BAB II KLASIFIKASI MAKHLUK HIDUP DAN POHON FILOGENETIK
2.1 Klasifikasi Makhluk Hidup Sistem klasifikasi organisme memiliki dua pandangan besar yaitu sistem klasifikasi Fenetik dan Filogeni. Sistem klasifikasi fenetik didasarkan atas kesamaan fisiologi dan genetik antar organisme tanpa memperhatikan hubungan evolusi. Metode klasifikasi fenetik tradisional bertumpu pada penampakan sifatsifat fisik seperti morfologi koloni dan bentuk sel serta fisiologi sel. Sedangkan klasifikasi filogeni didasarkan atas hubungan silsilah leluhur antar organisme. Sistem klasifikasi filogeni sangat diuntungkan, khususnya oleh penemuan metode PCR dan sekuensing DNA. Sistem ini akan bertumpu pada sistem fenetik jika tidak ditemukan kesejajaran atau kesatuan evolusi[2],[16]. Untuk memberikan sebanyak mungkin informasi, dalam penelitian ini kedua pendekatan klasifikasi makhluk hidup tersebut digabungkan dan menggambarkannya dalam bentuk pohon filogenetik. Berdasarkan sistem klasifikasi fenetik, pohon filogenetik diperoleh berdasarkan jaringan metabolik setiap organisme sedangkan berdasarkan sistem klasifikasi Filogeni, pohon filogenetik diperoleh berdasarkan urutan gen 16S rRNA. Konsep bahwa urutan nukleotida atau asam amino dapat digunakan untuk menghubungkan
organisme-organisme
dalam
bentuk
pohon
filogenetik
diformulasikan dengan jelas oleh Carl Woese dengan membandingkan urutan nukleotida RNA ribosom. Berdasarkan hasil analisisnya terhadap urutan nukleotida gen 16S rRNA yang amat lestari dari berbagai organisme, pada tahun 1977 Carl Woese menyatakan bahwa arkhae berbeda dengan bakteria dan dengan eukariota. Sehingga organisme-organisme dapat dikelompokkan dalam tiga domain yaitu Eukarya, Arkhea dan Bakteria[25]. Dalam penelitian ini terdapat 16 organisme yang terdiri dari 3 kelompok yaitu 4 Arkhea (Methanococcus
jannaschii, Archaeoglobus
fulgidus,
Methanobacterium thermoautotrophicum, Pyrococcus horikoshii), 11 Bakteria (Escherichia
coli, Haemophilus influenza, Helicobacter
prowazekii, Bacillus
subtilis, Mycobacterium
pylori, Rickettsia
genitalium, Mycobacterium
5
tuberculosis, Chlamydia trachomatis, Treponema
pallidum, Synechocystis,
Aquifex aeolicus) dan 1 Eukarya (Saccharomyces cerevisiae).
2.2 Representasi Siklus Asam Sitrat dalam Hipergraf Berarah Metabolisme meliputi anabolisme atau proses sintesis dan katabolisme atau proses penguraian. Siklus asam sitrat adalah lintas metabolik yang fungsinya bukan hanya di dalam lintas katabolisme tetapi juga di dalam banyak lintas anabolisme. Pada siklus asam sitrat, setiap enzim melakukan aktifitas katalitik bertahap yang terlibat di dalam suatu lintas metabolik tertentu. Sistim enzim seperti ini bekerja secara beruntun, saling berkaitan sehingga produk dari enzim pertama menjadi substrat bagi enzim kedua, dan seterusnya[23]. Siklus asam sitrat lengkap terdiri dari empat belas tahap reaksi kimia termasuk hubungannya dengan Piruvat, Pospoenol-piruvat dan Glioksilat. Jika terdapat dua enzim yang tidak homolog tetapi mengkatalisis reaksi yang sama, salah satunya ditandai dengan garis putus-putus dan yang lainnya ditandai dengan garis tebal[14]. Empat belas reaksi kimia tersebut adalah: sitrat sin tase ( 4.1.3.7)
1. Asetil-S-KoA + Oksaloasetat ⎯⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯→ Sitrat Akonitase ( 4.2.1.3)
2. Sitrat ⎯⎯ ⎯ ⎯ ⎯→ Isositrat Isositrat dehidrogenase (1.1.1.42)
3. Isositrat ⎯⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯⎯→ 2–ketoglutarat 2 − ketoglutarat dehidrogenase (1.2.4.2)
4. 2-ketoglutarat ⎯⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯⎯→
Suksinil-KoA (garis tebal)
2 − ketoglutarat ferredok sin oksidoreduktase(1.2.7.3)
2-ketoglutarat ⎯⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯→ Suksinil-KoA (garis putus-putus) Suk sin il − KoA S int etase(6.2.1.5)
5. Suksinil-KoA ⎯⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯→ Suksinat Suk sin il − KoA asetoasetat − KoA transferase( 2.8.3.5)
Suksinil-KoA ⎯⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯⎯→ Suksinat Suk sin at dehidrogenase (1.3.99.1)
