SIKLUS SEL DAN PEMBELAHAN SEL

Oleh Trisna Amelia, S.Pd., M.Pd

SIKLUS SEL DAN PEMBELAHAN SEL

 

 

Seperti makhluk hidup yang melalui siklus hidup, setiap sel melalui siklus sel, tahap-tahap yang teratur selama pertumbuhan sel, persiapan untuk pembelahan, dan pembelahan menjadi dua sel anak, yang mengulang tahap-tahap tersebut. Eukariot sel tunggal yang hidup bebas, seperti Amoeba, siklus sel penting untuk keabadiannya. Dengan pembelahan sel tersebut,

mereka menyebarkan informasi genetik kepada sel anaknya, yang sama seperti disebarkan pada jutaan generasinya. Dalam tumbuhan dan hewan multiseluler, sejumlah sel terus-menerus tumbuh dan membelah untuk kehidupan organisme tersebut. Pada tumbuhan terdapat pada sel-sel di ujung akar yang selalu memasuki kedalaman tanah. Pada hewan, sel-sel tersebut terdapat pada usus halus saluran pencernaan dan secara terus-menerus menghasilkan sel baru yang mengelupas bersamaan dengan makanan yang dicerna.

Pada sebagian besar organisme multiseluler, terjadi siklus sel yang lebih lambat atau berhenti membelah dan tetap, hal ini terjadi pada bagian tahap kehidupan seseorang yang berumur tua atau sakit atau memasuki kematian. Sel yang termasuk di sini adalah sel otot, dan sel saraf pada hewan, sedangkan pada tumbuhan adalah sel-sel pembuluh yang mengatur pembentukan gula.

 

  1. Siklus Sel

Siklus sel merupakan serangkaian kejadian dengan urutan tertentu berupa duplikasi kromosom sel dan organel di dalamnya yang mengarah ke pembelahan sel. Pada eukariotik (sel bernukleus), proses perbanyakan atau sintesis bahan genetik terjadi sebelum berlangsungnya proses pembelahan sel, mitosis atau meiosis.  Siklus sel merupakan fungsi sel yang paling mendasar berupa duplikasi akurat sejumlah besar DNA di dalam kromosom, dan kemudian memisahkan hasil duplikasi tersebut hingga terjadi        dua      sel        baru     yang            identik. Siklus sel yang berlangsung kontinu dan berulang (siklik), disebut proliferasi. Siklus sel merupakan proses vital dalam kehidupan setiap organisme. Secara normal, siklus sel menghasilkan pembelahan sel. Pembelahan sel terdiri dari 2 proses utama, yaitu replikasi DNA dan pembelahan kromosom yang telah digandakan ke 2 sel anak.

Diagram siklus sel

 

Siklus sel adalah sebuah pergerakan dari satu pembelahan ke pembelahan berikutnya dan dalam proses tersebut adanya periode di antara pembelahan sel yang berurutan. Siklus sel dimulai dengan suatu periode metabolisme normal yang disebut G1 (gap 1). Selama fase ini , sel mensintesis, merangkai dan menggunakan bagian-bagian yang dibutuhkan untuk fungsinya secara normal. Selanjutnya fase S (fase sintesis), ketika sintesis berlangsung dan DNA direplikasi, juga disintesis protein histon. Jumlah DNA dalam nukleus digandakan, sedangkan histon dan protein kromosomal lainnya disintesis dalam sitoplasma, kemudian memasuki nukleus dan bergabung dengan DNA untuk membentuk kromatin. Setiap kromosom pada fase S sekarang memiliki dua rantai DNA yang identik yang asalnya satu rantai pada awal fase G1. Dua rantai kromosom yang serupa hasil duplikasi tersebut digabungkan oleh sentromer, disebut kromatid. Pada akhir fase S, sel memasuki fase G2 (gap 2), suatu periode singkat metabolisme normal dan pertumbuhan selama sel membangun sejumlah protein dan senyawa lainnya. Selama fase G1, S, dan G2, nukleus dinamakan mengalami interfase, di antara pembelahan nukleus. Sekali suatu sel memasuki fase S, secara normal akan melewati fase S dan G2 dan menuju pembelahan sel selama fase M.

