Biologi Modern

Konsep Biologi Modern dan Pandangan Reduksionisme

Di Indonesia terdapat 2 hal yang berkaitan dengan perkembangan biologi yakni bioteknologi dan biologi modern. Persoalan yang dihadapi bukan pada bagaimana mempelajari bioteknologi, namun lebih terletak pada bagaimana bioteknologi dapat menjadi solusi untuk problem kehidupan. Hal ini karena terkait dengan kultur kehidupan yaitu ketidakmampuan memanage teknologi. Jadi masyarakat perlu “melek” teknologi dalam arti bukan hanya mengerti saja, tetapi juga memahami dan menghayati.

Di sisi lain, apakah yang dimaksud dengan biologi modern? Biologi modern merupakan pandangan yang khas, cara memandang (paradigma) alam dan sistem kehidupan. Cara memandang tersebut bertujuan untuk diperolehnya kebenaran. Kebenaran dalam biologi adalah terletak pada obyeknya. Oleh karena kebenaran pada obyek, maka harus mengamati obyek seteliti mungkin dan sedapat mungkin harus mengamati keseluruhan obyek tersebut. Masakah yang dihadapi adalah obyek biologi sangat kompleks, sehingga sangat susah menjawab semua persoalan.

Biologi modern mencoba untuk memberikan analisis untuk memperoleh fakta-fakta yang bisa memperjelas konsep. Di dalam biologi modern, makhluk hidup sekecil apapun adalah organisasi, karena itu disebut organisme. Oleh karena sulitnya menjelaskan secara utuh tentang makhluk hidup akibat kekompleksannya, maka yang dipelajari harus disederhanakan. Melalui penyederhanaan, maka yang dipelajari dapat fokus dan detail, yang berakibat informasi yang diperoleh dapat utuh. Hal-hal yang sulit dijawab harus dijelaskan (disederhanakan) dengan permodelan menggunakan hukum-hukum kimia, fisika dan matematika.

Dalam kajian biologi modern, kompleksitas sistem kehidupan mengharuskan penggunaan model antara lain model-model sel yang secara struktural dibuat jauh lebih sederhana agar mudah diamati oleh indera baik secara langsung maupun melalui perangkat instrumentasi laboratorium yang ada. Model biologis umumnya berupa isolat organella (bagian dari sel) atau sekedar reaksi-reaksi molekul biologis dalam lembaran membran atau tabung reaksi. Pengembangan konsep-konsep biologi dengan cara menyederhanakan obyek penelitian, dikenal sebagai pandanganreduksionisme. Kajian dengan memakai sudut pandang ini, menghasilkan konsepsi bahwa makhluk hidup adalah suatu bentuk organisasi dengan menganggap sel sebagai unit dasar struktur dan fungsi organisasi tubuh makhluk hidup. Lebih lanjut disepakati bahwa seluruh proses hidup dianggap tidak pernah menyimpang dari kaidah-kaidah fisika dan kimia.

Kebalikan dari pandangan reduksionisme adalah pandangan holistik (kedokteran atau pengobatan Cina, India, Jawa menggunakan pendekatan atau pandangan ini). Menyederhanakan obyek harus dilakukan dengan kehati-hatian; melalui biologi modern yang berpandangan reduksionisme bisa saja dihasilkan organisme tanpa mata, sebab untuk terbentuknya mata harus ada gen khusus, gen khusus tersebut bekerja melalui enzim, dari kerja enzim akan terjadi differensiasi yang berakibat terbentuknya mata. Kalau gen atau protein enzim untuk differensiasi menjadi mata terganggu, maka tidak akan terbentuk mata. Padahal secara alami, organisme adalah dilengkapi dengan mata. Termasuk pula berbagai Genetically Modified Organism. Bahayanya bila tidak hati-hati adalah dalam biologi modern, manusia bisa dianggap sebagai reaksi kimia biasa, jadi tidak ada penghargaan (ini bila modern biology approach only).

