Apakah Ibu Penyumbang Semua Mitokondria Tubuh Kita? Halaman all

Benarkah mitokondria yang ada di sel tubuhmu semuanya berasal dari sel ovum ibu? Dalam kata lain, mitokondria, sang power housedan pembangkit listrik sel tubuhmu, berasal sepenuhnya dari ibu?

Perlu diketahui bahwa tanpa mitokondria, kerja tubuh kita tidak akan beres. Kelanjutannya, bermacam-macam penyakit kronis akan muncul, seperti diabetes mellitus, dementia, cacat fisik, dan lain-lain.

Tapi sebelum menjawab pertanyaan itu, seperti kata pepatah "Tak kenal maka tak sayang." Jadi, mari kita kenal lebih dalam mengenai mitokondria agar kita dapat memahami tujuan utama dari bahasan kita.

APA ITU MITOKONDRIA?

Fungsi

Mitokondria adalah organel yang berfungsi untuk respirasi sel atau metabolisme energi yang akan menghasilkan ATP (Adenosin Tri Phosphat).

Respirasi atau metabolisme merupakan proses perombakan atau katabolisme untuk menghasilkan energi atau tenaga bagi berlangsungnya proses hidup. Dengan demikian, mitokondria adalah "pembangkit tenaga" bagi sel. Oleh karena itu mitokondria sering disebut sebagai "The Power House".

Lalu, ATP pada dasarnya adalah sang molekul bertenaga tinggi hasil dari metabolisme sel, yang memberi dan memasok energi pada segala hal yang dilakukan sel dalam tubuh kita. Mulai dari menghasilkan enzim pencernaan, menghasilkan hormon tubuh, pembelahan sel, mengangkut nutrisi ke seluruh tubuh, hingga ekskresi sel.

STRUKTUR

Mitokondria banyak terdapat pada sel yang memilki aktivitas metabolisme tinggi dan memerlukan banyak ATP dalam jumlah banyak, misalnya sel otot jantung. Jumlah dan bentuk mitokondria bisa berbeda-beda untuk setiap sel. Mitokondria berbentuk elips dengan diameter 0,5 m dan panjang 0,5 -- 1,0 m.

Mitokondria memiliki membran dalam dan membran luar yang tersusun atas fosfolipid bilayer dan protein. Karena sifat membran ganda ini, mitokondria tersusun atas lima bagian struktur.

Membran luar

Membran luar, membran yang melapisi keseluruhan organel terdiri dari protein dan lipid dengan perbandingan yang sama. Membran luar mengandung protein porin yang menyebabkan membran ini bersifat permeabel terhadap molekul-molekul kecil yang berukuran 5000 Dalton. Dalam hal ini, membran luar mitokondria menyerupai membran luar bakteri gram-negatif. Selain itu, membran luar juga mengandung enzim yang terlibat dalam bermacam-macam aktivitas sel, seperti biosintesis asam lemak, oksidasi atas epinefrin, dan degradasi atas tryptophan.

Apabila membran luar rusak, dapat berakibat protein di ruang antara membran luar dan membran dalam untuk menyusup ke sitosol, berakibat pada kematian sel.

Ruang antar membran dalam dan membran luar (Ruang intermembran)

Ruang intermembran adalah ruang yang berada di antara membran dalam dan membran luar yang juga dikenal sebagai ruang perimitochondrial. Karena membran luar bersifat bebas permeable untuk molekul kecil, maka konsentrasi molekul kecil (seperti ion dan gula) di ruang intermembran sama seperti sitosol. Untuk protein berukuran besar, harus bersifat spesifik dan tertentu untuk dapat diangkut melalui membran luar. Maka komposisi protein di ruang ini berbeda dengan komposisi protein di sitosol. Satu protein yang dilokalisasi ke ruang intermembran menjadi sitokrom c.