  1. Fase G1

Fase G1 ini adalah fase dengan lama waktu yang bervariasi tergantung pada tipe selnya tetapi kebanyakan dari fase ini memiliki waktu yang lebih lama dibandingkan dengan fase lainnya. Dalam fase ini ukuran sel bertambah besar akibat dari pertumbuhan sel dan pada fase ini juga terjadi proses pembentukan organel-organel.

  1. Fase S

Pada fase S terjadi penduplikasian kromosom dan sintesis DNA (replikasi DNA). Kromosom yang semula tunggal menjadi ganda, tetapi pada keadaan ini masih belum bisa dibedakan sendiri-sendiri kromosomnya karena masih dalam bentuk serabut kromatin yang terkemas longgar. Pada umumnya fase ini membutuhkan waktu sekitar 8 jam untuk menyelesaikannya. Kemudian hasil dari replikasi kromosom yang telah utuh segera dipilah bersama dengan dua nukleid masing-masing yang berguna untuk proses mitosis pda fase M.

  1. Fase G2

Fase G2 merupakan fase persiapan untuk fase M. Pada fase ini yaitu dilakukan pengumpulan energi sebanyak-banyaknya untuk proses pembelahan sel. Waktu yang diperlukan untuk fase ini sekitar 2 jam. Nukleus masih nyata dibungkus membran inti mengandung satu atau lebih nukleolus. Dua sentrosom muncul di luar inti, terbentuk selama awal interfase melalui proses replikasi dari sentrosom tunggal.

  1. Fase M

Fase ini berlangsung sekitar 1 jam dan merupakan tahap terjadinya pembelahan sel. Untuk fase M dibagi menjadi dua bagian tahap yaitu mitosis dan sitokinesis.

 

  1. Pengendalian Siklus Sel

Satu masalah yang penting dalam biologi yaitu memahami bagaimana siklus sel diatur. Sebagian besar sel hewan dan sejumlah tumbuhan memerlukan jumlah jam, hari dan bulan pada fase G1 sebelum memulai fase S dan M. Dan pada sel saraf, otot, dan sel pengangkut gula, sel dewasa fungsional tetap berada dalam keadaan tidak membelah, kadang-kadang disebut G0. Apa yang dapat mencegah dan memicu pembelahan sel pada waktu yang tepat?

Para ahli biologi sudah menemukan bahwa ketika nukleus dari sel yang tidak membelah (seperti sel saraf) ditransplantasikan ke dalam sel inang yang berada pada fase S, dalam beberapa menit DNA berreplikasi, karakteristik fase S dimulai dalam nukleus sel saraf yang ditransplantasikan. Percobaan demikian menyarankan bahwa status (keadaan) sitoplasma sel, mengendalikan aktifitas nukleus dan membantu menentukan fase tersebut dalam siklus sel.

Selanjutnya, apa penentu status sitoplasma tersebut?. Satu faktor adalah lingkungan eksternal sel. Contohnya pada hewan multiseluler, sel normal bergantung-kontak. Sel-sel tersebut dapat bergerak dan membelah jika hanya berlekatan dengan bentuk senyawa padat tertentu. Faktor lain adalah Kalsium intraseluler, tipe sel tertentu harus mengeluarkan Kalsium sebelum melalui siklus mitosis.

Pada hewan dan tumbuhan, faktor luar dapat memicu atau menghambat siklus sel. Contohnya pada tumbuhan tinggi, hormon yang disebut sitokinin memicu aktifitas mitosis pada akar, batang dan daun, sedangkan pada hewan tingkat tinggi, hormon somatomedin, insulin, dan faktor pertumbuhan epidermal dapat memicu semua sel untuk membelah. Sel hewan juga memiliki penghambat pembelahan sel yang disebut chalones. Beberapa ahli biologi percaya bahwa chalones berkurang pada daerah suatu luka jadi pembelahan sel baru dapat memperbaiki luka; kemudian jumlah chalones meningkat sekali luka disembuhkan untuk mencegah pertumbuhan sel secara berlebih. Memahami bagaimana siklus sel dikendalikan sangatlah penting untuk mempelajari kanker. Para peneliti kanker dan ahli genetik memusatkan perhatiannya pada bahan pengendali siklus sel.

Terkait dengan siklus sel itu sendiri, terdapat factor dalam yang mengatur siklus sel, yaitu protein CDK dan Cyclin.