Namun reduksionisme juga tidak bisa dihindari, walaupun merupakan keterpaksaan, sebab suatu obyek agar bisa diamati dengan lebih baik, terpaksa mereduksi bagian dari makhluk hidup, jadi menghasilkan kajian yang sempit tetapi sangat dalam.

Kebalikan dari reduksionisme adalah biologi holistik yaitu bidang bioogi yang menganggap bahwa makhluk hidup sebagai unit terkecil dan bukan merupakan organisasi. Bidang biologi yang mewakili bidang biologi holistik antara lain adalah ekologi. Di dalam ekologi, individu adalah unit terkecil, dari sinilah ekologi sering menjadi counter-measured bagi hasil-hasil kajian teknologi berbasis biologi modern.

Hubungan Struktur dan Fungsi

Di dalam biologi, dikenal hukum tentang hubungan struktur dan fungsi, dimana hal ini berlaku dalam organisasi tubuh. Jadi kalau ada struktur, mesti ada fungsi. Kalau ada struktur tetapi tidak ada fungsi, pasti sesuatu tersebut akan rudimenter. Sebaliknya, bagian yang tidak difungsikan akan mengecil. Struktur menyesuaikan dengan fungsi. Dari struktur tubuh, dapat diketahui kebiasaan.

Dalam hukum biologi, sistem kehidupan sangat efisien, artinya energinya sedikit tetapi pekerjaannya bisa sangat banyak. Konsekuensi efisiensi tinggi, akhirnya sangat kompleks. Contoh, sel manusia pekerjaannya sangat banyak dibanding sel bakteri.

Konsep Reaksi Kimia dalam Biologi

Delapan puluh persen komponen sitoplasma adalah air. Molekul air berikatan satu sama lain dengan ikatan lemah. Molekul air memiliki polaritas. Segala sesuatu yang bereaksi, paling baik kalau dalam keadaan terlarut. Muncul konsep, reaksi kimia dalam biologi adalah reaksi dalam keadaan terlarut. Air sebagai media proses kehidupan (sebagai media, tidak berpihak, semua diberi peluang yang sama).

Ikatan kimia terdiri dari ikatan kovalen, ikatan hidrogen, ikatan ion, daya Van der Walls, dan ikatan hidrofobik. Ikatan kovalen merupakan ikatan kuat antara 2 atau lebih atom dengan memanfaatkan 1 elektron di kulit atom terluar. Ikatan lemah mudah terbentuk dan mudah terlepas. Ikatan dengan kebutuhan energi rendah antara 2 atom dalam 1 molekul atau 2 atom yang masing-masing adalah anggota dari 2 molekul.

Persitiwa-peristiwa biologis adalah ikatan kimia. Senyawa-senyawa yang memiliki hidrogen membentuk ikatan lemah. Asam amino satu dengan yang lain membentuk ikatan hidrogen, sehingga polipeptida yang panjang bisa berlipat-lipat. Basa purin, pirimidin, DNA, RNA membentuk ikatan lemah pada masing-masing basa nitrogen. Ikatan lemah yang berupa ikatan hidrogen ini bisa putus, akibat panas. Contoh: air dipanaskan, lepas, ikatan hidrogen putus. DNA dipanaskan, menjadi DNA yang hanya 1 untai saja. Panas tersebut dapat diganti dengan enzim.

Atom-atom struktur tetap karena selalu menjaga jarak akibat daya van der walls, di samping juga adanya muatan listrik. Enzim + substrat ……. ikatan lemah, tetapi karena banyak menjadi kuat, ……. substrat menjadi berubah ……… produk. Pada Enzim — Substrat, kalau ikatan terlalu sedikit, maka mudah lepas dan tidak berefek. Inhibisi terhadap reaksi enzimatik ada dua yaitu competitive danallosterik. Pada allosterik, sebelum bereaksi enzim ada yang mengikat, sehingga tidak bisa bereaksi dengan substrat.