⎯→ Fumarat 6. Suksinat ⎯⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ Fumarase( 4.2.1.2) classI
7. Fumarat ⎯⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯→ Malat
6
Fumarase( 4.2.1.2)classII
⎯→ Malat Fumarat ⎯⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ Malat dehidrogenase (1.1.1.37)
8. Malat ⎯⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯→ Oksaloasetat Isositrat liase ( 4.1.3.1)
9. Isositrat ⎯⎯ ⎯ ⎯ ⎯⎯→ Suksinat Malat sin tase ( 4.1.3.2)
10. Malat ⎯⎯ ⎯ ⎯ ⎯⎯→ Glioksilat Pospoenol − piruvat karboksikinase ( 4.1.1.49)
11. Oksaloasetat ⎯⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯→ Pospoenol-piruvat malik enzim (1.1.1.38)
12. Malat ⎯⎯ ⎯ ⎯ ⎯→ Piruvat piruvat karboksilase(6.4.1.1)
13. Oksaloasetat ⎯⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯⎯→ Piruvat piruvat dehidrogenase (1.2.4.1)
14. Piruvat ⎯⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯⎯→ Asetil-KoA piruvat ferredok sin oksidoreduktase( 2.3.1.12)
Piruvat ⎯⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯⎯→ Asetil-KoA Empat belas tahap reaksi kimia diatas, dapat digambarkan sebagai hipergraf berarah berikut:
Gambar 1 Siklus Asam sitrat sebagai hipergraf berarah
7
2.3 Analisis gen 16S rRNA Pada saat ini analisis urutan gen 16S rRNA telah banyak digunakan untuk mengidentifikasi spesies bakteri dan mempelajari taksonomi[6],[15]. Di sepanjang gen 16S rRNA terdapat daerah-daerah dengan urutan lestari (conserved). Carl Woese telah memberikan terobosan dengan membuat pohon filogenetik berdasarkan urutan 16S rRNA. Ribosomal RNA merupakan molekul purba dan tepat dijadikan sebagai kronometer evolusi karena memiliki peran penting dalam proses sintesis protein. Molekul ini mempunyai fungsi tetap, terdistribusi secara universal, bersifat sangat lestari dan perubahan yang relatif lambat. Selain itu, belum ada bukti yang menunjukkan adanya pertukaran gen secara lateral pada gen rRNA antar spesies yang berbeda. Dengan demikian gen-gen dari ribosomal RNA dapat memberikan informasi yang benar untuk menjelaskan hubungan evolusi[2],[19]. Pohon filogenetik dapat disusun berdasarkan data urutan DNA, RNA dan protein namun urutan 16S rRNA lebih disukai[25]. Perbandingan urutan gen 16S rRNA lebih berkembang. Sebab keberadaannya sangat luas pada genom dan memiliki peran penting dalam proses penurunan informasi selular. Lebih dari itu, gen-gen rRNA sangat lestari, perubahan relatif lambat, dan diduga resisten terhadap pertukaran gen secara lateral. Hasil analisis perbandingan urutan nukleotida dari gen-gen pengkode 16S rRNA atau beberapa protein digunakan untuk mengkonstruksi pohon filogenetik dan dianggap sebagai dasar pengklasifikasian seluruh makhluk hidup secara hirarki. 2.4 Pohon Filogenetik Dalam mengkonstruksi pohon filogenetik terdapat beberapa keuntungan menggunakan urutan nukleotida dibandingkan urutan asam amino suatu organisme yaitu: (1) Pengurutan nukleotida dapat dilakukan dengan lebih cepat dan murah dari pada pengurutan peptida; (2) urutan nukleotida bisa menunjukkan mutasi bisu, sedangkan analisis protein tidak bisa; (3) analisis urutan nukleotida tidak terbatas hanya pada urutan yang mengkode protein, tetapi dapat juga
8
digunakan pada gen-gen yang mengkode tRNA, rRNA ataupun bagian-bagian lainnnya dari genom[24]. Pohon filogenetik terdiri atas titik cabang yang masing-masing titik menyatakan spesies, dan cabang yang menyatakan hubungan antar spesies-spesies tersebut. Setiap cabang hanya menghubungkan dua buah titik yang berdekatan. Dengan adanya pohon filogenetik, kita dapat memperoleh gambaran tentang hubungan antar organisme tersebut. Dan hal ini akan membantu memahami sejarah dari kehidupan masa lampau mereka. Karena kehidupan masa lampau adalah sesuatu yang tidak dapat kita lihat dan hanya terjadi sekali dan organisme yang ada pada saat ini menjadi informasinya. Dalam prakteknya, terdapat dua jenis pohon filogenetik yaitu pohon tidak berpuncak (unrooted tree) dan pohon berpuncak (rooted tree)[3]. Dalam tulisan ini akan digunakan pohon berpuncak.