Membran dalam

Membran dalam kurang permeabel dibandingkan membran luar terdiri dari 20% lipid dan 80% protein. Membran ini merupakan tempat utama pembentukan ATP. Pada membran dalam, terdapat lekuk-lekuk yang disebut krista. Membran dalam juga membentuk dua ruangan internal mitokondria, yaitu ruangan sempit intermembran serta ruangan matriks yang berisi enzim respirasi sel, ribosom, DNA, dan RNA.

Krista

Membran dalam mitokondria tersusun atas banyak krista, yang dapat memperluas permukaan membran dalam, sehingga dapat meningkatkan produktivitas respirasi sel dan produksi ATP. Pada mitokondria hati, daerah membran dalam sekitar lima kali lebih luas daripada membran luar. Luas membran dalam pada mitokondria tergantung pada besarnya permintaan untuk ATP. Misalnya sel otot, mengandung lebih banyak krista. Lipatan krista pada sel otot memiliki benjolan-benjolan yang kecil bulat, disebut sebagai partikel F1 atau oksisom.

Matriks

Matriks adalah ruang yang tertutupi oleh membran dalam. Matriks terdiri atas 2/3 dari total protein mitokondria. Matriks sangat penting dalam hal produksi ATP dengan bantuan sintesis ATP yang di dalam membran dalam. Matriks tersusun atas konsentrasi campuran dari ratusan enzim, ribosom mitokondrial special, tRNA, dan beberapa salinan dari genom DNA mitokondria (mtDNA). Dari enzim, fungsi utamanya termasuk oksidasi atas pyruvate dan asam lemak, serta siklus asam sitrat. Matriks adalah rumah bagi mtDNA (DNA mitokondria)

Sifat

Mitokondria memiliki DNA tersendiri, yang dikenal sebagai mtDNA (DNA mitokondria). mtDNA berpilin ganda, sirkuler, dan tidak terlindungi membran (prokariotik). Karena memiliki ciri seperti DNA bakteri, berkembang teori yang cukup luas dianut, yang menyatakan bahwa mitokondria dulunya merupakan makhluk hidup independen yang kemudian bersimbiosis dengan organisme eukariotik. Teori ini dikenal dengan teori endosimbiosis.

Asal Muasal Mitokondria

Beberapa sel tertua di dunia adalah organisme uniseluler yang disebut bakteri. Bukti fosil menunjukkan tumpukan bakteri dulunya menyelimuti bumi yang masih baru. Beberapa mulai membuat makanan sendiri dengan karbon dioksida (CO2) di atmosfir dan energi yang didapat dari matahari. Proses (disebut sebagai fotosintesis) memproduksi oksigen untuk mengganti atmosfir bumi.

Ratusan hingga ribuan tahun kemudian, makhluk hidup baru yang membutuhkan oksigen untuk hidup mulai bermunculan.

Secara fisik dan wujud, tidak ada bukti yang menyatakan mitokondria dan kloroplas dulunya adalah sel bakteri primitif. Namun, hal ini dapat dibuktikan dengan ditemukannya teori endosymbiosis. Teori ini dinamakan teori endosymbiosis karena simbiosis terjadi ketika dua spesies berbeda memperoleh untung dari kehidupan bersama. Ketika satu organisme hidup di dalam organisme lain, ini disebut endosymbiosis. Teori endosymbiosis menjelaskan bagaimana sel inang besar dan bakteri yang ditelan (ingesti) bisa menjalin ketergantungan satu sama lain untuk keberlangsungan, yang berujung pada hubungan permanen.

Saat ini, ada dua jenis teori endosymbiosis berkaitan dengan asal muasal mitokondria. Mereka berbeda dalam hal asumsi mengenai asal inang, kemampuan fisiologi hasil endosimbion mitokondria, dan jenis-jenis interaksi ekologi yang berujung pada penggabungan fisik yang dialami inang dan mitokondria dengan jalinan simbiosis.

