Mengapa sel eukariot memiliki organel-organel?
Agar sel dapat beroperasi dengan baik, proses intraseluler yang berbeda harus dilakukan pada kompartemen yang berbeda.
Pada sel eukariotik, terjadi ribuan reaksi kimia yang kompleks. Reaksi-reaksi ini dapat dilihat sebagai serangkaian proses kimiawi yang bekerja sama untuk menjaga agar sel tetap berfungsi dengan baik. Namun, tidak semua reaksi dapat terjadi pada waktu yang sama. Contohnya, satu rangkaian reaksi menghasilkan glukosa, sementara rangkaian reaksi lainnya memecahnya. Beberapa enzim membuat ikatan peptida, sementara yang lain memecahnya.
Sel eukariotik memiliki banyak organel dan struktur yang berbeda sehingga dapat menjalankan fungsi yang berbeda. Jika Anda mengambil hati ayam, lalu menumbuknya dan mencampurnya dalam tabung reaksi, maka sel-sel di dalamnya akan pecah, dan terjadi kekacauan kimiawi. Hal ini karena enzim dan protein lain yang biasanya terpisah di dalam sel sekarang bercampur menjadi satu. Enzim dan protein ini dapat mulai mendegradasi satu sama lain, yang menyebabkan kerusakan sel.
Agar sel dapat beroperasi secara baik, proses intraseluler yang berbeda harus dipisahkan. Artinya, sel harus menjaga agar reaksi dan proses kimiawi yang berbeda tetap terpisah sehingga dapat terjadi pada waktu yang tepat dan dalam urutan yang benar. Pemisahan ini dicapai melalui berbagai mekanisme:
mengumpulkan enzim yang dibutuhkan untuk rangkaian reaksi tertentu ke dalam kompleks multikomponen, digunakan misalnya pada sintesis biomolekul penting seperti DNA, RNA, dan protein. Strategi ini dilakukan baik oleh sel eukariot dan prokariot.
memisahkan proses metabolisme yang berbeda ke dalam kompartemen yang berbeda yang dikelilingi oleh membran. Membran kompartemen ini memungkinkan beberapa molekul untuk bisa lewat, sementara menolak untuk molekul lainnya. Strategi ini dilakukan oleh sel eukariot1.
Ada banyak kompartemen pada sel eukariot
Sel eukariotik sangat terkotak-kotak, dengan banyak organel yang berbeda, yang masing-masing menjalankan fungsi tertentu. Beberapa contoh organel termasuk nukleus, mitokondria, retikulum endoplasma, aparatus Golgi, lisosom, dan peroksisom.
Nukleus menyimpan materi genetik sel, sedangkan mitokondria menghasilkan energi melalui respirasi sel. Retikulum endoplasma mensintesis dan memodifikasi protein dan lipid, dan aparatus Golgi memproses dan menyortir molekul-molekul ini untuk diangkut. Lisosom mengandung enzim yang memecah bahan limbah, dan peroksisom mengandung enzim yang memecah asam lemak dan asam amino.
Semua organel ini dikelilingi oleh membran, yang memungkinkan pemisahan dan kontrol proses metabolisme yang berbeda di dalam sel.
Nukleus
Nukleus biasanya merupakan bagian yang paling terlihat dari sel eukariotik. Nukleus adalah pusat kendali sel, yang mengatur ekspresi gen dan replikasi DNA. Membran nukleus berlapis ganda, yang dikenal sebagai selubung nukleus, memberikan penghalang yang memisahkan materi genetik dari bagian sel lainnya. Pada selubung terdapat pori-pori yang memungkinkan pengangkutan molekul, seperti RNA dan protein, antara nukleus dan sitoplasma. Membran luar selubung nukleus bersambungan dengan retikulum endoplasma (RE). Kesinambungan antara selubung nukleus dan RE ini penting untuk pengaturan sintesis protein dan lipid, serta untuk menjaga integritas struktural kedua organel tersebut.