DNA (Program Kehidupan)

DNA merupakan untaian senyawa kimia yang secara jelas bisa diikuti. Dalam reaksinya: DNA ——– transkripsi ——– mRNA ——— translasi ——— protein (sebagai pelaku proses hidup). DNA dapat dikatakan tidak hanya mengkode enzim, melainkan juga mengkode protein, sebab 99% enzim adalah protein. Protein membran sel misalnya, bersifat hidrofilik dan hidrofobik, ini agar protein tidak semuanya berada di luar membran atau semuanya di dalam membran, sebab kalau semua berada di dalam atau semua berada di luar maka tidak bisa memfasilitasi pengangkutan zat. Protein dapat bergerak, karena dia adalah pelaku proses hidup, misalnya aktin dan miosin.

Molecular Cell Biology (MCB)

Molecular Cell Biology adalah kajian biologi sel dengan pendekatan molekular. Biologi modern pada intinya adalahmolecular biology. Istilah biologi sel sendiri pada saat ini berbeda dengan sitologi. Sitologi adalah istilah yang dipakai untuk bidang ilmu yang mempelajari sel pada era sebelum 1980. Bedanya dengan biologi sel, sitologi hanya mempelajari tentang struktur dan fungsi pada sel saja. Sedangkan pada biologi sel, disamping mempelajari struktur dan fungsi, juga menekankan pada kajian bahwa sel adalah sistem yang dinamik, jadi memperhatikan juga proses di dalam sel.

Molecular Cell Biology bisa diterapkan dalam taksonomi genetika yakni genetika molekular. Jadi yang dipelajari dalam genetika bukan lagi persilangan dan penurunan sifat organisme, tetapi sudah berada pada kawasan molekulnya. Hal ini sesuai dengan pandangan reduksionisme yang digunakan. Sebab ketika orang berpikir reduksionis, ada banyak hal yang dapat dikerjakan. Misalnya, pada saat berbicara tentang protein, kita dapat menerapkan hukum kimia dan fisika. Berkaitan dengan statistik, biologi modern tidak terlalu mementingkan statistik, yang diutamakan adalah fakta. Logical reasoning sangat penting. Meskipun statistik mengatakan ada hubungan, bagi biologi modern adalah belum tentu, karena harus ada hubungan yang logis.

Cloning and Stem Cell Technology

1. Cloning (kloning)

Teknologi kloning merupakan penerapan ilmu genetika. Klon adalah sekelompok organisme dari genotipe identik, yang dihasilkan oleh semacam reproduksi aseksual dan beberapa proses seksual misalnya haploid yang dibentuk sendiri. Istilah klon awalnya dipakai untuk menyatakan bibit unggul tanaman karet yang diperbanyak secara vegetatif.

Tahun 1971 ke atas, ditemukan teknik baru yang memungkinkan terjadinya pertukaran DNA antar organisme yang tidak sejenis. Teknologi DNA rekombinan atau disebut kloning gena memberikan sifat yang potensial dan tidak terbatas untuk menciptakan bentuk-bentuk baru kombinasi gen yang pada saat ini tidak dijumpai dalam teknologi alami sehingga akan dapat direkayasa organisme-organisme baru.

Proses kloning dapat digambarkan secara sederhana sebagai berikut :

Ø Mempersiapkan sel stem : suatu sel awal yang akan tumbuh menjadi berbagai sel tubuh. Sel ini diambil dari manusia yang hendak dikloning.

Ø Sel stem diambil inti sel yang mengandung informasi genetic kemudian dipisahkan dari sel.

Ø Mempersiapkan sel telur : suatu sel yang diambil dari sukarelawan perempuan kemudian intinya dipisahkan.

Ø Inti sel dari sel stem diimplantasikan ke sel telur

Ø Sel telur dipicu supaya terjadi pembelahan dan pertumbuhan.Setelah membelah (hari kedua) menjadi sel embrio.

Ø Sel embrio yang terus membelah (disebut blastosis) mulai memisahkan diri (hari ke lima) dan siap diimplantasikan ke dalam rahim.