Dua komponen penting dari pengatur siklus sel (Cyclin-Dependent Protein Kinase (Cdks))

 

Aktivitas dari protein kinase meningkat dan turun seketika pada saat sel siap untuk masuk siklus. Perubahan siklis dalam aktivitas Cdk dikontrol oleh susunan kompleks dari enzim dan protein lain yang mengatur kinase à  protein paling penting yang disebut Cyclins.

Empat kelas Cyclins

  1. G1/S-cyclins à mengaktivasi Cdks dalam akhir G1  pemicu masuknya siklus sel
  2. S-cyclins à menstimulasi duplikasi kromosom
  3. M-cyclins à mengaktivasi Cdks yang menstimulasi masuknya kedalam mitosis pada cekpoin G2/M
  4. G1-cyclins à membantu mengatur aktivitas dari G1/S-cyclins

 

Selama siklus sel, konsentrasi kompleks Cyclin-Cdk dapat diluhat pada skema berikut.

Kompleks Cyclin-Cdk dalam pegaturan siklus sel

 

  1. Pembelahan Sel

Interfase

Merupakan sebuah jedah panjang antara satu mitosis dengan yang lain. Jedah tersebut termasuk fase G1, S, G2.

Fase interfase disebut juga fase istirahat karena tidak menampakkan tanda-tanda pembelahan. Pada fase ini terjadi peristiwa pertumbuhan dan pengumpulan energi yang besar untuk persiapan pembelahan sel. Proses interfase memerlukan waktu yang paling lama. Interfase dapat dibedakan menjadi tiga, antara lain:

a. fase pertumbuhan primer;

b. fase sintesis, pada fase ini terjadi sintesa DNA dan organel sel;

c. fase pertumbuhan sekunder;

Selama interfase, kromosom tidak kelihatan karena benang-benang kromatin tidak berpilin. Interaksi antara DNA, RNA, dan protein terjadi selama tahap-tahap tertentu dari interfase.

 

  1. Profase

Fase di mana terjadinya kondensasi kromosom dan pertumbuhan pemintalnya. Pada saat ini kromosom terlihat di dalam sitoplasma.

Pada periode profase terjadi perubahan pada nukleus dan sitoplasma. Pada nukleus, nukleolus menghilang. Serabut-serabut kromatin menjadi lebih menggulung rapat dan melipat sehingga kian pendek dan tebal berubah menjadi kromosom, yang besar dan tampak jelas. Kromosom kemudian berduplikasi menjadi dua kromatid anak yang sama, dan kemudian bergabung pada sentromer. Spindle mitosis terbentuk di sitoplasma, tersusun dari mikrotubul dan bergabung dengan protein, tersusun teratur di antara dua sentrosom. Selama profase sentrosom bergerak berlawanan satu sama lain dan nampaknya bergerak sepanjang permukaan inti melalui pemanjangan berkas mikrotubul diantara     dua            sentrosom.

  1. Prometafase

Pada fase ini sampul inti sel terlarut dan kromosom yang mengandung 2 kromatid mulai bermigrasi menuju bidang ekuatorial (piringan metafase).

Menjelang metafase, beberapa ujung mikrotubul gelendong mitotic menempel pada setiap kinetokor yang berada di dekatnya. Membran inti terpotong-potong. Mikrotubul dari spindle sekarang dapat masuk ke dalam inti dan berhubungan dengan kromosom yang telah menjadi lebih padat. Berkas mikrotubul dinamakan serabut spindel, yang meluas dari setiap kutub kearah ekuator sel. Setiap kromatid dari kromosom kini memiliki struktur khusus yang dinamakan kinetokor, yang terletak pada daerah sentromer.Mikrotubul yang menambat pada kinetokor dinamakan mikrotubul-kinetokor.Struktur ini menyebabkan kromosom bergerak. Mikrotubul yang lain, mikrotubul-nonkinetokor, tersusun radier dari kutub menuju ke ekuator sel tanpa menambat pada kromosom.

Kromosom menempel pada benang spindle pada tahap prometafase. Prometafase dimulai setelah pembongkaran membrane nukleus, yang pecah menjadi vesikula membran kecil. Proses ini dipicu oleh fosforilasi dan mengakibatkan pembongkaran protein pori dan protein filamen lamina nuclear pada membrane nucleus.

Kinetokor menempelkan kromosom pada benang spindle.