Retikulum endoplasma
Retikulum endoplasma (RE) adalah jaringan kantung dan tabung yang terbuat dari membran yang membentang di sebagian besar sel. ER bertanggung jawab untuk membuat membran baru di dalam sel. Retikulum endoplasma kasar (RE kasar) memiliki ribosom yang melekat pada permukaannya, yang memproduksi protein yang akan dikirim ke dalam membran atau ke dalam lumen RE.
Retikulum endoplasma halus (RE halus) tidak memiliki ribosom dan memiliki fungsi spesifik pada sel yang berbeda. Sebagai contoh, pada beberapa sel endokrin kelenjar adrenal, RE halus terlibat dalam sintesis hormon steroid. Pada sel hati, RE halus membantu mendetoksifikasi berbagai molekul organik, seperti alkohol. Selain itu, RE halus di banyak sel eukariotik dapat menyimpan ion kalsium (Ca2+) dari sitosol2. Pelepasan dan pengambilan kembali Ca2+ dari RE penting untuk banyak proses seluler yang membutuhkan respons cepat terhadap sinyal eksternal.
Aparatus Golgi
Aparatus Golgi memainkan peran penting dalam memproses dan menyortir protein dan lipid di dalam sel. Protein dan lipid yang diproduksi oleh RE diangkut ke aparatus Golgi, di mana protein dan lipid mengalami modifikasi lebih lanjut seperti glikosilasi, sulfasi, dan fosforilasi. Modifikasi ini dapat mengubah sifat protein dan lipid dan membuatnya sesuai dengan fungsi spesifiknya di dalam sel. Aparatus Golgi kemudian menyortir dan mengemas protein dan lipid yang telah dimodifikasi ke dalam vesikel untuk dikirim ke tujuan akhir, seperti membran plasma, lisosom, atau vesikel sekretori.
Lisosom
Lisosom adalah struktur kecil yang mengandung enzim pencernaan yang memecah organel yang sudah tua dan rusak, serta molekul besar dan partikel yang diambil oleh sel melalui endositosis. Bahan-bahan yang diendositosis pertama-tama melewati endosom, serangkaian kompartemen yang menyortir molekul yang tertelan dan mendaur ulang beberapa di antaranya kembali ke membran sel, sebelum mencapai lisosom. Proses ini membantu menjaga kesehatan sel dan memungkinkan daur ulang bahan yang berguna.
Peroksisom
Peroksisom adalah organel kecil yang menampung enzim yang terlibat dalam berbagai reaksi kimia yang memecah lipid dan mengeliminasi zat-zat berbahaya. Peroksisom terlibat dalam oksidasi asam lemak dan detoksifikasi hidrogen peroksida (H2O2), produk sampingan yang beracun dari banyak proses seluler.
Mitokondria dan kloroplas
Mitokondria dan kloroplas, yang masing-masing ditemukan pada sel hewan dan tumbuhan, memiliki struktur serupa yang terdiri dari membran luar dan dalam. Organel-organel ini dikhususkan untuk melakukan berbagai proses penghasil energi, seperti fosforilasi oksidatif dan fotosintesis. Membran internal organel-organel ini, termasuk krista dalam mitokondria dan membran tilakoid dalam kloroplas, sangat beradaptasi untuk menjalankan fungsi-fungsi ini, seperti transpor elektron dan sintesis ATP.
Sitoskeleton
Organel-organel yang dikelilingi oleh membran, seperti ER, aparatus Golgi, mitokondria, dan kloroplas, ditahan di tempatnya dengan menempel pada sitoskeleton, terutama pada mikrotubulus. Sitoskeleton juga menyediakan jalur untuk pergerakan organel dan vesikula, suatu kantung kecil yang mengangkut zat-zat di dalam sel. Protein motorik menggunakan ATP untuk menggerakkan organel dan vesikula di sepanjang filamen sitoskeleton. Pergerakan ini penting untuk berfungsinya sel, karena memungkinkan pengangkutan molekul ke tempat yang dibutuhkan dan pemosisian organel di lokasi tertentu.