Ø Embrio tumbuh dalam rahim menjadi bayi dengan kode genetik persis sama dengan sel stem donor.

Ø Dari pengertian kloning dan prosesnya di atas yang menghasilkan individu baru dan mempunyai sifat genetik yang “identik” (sama).

2. Stem Cell

Yang dimaksud dengan stem celladalah sel yang belum mengalami differensiasi. Stem cell dapat menghasilkan atau memperbaharui dirinya sendiri, atau dapat pula berkembang menjadi satu atau lebih sel dengan tipe tertentu yang telah terspesialisasi. Sumber stem cell adalahembryonic (blastocyst dan gonadal), fetal, infant, atau adult. Stem cells harus disertai data DNA (sebelum dipakai harus dites ulang, jangan sampai tertukar); hal ini untuk kepentingan labelling. Ketika stem cell ditanam, harus mengalami differensiasi. Stem cell tidak mempunyai program kematian sel.

In Vitro Fertilization (IVF)

Secara alami pada hewan kelas tinggi dan manusia, keturunan didapatkan dengan fertilisasi, yaitu bertemunya sel-sel telur (gonad) dan sperma menjadi zigot. Zigot secara normal akan tumbuh dengan memperbanyak diri menjadi beberapa sel morula dan blastula dan selanjutnya berdifferensiasi menjadi organ-organ. Penggandaan zigot, kecuali secara alami di dalam rahim (timbulnya anak kembar), juga bisa dilakukan di laboratorium sebagaimana yang terjadi pada IVF (In Vitro Fertilization = bayi tabung). Zigot pertama adalah hasil fertilisasi, zigot yang lainnya yang berasal dari zigot pertama adalah hasil kloning.

IVF berhubungan erat dengan ART (Assisted Reproductive Technology) yaituprogram untuk membantu agar bisa terjadi pertemuan antara spermatozoa dengan ovum, agar bisa menghasilkan keturunan (bagi yang bermasalah). Di dalam IVF ini harus memperhatikan kualitas ovum (ukuran, kekeruhan, tingkat granulasi, dan sel-sel pendukung).

Problem etika dari IVF adalah pada saat pengambilan oosit dari tubuh wanita, oosit yang diambil harus banyak (jadi orangnya harus dibius). Oosit yang banyak ini untuk cadangan oosit dan cadangan embrio, karena bisa saja pada saat proses ada yang mati di tengah proses yang masih berjalan. Hal inilah yang menjadi problem etika, karena tidak semuanya setelah mencapai tahap blastula, ditanamkan kembali ke uterus.Dari sudut pandang reduksionis memecahkan masalah, namun kalau sudah menjadi komersil menjadi bermasalah.

Masalah lain : kalau yang ditanamkan kembali ke tubuh wanita, sudah terlalu besar, ini sudah terlambat, demikian juga bila masih terlalu kecil (terlalu dini) ; kedua-duanya akan menyebabkan kegagalan proses impantasi di uterus.

STRUKTUR MEMBRAN SEL

Sel memiliki sistem penyimpanan materi di dalam sel yang serupa dengan suatu kontainer yang berupa membran plasma, suatu lapisan tipis yang tidak dapat diamati dengan mkikroskop cahaya. Membran plasma ini memisahkan isi sel dari lingkungannya. Isi sel (cairan intra sel) berbeda dari lingkungan luarnya, misalnya dalam hal kandungan ion.

Sistem kompartementasi dapat terjadi karena adanya sistem membran plasma (membran sel) yang mampu mencegah proses difusi atau perpindahan molekul-molekul tertentu dari dalam ke luar atau sebaliknya dari luar ke dalam sistem membran. Kompartementasi ini memungkinkan masing-masing organel mempunyai fungsi khusus.

Semua membran sel secara umum tersusun oleh lipid dan protein, disamping juga karbohidrat dan memiliki struktur umum yang sama. Lipid, protein dan karbohidrat tersebut secara bersama menyusun membran plasma atau membran internal.