Argumen yang pertama, inang yang menelan mitokondria adalah nucleus anaerobik -- berisi sel, sepenuhnya eukariot, yang mampu menelan mitokondria via fagositosis

Sumber : www.nature.com

Pandangan ini dikaitkan dengan ide bahwa mitokondria yang di-endosimbiosis adalah aeron obligat, mungkin mirip dengan fisiologi dan cara hidup spesies Rickettsiamodern; dan tujuan utama simbiosis ini mungkin berupa kemampuan si endosimbion untuk mendetoksifikasi oksigen untuk inang anaerob. Karena argument ini menganggap inangnya sudah berupa eukariota, argument ini tidak memperhatikan bahwa sel mitokondria ada di mana-mana. Dalam kata lain, berarti berasumsi bahwa semua keturunan inangnya, kecuali yang memperoleh mitokondria, menjadi punah. Aspek yang problematis adalah oksigen detoksifikasi, karena bentuk oksigen yang berbahaya untuk anaerob adalah spesies oksigen reaktif (ROS) seperti radikal superoksida (O2-). Pada eukariota, ROS diproduksi di mitokondria karena interaksi O2 dengan rantai transport electron mitokondria. Dalam hal ini, mitokondria tidak menyelesaikan masalah ROS, melainkan menciptakannya. Jadi, perlindungan dari O2tidak terlihat seperti manfaat hubungan simbiosis. Argumen ini juga tidak memperhatikan mitokondria anaerobik atau hidrogenosom, dan alasan tambahan harus ditambahkan untuk menjelaskan mengapa mitokondria anaerobik ditemukan di banyak garis keturunan, dan bagaimana mereka muncul dari leluhur yang memiliki ketergantungan oksigen

Argumen yang kedua beranggapan bahwa inang yang mendapat mitokondria adalah prokariota, sepenuhnya arkaebakteria. Pandangan ini dikaitkan dengan ide bahwa mitokondria kuno mampu beradaptasi dalam hal metabolism, anaerob fakultatif, mungkin mirip dengan fisiologi dan cara hidup Rhodobacteriales modern. Tujuan utama simbiosis mungkin untuk produksi H2 sebagai sumber energi dan electron bagai inang arkaebakteria

Sumber: learn.genetics.utah.edu

Bukti lain yang mendukung pernyataan mitokondria dan kloroplas berasal dari organisme bakteria primitive adalah mitokondria dan kloroplas memiliki kemiripan dengan sel bakteri. Keduanya memiliki DNA sendiri, yang terpisah dari DNA nucleus. Kedua organel juga menggunakan DNA mereka sendiri untuk mereproduksi banyak protein dan enzim yang dibutuhkan untuk kerja mereka.

Juga, kedua mitokondria dan kloroplas memiliki membran ganda, bukti bahwa keduanya tertelan (ingesti) oleh inang primitive. Kedua organel juga bereproduksi seperti bakteri, mereplikasi DNA mereka sendiri dan mengkontrol pembelahan sendiri.

DNA yang dimiliki oleh mitokondria disebut sebagai mitochondrial DNA (mtDNA) dan DNA kloroplas disebut chloroplast DNA (cpDNA) dikenal juga sebagai plastome.

Mitochondrial DNA (mtDNA)

Sumber: www.khanacademy.org

Mitochondrial DNA (mtDNA) memiliki keunikan sendiri, dibandingkan organel lain, yaitu mtDNA diwariskan langsung dari ibu ke anak, dan perubahannya berlangsung jauh lebih lambat dari jenis DNA lain. Karena sifatnya yang unik, mtDNA menyediakan petunjuk penting tentang sejarah evolusi. Contohnya, perbedaan mtDNA pada tiap spesies diteliti lebih lanjut untuk memperkirakan seberapa dekatnya sebuah spesies dengan spesies lain.

MtDNA diwariskan sepenuhnya dari ibu ke anak. Dalam kata lain, Maternal Inheritance of DNA. Mitokondria berada di sitoplasma, menyediakan energi untuk sel. Semua sitoplasma berasal dari ovum. Sedangkan sel sperma hanya menyumbang nucleus (nuclear DNA) pada zigot.