Membran
Organel yang dikelilingi oleh membran membentuk sebagian besar volume sel eukariotik, dengan jumlah total membran yang terkait dengannya sangat besar. Membran retikulum endoplasma (ER), misalnya, berukuran 20-30 kali lebih besar daripada membran plasma pada sel mamalia pada umumnya. Oleh karena itu, pada sebagian besar sel eukariotik, membran plasma merupakan membran yang kecil baik dari segi luas maupun massanya jika dibandingkan dengan organel lainnya.
Komposisi dan fungsi organel dapat dipelajari dengan cara mengisolasinya dari sel
Banyak informasi yang dapat dikumpulkan mengenai struktur dan peran organel ketika organel tersebut dipisahkan dari struktur sel lainnya. Organel terlalu kecil untuk dipisahkan secara manual, sehingga digunakan metode sentrifugasi diferensial, suatu teknik laboratorium yang digunakan untuk memisahkan dan mengisolasi komponen seluler yang berbeda, berdasarkan ukuran dan kepadatannya. Setelah diperoleh sampel organel yang telah dimurnikan, maka dapat diidentifikasi komposisi protein di dalam organel.
Hal ini juga memungkinkan untuk mempelajari fungsi organel dalam tabung reaksi dalam kondisi tertentu. Sebagai contoh, mitokondria yang diisolasi dapat menghasilkan ATP dari oksidasi piruvat, asalkan disuplai dengan ADP, fosfat anorganik, dan O2 secara memadai.
Organel terbungkus membran tadi adalah produk hasil evolusi
Untuk memahami bagaimana bagian-bagian yang berbeda dari sel eukariotik modern saling terkait, ada baiknya kita memikirkan bagaimana sel tersebut berkembang dari waktu ke waktu. Para ilmuwan percaya bahwa sel eukariotik pertama mirip dengan bakteri, tetapi tidak memiliki membran internal. Sel-sel ini mengandalkan membran luarnya untuk melakukan semua fungsi yang diperlukan. Bakteri dapat melakukan hal ini karena mereka kecil dan membran luarnya cukup untuk membuat mereka tetap hidup. Namun, sel eukariotik modern jauh lebih besar dan membutuhkan lebih banyak membran untuk bertahan hidup. Mereka berevolusi dengan membran internal untuk menjaga fungsinya tetap berjalan.
Perkembangan organel terikat membran dalam sel diyakini terjadi melalui dua metode selama evolusi. Metode pertama melibatkan pelipatan membran plasma ke dalam untuk membentuk membran inti, retikulum endoplasma, aparatus Golgi, endosom, dan lisosom. Organel-organel ini secara kolektif disebut sistem endomembran dan saling berhubungan melalui vesikel kecil yang bertunas dan menyatu satu sama lain. Sebagai hasil dari asal usul evolusioner mereka, interior organel ini diperlakukan sebagai “ekstraseluler” oleh sel.
Mitokondria dan kloroplas berbeda dari organel lain karena mereka memiliki genom kecil mereka sendiri dan dapat membuat beberapa protein mereka sendiri. Mereka kemungkinan besar berevolusi dari bakteri yang diambil oleh sel pra-eukariotik dalam hubungan simbiosis. Hal ini didukung oleh kemiripan genom mereka dengan genom bakteri dan kemiripan beberapa protein mereka dengan protein bakteri. Karena asal-usulnya, mitokondria dan kloroplas terpisah dari lalu lintas vesikel pada sistem endomembran dan bagian luar sel.
Mata kuliah terkait: Biologi Sel Molekuler
Referensi
Alberts B, Bray D, Hopkin K, et al. 2014, Essential Cell Biology 4th edition, Garland Science, chapter 15
Ashby MC, Tepikin AV. ER calcium and the functions of intracellular organelles. Semin Cell Dev Biol. 2001 Feb;12(1):11-7. doi: 10.1006/scdb.2000.0212. PMID: 11162742.