 

Tiga tipe mikrotubul benang spindle

 

               Kenyataannya, kromosom jauh lebih besar dari yang digambarkan, sehingga dapat banyak mirkotubul yang menempel pada tiap kinetokor dari kromosom.

Mikrograf fluoresens kromosom saat prometafase

 

  1. Metafase

Kondensasi kromosom pada bidang ekuatorial mencapai titik puncaknya.

Pada metaphase, mikrotubul kinetokor memegang peranan penting yaitu mengatur letak dan arah kromosom terhadap sumbu gelendong mitotic dan mengatur dan menggerakkan kromosom ke bidang ekuatorial.Sentrosom berada pada kedua kutub sel yang berlawanan. Kromosom berada pada bidang metaphase, bidang yang mempunyai jarak yang sama antara spindle kedua kutub. Spindel sentromer dari semua kromosom lurus satu sama lain pada bidang metaphase. Untuk setiap kromosom, kinetokor dari permukaan kromatid anak berlawanan kutub sel. Karena itu kromatid yang sama dari setiap kromosom menambat pada mikrotubul-kinetokor yang tersusun radier dari kutub yang   berlawanan   dari            sel       induk.

  1. Anafase

Tiap sentromer mulai terpisah dan tiap kromatid dari masing-masing kromosom tertarik menuju pemintal kutub.

Pada anafase terjadi pemisahan kromatida kromosom.Pada fase ini terjadi tarikan ke kutub sehingga kromatid terpisah.Sentromer dari setiap kromosom mengganda, sehingga setiap kromatid memiliki sentromer sendiri-sendiri.Setiap kromatid sekarang dianggap sebagai calon kromosom.Spindle mulai menggerakkan kromatid menuju kutub sel yang berlawanan.Hal ini dikarenakan mikrotubul kinetokor menambat pada sentromer.Mikrotubul kinetokor memendek ketika kromosom mendekati kutub sel. Pada saat yang bersamaan kutub dari sel juga bergerak lebih jauh. Akhir dari anafase kedua kutub sel sama jaraknya dan merupakan kumpulan        dari     kromosom.

 

 

Pada permulaan anaphase, tiap pasangan sister kromatid saling lepas. Kromosom anak kemudian ditarik ke bagian kutub yang berlawanan pada oleh benang spindle.

 

  1. Telofase

Kromosom pada tiap kutub mulai mengalami dekondensasi, diikuti dengan terbentuknya kembali membran inti sel dan sitoplasma perlahan mulai membelah.

Pada fase telofase, mikrotubul nonkinetokor selalu memanjang dan anak inti mulai terbentuk pada kedua kutub sel, dan kromosom berada dalam keadaan terhimpun.Membran inti terbentuk dari potongan-potongan membran inti sel induk dan bagian lain dari system endomembran.
Sitokinesis terjadi pada saat anaphase dan telofase.Pada sel hewan, tanda pertama yang terlihat adalah melekuknya selaput sel selama anaphase.Pelekukan terjadi di daerah sekat metaphase atau bidang ekuatorial.

 

Pada tahapan telofase, membrane nucleus kembali terbentuk.

 

Proses terbentuk dan terurainya membrane nucleus selama pembelahan sel

  1. Sitokinesis

Pembelahan sitoplasma selesai setelah terjadi oleh interaksi antara pemintal mitotik, sitoskeleton aktomiosin dan fusi sel, dan menghasilkan dua sel anak yang identik. Sitokinesis pada sel tumbuhan berlangsung dengan cara yang berbeda. Sitoplasma dibagi dua oleh pembentukan dinding sel baru di dalam sel induk.Sekat sel mulai terbentuk di bidang antara dua nukeus anakan.Sekat sel berhubungan dengan sisa mikrotubul kutub gelendong mitotic yang membentuk suatu struktur yang disebut fragmoplas.Struktur ini mengandung dua perangkat mikrotubul yang berhadapan. Vesikuli kecil yang berasal dari kompleks golgi dan berisi prazat dinding sel tersusun sepanjang mikrotubul disebelah menyebelah fragmoplast dan diangkut kearah bidang ekuatorial yang selanjutnya membentuk sekat sel.

Hasil scanning mikroskop electron pada sel telur katak yang sedang mengalami sitokinesis. (A) perbesaran lemah, (B) perbesaran lebih kuat

 

Sitokinesis pada sel tumbuhan melibatkan pembentukan dinding sel yang baru