FUNGSI MEMBRAN PLASMA

Membran plasma mempunyai fungsi, sifat, struktur, dan sistem transport yang sangat penting bagi proses hidup suatu sel. Fungsi membran plasma yaitu untuk membungkus sel, membatasi perluasan sel, sebagai filter yang sangat selektif, merupakan alat untuk transport aktif, mengontrol masuknya nutrien dan keluarnya hasil metabolisme, menjaga perbedaan konsentrasi ion di dalam dan di luar sel, serta sebagai sensor untuk sinyal-sinyal yang terdapat di luar sel.

Sifat Membran Plasma

Sifat utama membran sel adalah sangat dinamis. Sifat membran yang dinamis ini sangat tergantung pada struktur dari membran plasma itu. Sebagai contoh sifat membran yang tergantung pada strukturnya adalah adanya dua lapisan lemak yang menyusun membran (lipid bilayer). Membran lemak dapat terbentuk secara spontan dari campuran lipid dalam lingkungan air bila konsentrasi lipid melampaui nilai kritis tertentu. Bila jumlah lipid kurang dari konsentrasi kritis tersebut maka lipid larut dalam air. Karena senyawa lipid ini merupakan molekul-molekul amphipatik, maka bila dalam konsentrasi cukup tinggi molekul-nolekul lipid tersebut secara spontan membentuk agregat berupa lapisan-lapisan lemak dua lapis.

Lapisan panjang lipid ini secara spontan dapat putus atau bergabung kembali satu sama lain, sehingga di dalam air sering terbentuk balon-balon vesikula. Mengingat sebagian besar komponen sel adalah air, maka prinsip inipun rupanya juga berlaku di dalam sel dengan sistem kompartementasinya. Adanya sistem membran lemak di dalam sel memungkinkan sel untuk membelah diri tanpa kehilangan isi sel. Selain dari itu, juga memungkinkan terjadinya proses endositosis dan eksositosis, bahkan mengingat akan sifat fluiditas asam lemak penyusun membran sel, memungkinkan adanya gerak pindah tempat, meskipun sel tersebut sesungguhnya tidak mempunyai alat gerak.

LIPID MEMBRAN PLASMA

Lima puluh persen (50 %) dari komponen membran plasma adalah molekul lipid yang tidak larut dalam air, dan sangat mudah larut dalam pelarut organik, sedang sisa dari komponen tersebut sebagian besar adalah protein. Molekul-molekul lipid tersusun secara teratur sebagai dua lapisan lemak (lipida bilayer) setebal 5 nm. Lipid bilayer ini merupakan barrier yang semipermiabel untuk berbagai molekul yang larut dalam air.

Ada tiga macam molekul lipid yang terdapat pada lipid membran yaituphospolipid (yang terbanyak), cholesterol, dan glicolipid. Ketiga jenis lemak tersebut bersifat amphipatic atau amphipilic, yang berarti mempunyai dua sifat yaitu bersifat hidrophilic (senang pada air/polar) dan hidrophobic (tidak senang air/non-polar). Sebagai contoh, phospolipid molekul mempunyai gugus kepala hidrophilic yang sifatnya non-polar yang dinamakanhidrophobic hidrocarbon tail.

Sebagian phospolipid dan glikolipid membentuk bilayer secara spontan apabila berada dalam lingkungan air. Sifat inilah yang menyebabkan membran sel dapat menutup kembali secara spontan apabila robek atau rusak. Sedangkan sifat penting lainnya dari membran plasma adalah fluiditasnya, oleh karena sifat ini sangat menentukan fungsi dari membran plasma.

FLUIDITAS LIPID BILAYER DANKOLESTEROL

Keenceran lipid bilayer ditentukan oleh komposisinya yaitu macam asam lemak (jenuh dan tidak jenuh) dan kolesterol. Makin banyak kandungan asam lemak tidak jenuh menyebabkan lapisan lipida makin encer. Membran plasma dapat mengalami perubahan fisika kimia (transisi fase) yaitu dari fase encer (liquid state) menjadi fase seperti agar (gel state). Jika membran banyak mengandung asam lemak tidak jenuh, perubahan fase encer menjadi fase gel lebih sukar terjadi, artinya untuk terjadinya perubahan fase memerlukan suhu yang lebih rendah.