Jadi, benarkah mitokondria yang ada di sel tubuhmu semuanya berasal dari sel ovum ibu? Jawabannya ya, mitokondria yang ada di sel tubuh kita semuanya berasal dari sel ovum ibu. Tidak ada rekombinasi, tidak ada kontribusi paternal, semuanya diwariskan dari ibu saja.

Beragam pertanyaan muncul setelah mengetahui mtDNA seluruhnya berasal dari sel ovum ibu.

Mengapa tidak ada kontribusi mitokondria dari ayah?
Apabila mitokondria dari ibu terjangkit penyakit, apakah keturunannya akan terdiagnosis penyakit yang sama pada mitokondrianya pula?
Apakah mungkin mitokondria dari ayah tidak mati dan menjadi bagian dari sel embrio?

Menjawab pertanyaan pertama pewarisan tunggal mtDNA dari garis keturunan ibu.

Pertama, garis keturunan ayah tidak menyumbangkan mitokondria bukan karena ayah tidak memiliki mitokondria.

Pada proses reproduksi seksual, ketika sperma mamalia menghampiri ovum, ekor sperma lepas. Hal ini karena ekor sperma digunakan untuk mendorong sel sperma bergerak menuju ovum. Perlu diketahui bahwa kebanyakan (bahkan hampir semua) mitokondria berada di dasar ekor sperma.

Oleh karena itu, mitokondria pada sel sperma tidak dapat masuk ke dalam ovum.

Namun pada kejadian tertentu, mitokondria sel sperma berhasil masuk ke dalam sel ovum. Meskipun begitu, tidak memberi kontribusi terhadap informasi genetika dari emrio. Malahan, mitokondria dari ayah ditarget oleh ubiquitin, dan nanti akan dihancurkan di dalam embrio. Hal ini karena mitokondria dari ayah disensor sebagai sesuatu yang asing dan berbahaya.

Sumber: www.khanacademy.org

MtDNA penting bagi tumbuh kita. Mitokondria adalah organel kecil yang kerap disebut sebagai energy powerhouse dari baterai tubuh kita. Tugas utama mereka adalah mengambil gula yang telah dicerna dari makanan yang kita konsumsi, lalu mengubah mereka menjadi bentuk energy yang bisa digunakan oleh sel. Fungsi lain seperti regulasi metabolism sel, regulasi mebran sel, dan sintesis steroid. Tiap mitokondria mencakup 16 kilobase yang menyandi 37 gen.

MtDNA penting karena berbagai alasan. 13 dari 37 gen-nya terlibat dalam sebuah proses yang dikenal sebagai oksidasi fosforilasi (OXPHOS). OXPHOS adalah jalur metabolis di mana sel menggunakan enzim untuk mengoksidasi nutrisi, lalu melepas energi yang nanti digunakan untuk membuat ATP. OXPHOS berperan dalam 90% dari total sintesis ATP dalam sel.

Tujuan dari OXPHOS adalah memfasilitasi pelepasan yang terkontrol dari energi bebas yang terkandung di kofaktor yang tereduksi ketika katabolisme. Ketika elektron di tubuh kita digunakan untuk mengurangi molekul oksigen ke air, energi dalam jumlah banyak menjadi bebas, yang nanti bisa digunakan untuk menghasilkan ATP. OXPHOS adalah proses di mana ATP terbentuk atas akibat dari transfer elektron dari NADH or FADH2menjadi O2melalui rantai transport elektron (ETC).

Ternyata, alasan tubuh perlu oksigen juga supaya sel tubuh kita dapat menggunakan molekul oksigen dalam OXPHOS, babak terakhir dari respirasi seluler. OXPHOS terbuat dari 2 komponen yang terhubung dengan erat, rantai transport elektron dan kemiosmosis.

Singkat kata, ETC adalah rangkaian protein dan molekul organic yang ditemukan di membrane dalam mitokondria. Elektron diturunkan dari 1 rantai transport ke rantai lain melalui serangkaian reaksi redoks. Energi yang dilepas di rekasi ini ditangkap di proton gradient. Di mana proton gradientadalah pendorong sintesis ATP, konsentrasi proton di luar membrane dalam lebih besar dari konsentrasi proton di membrane dalam. Proton gradient nantinya digunakan dalam proses kemiosmosis. Bersama, ETC dan kemiosmosis membentuk oksidasi fosforilasi.