(a)
(b)
Gambar 2 (a) pohon filogenetik berpuncak (b) pohon filogenetik tidak berpuncak
9
2.5 Nukleotida dan Asam Amino Nukleotida merupakan unit dasar penyusun asam nukleat. Asam nukleat terdapat dalam dua bentuk, yaitu asam deoksiribosa (DNA) dan asam ribosa (RNA). Keduanya merupakan molekul polimer polinukleotida yang tersusun dari monomer nukleotida. Urutan nukleotida DNA yang menjadi kode untuk mensintesis enzim (protein) disebut dengan gen. Oleh karena itu DNA sering juga dikenal sebagai molekul pembawa sifat keturunan karena berperan dalam pewarisan sifat. Selama pembelahan sel DNA di-replikasi dan dapat dikirim ke keturunannya selama reproduksi[17]. Masing-masing nukleotida terdiri dari 3 bagian utama, yaitu (1) basa nitrogen; (2) gula pentosa yang mempunyai 5 karbon; dan (3) gugus fosfat. Basa nitrogen penyusun nukleotida terbagi dua jenis, yaitu basa purin yang berstruktur cincin ganda, dan basa pirimidin yang berstruktur cincin tunggal. Basa purin yang terdapat di dalam nukleotida ada 2 tipe, yaitu Adenin(A) dan Guanin(G). Sedangkan 3 tipe basa pirimidin biasa terdapat di nukleotida adalah: sitosin(C), timin(T), dan urasil(U). DNA dan RNA mengandung basa nitrogen A,G,C. Basa T hanya terdapat di DNA dan Basa U hanya terdapat di molekul RNA. Gula pentosa yang terdapat dalam molekul RNA adalah ribosa. Sedangkan yang terdapat dalam molekul DNA adalah deoksiribosa[24]. Suatu kelompok yang terdiri dari tiga nukleotida (kode triplet) yang berdampingan pada DNA akan ditranskripsi menjadi tiga nukleotida RNA komplementer, yang kemudian akan ditranslasi menjadi sebuah asam amino tunggal didalam rantai polipeptida. Misalnya kode triplet AUG membentuk asam amino Metionin, CGA membentuk asam amino arginin, dan sebagainya. Dengan adanya kode triplet ini, berarti terdapat 4 3 = 64 kombinasi nukleotida yang berbeda, yang jauh lebih banyak dari pada yang dibutuhkan untuk mengkode 20 macam asam amino yang berbeda. Tiap triplet pengkode disebut sebagai kodon. Protein terdiri dari rantai-rantai yang tersusun atas 20 asam amino berbeda yang dihubungkan oleh ikatan kovalen yang disebut ikatan peptida. Tabel berikut menunjukkan nama kedua puluh macam asam amino yang digunakan dalam síntesis protein[24]:
10
No 1. 2.
3.
4. 5.
6.
7.
8.
9.
10. 11.
Kodon UUU UUC UUA UUG CUU CUC CUA CUG AUU AUC AUA AUG GUU GUC GUA GUG UCU UCC UCA UCG AGU AGC CCU CCC CCA CCG ACU ACC ACA ACG GCU GCC GCA GCG UAU UAC UAA UAG UGA
Asam Amino Fenilalanin
Singkatan Phe F
No 12. 13.
Kodon CAU CAC CGU CGC CGA CGG AGG AGG AAU AAC
Asam Amino Histidin
Singkatan His H
Arginin
Arg
R
Asparagin
Asn
N
Leusin
Leu
L
Isoleusin
Ile
I
Metionin
Met
M
15.
UGG
Triptofan
Trp
W
Valin
Val
V
16.
GAU GAC
Aspartat
Asp
D
Serin
Ser
S
17.
GAA GAG
Glutamat
Glu
E
Prolin
Pro
P
18.
UGU UGC
Sistein
Cys
C
treonin
Thr
T
19.
AAA AAG
Lisin
Lys
K
20. Alanin
Ala
A
Glisin
Gly
G
Tirosin
Tyr
Y
GGU GGC GGA GGG CAA CAG
Glutamin
Gln
Q
Nonsense
-
-
14.
21.
Tabel 1: Kodon beserta asam amino
11