Protein Membran Plasma

Walaupun struktur dasar dari membran adalah molekul lipid, namun fungsi fisiologis dan patologis dari membran disebabkan oleh adanya protein yang tertanam dalam lipid bilayer tersebut. Jumlah dan jenis protein yang terdapat dalam membran plasma bervariasi dari sel ke sel.

Molekul protein kebanyakan terlarut dalam lipid bilayer. Fungsi dari protein adalah sebagai media berbagai fungsi dari membran sel seperti: transport aktif molekul-molekul tertentu keluar masuk sel, sebagai enzim yang mengkatalisis reaksi-reaksi kimia yang berkaitan dengan membran plasma, sebagai penghubung struktur membran plasma dengan sitoskeleton dan atau matriks sel atau sel yang berdekatan, dan sebagai reseptor untuk menerima sinyal-sinyal kimia yang berasal dari lingkungan sel.

Karbohidrat Membran Plasma

Pada permukaan sel eukariotik didapatkan molekul karbohidrat pada permukaan selnya. Molekul yang banyak didapatkan adalah rantai polisakarida dan rantai oligosakarida yang berikatan secara kovalen dengan membran protein dan rantai oligosakarida yang secara kovalen berikatan dengan lipid (glikolipid). Jumlah karbohidrat dalam plasma membran berkisar antara 2 – 10 % dari seluruh berat membran.

Pada membran plasma didapatkan proteoglikan molekul yang mengandung rantai yang panjang dari polisakarida terkait dengan protein membran dan didapatkan terutama pada bagian luar dari membran sebagai matriks eksternal.

Sebagaimana protein membran, karbohidrat membran distribusinya juga tidak simetris, karbohidrat yang sama tidak selalu ada pada permukaan dalam atau luar membran. Rantai karbohidrat dari glikolipid, glikoprotein dan proteoglikan pada membran sel atau membran internal selalu terletak pada membran nonsitoplasma. Pada membran plasma, karbohidrat terletak di bagian permukaan luar dari bilayer dan pada membran internal karbohidrat menghadap pada lumen dari kompartemen sel.

Pada permukaan luar dari membran sel eukariotik terdapat daerah yang mengandung sangat kaya dengan karbohidrat, yang dapat ditunjukkan dengan memberikan pewarnaan rutheinium red. Selaput ini dinamakan sebagai glikokaliks. Glikokaliks selain mengandung karbohidrat, juga didapatkan glikoprotein dan proteoglikan yang disekresi sel dan diserap oleh permukaan luar membran plasma dan kemudian menjadi komponen dari matriks ekstra sel.

Oligosakarida pada sisi luar membran plasma berbeda-beda dari satu spesies ke spesies lain, dan bahkan dari satu sel ke sel lainnya dalam satu individu. Keberagaman molekul dan lokasinya pada permukaan sel membuat oligosakarida dapat berfungsi sebagai penanda yang membedakan satu sel dari yang lain. Misalnya, empat kelompok darah manusia yang ditandai dengan A, B, AB, dan O mencerminkan keragaman oligosakarida pada permukaan sel darah merah.

KESIMPULAN :

Membran plasma atau membran biologis merupakan contoh sempurna dari struktur supramolekul, banyak molekul yang disusun ke dalam tingkat organisasi yang lebih tinggi, dengan sifat-sifat baru yang muncul melebihi sifat-sifat molekul individunya. Salah satu sifat penting membran plasma adalah kemampuannya untuk mengatur transpor melintasi batas seluler, suatu fungsi yang mendasar untuk keberadaan sel sebagai sistem terbuka. Bentuk membran plasma yang mosaik fluida sesuai dengan fungsinya yaitu mengatur lalulintas molekuler sel.