Sumber: www.khanacademy.org

Kelainan genetika yang disebabkan oleh mutasi mitokondria tidak diturunkan dari ayah ke anak, karena mitokondria disediakan hanya dari ibu. Sebaliknya, kelainan genetika yang disebabkan mutasi mitokondria ditularkan oleh ibu ke anak dengan cara di bawah ini.

Seseorang dengan penyakit yang disebabkan oleh mutasi mitokondria kekurangan mitokondria normal (dan hanya memiliki abnormal, yang terjadi mutasi). Dalam kasus ini, ibu yang terjangkit akan selalu menurunkan mitokondria yang termutasi pada anak-anaknya.
Kelainan mitokondria mungkin terjadi ketika seseorang memiliki campuran mitokondria normal dan abnormal di tubuhnya. Dalam kasus ini, mitokondria normal dan mutasi bisa masuk dengan acak ke telur ketika meiosis. Anak-anak yang mendapat mitokondria mutan dalam proporsi besar bisa kena penyakit parah, sedangkan mereka yang memiliki sedikit mitokondria mutan bisa terkena penyakit ringan atau tidak terkena sama sekali.

Gangguan ketuturunan dari mitokondria dari ibu karena mitokondria dalam zigot berasal dari sitoplasma dari telur, sedangkan sperma hanya berkontribusi pada nukleus saja. Secara garis keturunan anak laki maupun perempuan dapat menderita,tetapi hanya dari ibunya yang menurunkan kelainan keturunan tersebut.

Sumber : Darmono. 2012. Penyakit genetik karena mutasi DNA mitochondria dan multifaktor genetik.

Sel telur primer manusia mempunyai sekitar 100.000 mitokondria. Tetapisebagian besar hilang selama masa kematangan, dan yang tinggal hanya sekitar 10 sampai100 mitokondria.

Pada saat pelepasan zygot, jumlah mitokondria terbentuk sampai mencapai 10.000 mitokondria per sel. Penurunan jumlah mitokondria secara nyata dalam oocyt terjadi secara serentak. Jika mutan mitokondria termasuk dalam 10-100 dalam oocyt maka kemungkinan terjadinya kelainan dalam sel embrio lebih besar. Mitokondria secara acak didistribusikan pada sel berikutnya (daughter cell), hal tersebut berarti kemungkinanbeberapa sel menerima lebih banyak atau sedikit mitokondria yang mengalami mutasi.

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.

Heteroplasmi, 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 homoplasmi adalah situasi dimana kelainan kedua jenis mitokondria tersebut terdapat dalam genom yang sama. Kasus terjadinya penyakit mitokondria ini sifatnya sporadik atau jarang dijumpai disebabkan karena mutasi mitokondria yang baru terjadi dalam maternal mitokondria. 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 bermultiplikasi dan memproduksi mutan melebihi jumlah proporsional yaitu sekitar ribuan mitokondria mutan pada kasus yang timbul

(Darmono. 2012. Penyakit genetik karena mutasi DNA mitochondria dan multifaktor genetik.)

Penyakit Gejala yang timbul dari mutan mitokondria adalah :

