy adalah situasi dimana kelainan kedua jenis mitokondria tersebut terdapat dalam genom yang sama.

Mutasi mitokondria yang baru terjadi dalam jumlah yang sangat sedikit pada oosit primer dan baru diturunkan pada keturunannya. Walaupun sedikit ibu yang normal dapat menurunkan mitokondria yang mutan dalam jumlah yang lebih besar daripada dalam tubuhnya selama sel telurnya melewati proses yang sempit dimana mitokondria mutan terikut dalam telur pada jumlah yang lebih besar daripada sel telur normal. Kemudian mitokondria mutan tersebut ber-multiplikasi dan memproduksi mutan melebihi jumlah proporsional yaitu sekitar ribuan mitokondria mutan pada kasus yang timbul.

Mutasi pada mtDNA dapat menyebabkan penyakit contohnya :

• Leber hereditary optic neuropathy (LHON)
• Penyakit ini diturunkan dalam bentuk gejala penurunan indra penglihatan.
• Kearns-Sayre Syndrome (KSS)
• Penyakit ini sangat jarang ditemukan, gangguan multi-sistem yang sangat fatal yang biasanya berefek pada baik pria maupun wanita umur sekitar 20 tahun, dan terciri dengan gejala progresif eksternal ophthamoplegia, kelemahan otot ringan, pigmentasi retina, gangguan penyumbatan aorta kiri atau defek conduksi intrakardial.
• Diabetes 
• Diabetes adalah penyakit yang disebabkan oleh terjadinya gangguan efisiensi penggunaan zat makanan dalam tubuh, yang menyebabkan peningkatan kadar gula dalam darah melebihi normal.
• Autisme
• Autisme adalah gangguan perkembangan saraf  yang terciri dengan gejala hambatan interaksi sosial dan komunikasi dengan sesamanya, dan tingkah laku mengulang-ulang pekerjaan.
• Schizoprenia
• Schizoprenia adalah gangguan mental yang disebabkan oleh terputusnya hubungan antara proses berpikir dan respon emosional.
• Epilepsy
• Kata epilepsi adalah kata dari bahasa Yunani yang berarti hilang kesadaran dan kejangkejang (seizure), merupakan gejala gangguan saraf kronis yang banyak menyerang manusia muda/anak-anak sampai usia tua lebih dari 65 tahun, bahkan dapat terjadi setiap waktu.
• Albinisme
• Albinism (dari bahasa latin albus berarti putih, juga disebut achroma, achromasia atau achromatosis) adalah merupakan bentuk gangguan kongenital hipopigmentasi, yang terciri dengan gejala partial atau total kekurangan pigmen melanin pada mata, kulit dan rambut.

Sehingga akhirnya dapat disimpulkan bahwa mtDNA merupakan DNA yang berada di luar nukleus sehingga pewarisannya hanya melalui ibu (ekstranuclear inheritance). Hal ini berbanding terbalik dengan pewarisan DNA pada dalam nukleus yang menganut sifat dari Hukum Mendel. Mitokondria memiliki peran penting dalam tubuh manusia yaitu sebagai pembentuk ATP atau energi. Hal ini disebabkan oleh pelepasan ekor sperma pada saat proses fertilisasi. Menurut penelitian, sperma memiliki mekanisme penghancuran diri sendiri karena dianggap sebagai benda asing oleh sel telur. Jika mitokondria sel sperma ikut diwariska, maka terjadilah paternal leakage. Hal ini dapat menyebabkan mutasi pada DNA. Dampak akibat mutasi DNA contohnya dapat berupa penyakit seperti albino.

Demikian penjelasan dari saya mengenai pewarisan mitokondria secara maternal atau melalui ibu. Silakan tinggalkan kritik dan saran di kolom komentar di bawah.

dokpri

Sumber  :

Mapping Human History ; Steve Olson; Jakarta: PT Serambi Ilmu Semesta; 2004

Wikipedia.com :

https://id.wikipedia.org/wiki/DNA_mitokondria#cite_note-chenmanfredi-9

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

Sykes, B (10 September 2003). "Mitochondrial DNA and human history". The Human Genome. Wellcome Trust. Diakses tanggal 5 February 2012.

http://mbe.library.arizona.edu/data/1995/1205/3stew.pdf

The New Yorks Times : Why Do We Inherit Mitochondrial DNA Only From Our Mothers? Oleh Steph Yinjue (2016)

Prof. dr. I.B.G. Manuaba. 2007.  Pengantar Kuliah Obstetri.Jakarta : Penerbit buku kedokteran EGC; 2007