Alzheimer's disease (pada beberapa kasus). Gejala yang timbul kehilangan yang progresif pada kemampuan kognitif
CPEO (chronic progressiove external ophthalmopegia). Gejala yang timbul paralisis pada otot mata dan miopati mitokondria
Diabetes mellitus (beberapa kasus). Gejala yang timbul gula darah yang tinggi, mengakibatkan beragam komplikasi
Dystonia (beberapa kasus). Gejala yang timbul pergerakan abnormal berkait dengan kaku otot, sering diikuti dengan proses penyusutan basal ganglia otak
KSS (Kearns-Sayre syndrome). Gejala yang timbul CEO digabung dengan kelainan seperti penyusutan retina, penyakit jantung, kehilangan pendengaran, diabetes, dan gagal ginjal
Leigh's syndrome. Gejala yang timbul kehilangan yang progresit dari kemampuan motorik dan verbal, dan penyusutan basal ganglia. Sebuah penyakit kanak-kanak yang berbahay.
LHON (Leber's Hereditary Optic Neuropathy). Gejala yang timbul kebutaan permanen atau sementara yang bertunas dari kerusakan pada saraf optik
MELAS (Mitochondrial Encephalomyopathy, Lactic Acidosis and Stroke like episodes). Gejala yang timbul 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). Gejala yang timbul kejang-kejang digabung dengan miopati mitokondria, kerap diikuti dengan kehilangan pendengaran dan dementia
Mitochondrial Myopathy. Gejala yang timbul adalah deteriorasi dari otot, dimanifestasikan dengan lemah dan tidak mampu berolahraga; oto sering menunjukkan urat-urat merah, yang terisi dengan mitokondria abnormal yang berubah merah ketika terekspos dengan noda tertentu)
NARP (Neurogenic Muscle Weakness and Retinitis Pigmentosa). Gejala yang timbul kehilangan kekuatan otot dan koordinasi, diikuti dengan degenerasi otak regional, ataxia, dan deteriorasi retina
Pearson's syndrome. Gejala yang timbul sumsum tulang belakang gagal berfungsi (berujung pada kehilangan sel darah) dan gagal pancreas; mereka yang bertahan sering berlanjut ke KSS.

Sedangkan penyakit genetik yang disebabkan oleh faktor lain atau sering disebut multifaktor genetik, banyak dipicu oleh faktor dari luar/eksogen. Pada tahun 1971 Alfred Knudson, seorang ilmuwan Amerika mengemukakan hipotesisnya bahwa timbulnya penyakit genetik erat hubungannya antara keturunan dengan kejadian sporadik dari penyakit kanker yang tidak diturunkan. Ia menyatakan bahwa kejadian penyakit kanker meningkat karena terjadinya perubahan genetik pada seseorang.

Perubahan genetik atau mutasi genetik itu sendiri diduga disebabkan oleh pengaruh lingkungan, pola makan, kebiasaan, dan faktor lainnya misalnya infeksi penyakit. Penyakit yang ditimbulkan dari kelainan genetik lebih bervariasi lagi misalnya gangguan saraf, penyakit jantung, diabetis, kanker, dan penyakit degeneratif lainnya.

Mitokondria dari ayah pada umumnya tidak diturunkan ke anak-anaknya. Di saat reproduksi seksual, mitokondria dari ayah di sperma telah terurai, sehingga mencegah "kebocoran". Mitokondria di sperma mamalia biasanya dihancurkan oleh ovum setelah fertilisasi.

Namun belakangan ini, ada banyak perdebatan mengenai rekombinasi mtDNA. Perdebatan ini akhirnya berakhir dengan dipublikasikannya beberapa bukti langsung tentang rekombinasi. Schwart dan Vissing (2002), menunjukkan kasus seorang berusis 28 tahun yang memiliki baik maternal dan paternal mtDNA di jaringan ototnya.

Meskipun begitu, mayoritas mamalia hanya mendapat maternal mtDNA. Oleh karena itu, dapat disimpulkan bahwa mitokondria berasal dari ibu.

Daftar Pustaka

Darmono. 2012. Penyakit genetik karena mutasi DNA mitochondria dan multifaktor genetik.

https://www.nature.com/scitable/topicpage/the-origin-of-mitochondria-14232356

https://ghr.nlm.nih.gov/primer/basics/mtdna

https://www.forbes.com/sites/quora/2016/09/28/do-we-really-inherit-intelligence-from-our-mothers/#22b5c5fb25f5

http://genetics.thetech.org/ask/ask165

http://www.mitocanada.org/about-mitochondrial-disease/how-is-mitochondrial-disease-inherited-2/

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

http://www.uvm.edu/~biology/Classes/296D/10_Mitochondria.pdf

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

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