Filogeni & Ontogeni Sel

Biologi Sel (Sitologi) : Mempelajari kehidupan & organisme hidup pada tingkat sel atau dibawahnya (subsel) ¾ organel, molekul.

Sitologi atau Biologi sel Berkembang dari pertengahan abad 17 hingga sekarang ditunjang oleh kemajuan ilmu dan teknologi lain yang relevan : fisika kimia matematika

Perkembangan biologi sel bertumpu pada hasil riset dengan percobaan-percobaan deskriptif dimasa lalu hingga percobaan-percobaan analitik mutakhir/ modern saat ini.

SEJARAH BIOLOGI SELRobert Hooke (1665) melihat irisan gabus (cork) dengan kaca pembesar (loop) ® kotak-kotak kecil disebut sel (cella).

Anthony van Leewenhook (1668) mengkonstruksi mikroskop I- mengamati air kolam ® organisme uniseluler

(bakteri, protozoa)- melihat nukleus pada preparat darah ikan salmon.

Dapat membedakan sel dalam berbagai bentuk dan morfologi ® pengamatan deskriptif tentang sel.

TEORI SELMathias Schleiden (1838) & Theodore Schwann (1839) mengemukakan teori tentang sel :- semua makhluk hidup (tumbuhan & hewan) terdiri dari sel yang merupakan unit terkecilnya.- setiap sel dapat berfungsi secara independent, tetapi juga dapat berperan sebagai bagian integral makhluk hidup.

Rudolf Virchow (1858), melengkapi teori tentang sel :semua sel (makhluk) berasal dari sel (makhluk) sebelumnya. (OMNI CELLULA E CELLULA)

Weissmann (1883) – kontinuitas plasma germinal ® gamet membawa plasma (germinal) yang ditransmisi- kan terus menerus dari generasi ke generasi. 1822 – 1884, Gregor Mendel menjelaskan bahwa sifat/karakter makhluk hidup dibawa dalam bentuk materi (=unit herediter) yg berpasangan ® pasangan tersebut bersegregasi dan membentuk pasangan baru pada generasi berikutnya secara random.

Materi genetik menempati lokasi tertentu pada khromosom (lokus) dijelaskan oleh Barbara McClintock (1931).Materi genetik adalah DNA yang membawa informasi & ditransmisikan dari generasi ke generasi dan diekspresikan menjadi fenotip, dijelaskan oleh Avery McLeod & McCarry (1944).

Struktur DNA diformulasikan oleh Watson & Crick (1953) dengan X-ray diffraction analysis. Penemuan struktur DNA memungkinkan penemuan & pengembangan teknologi/rekayasa dibidang biologi molekuler dengan didukung oleh kemajuan ilmu-ilmu lain seperti fisika dan kimia.

Jumlah khromosom manusia adalah 46 (22 pasang autosom + 2 khromosom sex) ¾ dibuktikan oleh Tjio & Levan (1962).

1980 ¾ sekarang ® era rekayasa dengan mengaplikasikan bioteknologi untuk mengubah dan memanipulasi sistem hidup pada tingkat molekul,sel atau organisme untuk memperoleh manfaat yang sebesar-besarnya bagi kepentingan manusia.Sel : - Unit kehidupan terkecil hewan & tumbuhan. - Struktur yang dibatasi membran dan berisi protoplasmaIsinya protoplasma = sitoplasma + nukleoplasma

Mempelajari sel diperlukan untuk mendapat pengertian mendasar tentang kehidupan.

Bidang kedokteran/kesehatan :- pengertian mendasar tentang kehidupan pada tingkat sel & molekul dalam keadaan normal dan patologis.- Diperlukan untuk pengelolaan dan manajemen kesehatan : diagnosis pengobatan rehabilitasi dll.

Sebagai unit kehidupan ® sel mampu memperlihatkan sifat-sifat hidup yang universal :1. mengekstraksi energi dari lingkungan.2. bereaksi (peka) terhadap rangsang ®tropisme.3. tumbuh dan berkembang biak ® mempertahan kan kelangsungan (kontinuitas) kehidupan.

Berdasarkan komposisi sel yang menyusunnya dibedakan organisme :- uniseluler ¾ sel adalah organisme- multiseluler ¾ organisme terdiri dari banyak sekali sel dan terorganisasi : sel ® jaringan ® organ.

Filogeni sel

Semua makhluk hidup & sel yang menyusunnya berasal dari sel ansestor yang berkembang secara evolusi melalui seleksi alam.

Proses perkembangan :1. Adanya variasi dalam informasi genetik yang ditransmisikan (diwariskan) dari generasi terdahul ke generasi berikutnya.2. Seleksi pada informasi genetik tsb, yang menyebabkan sel pengemban survive dan berpropagasi

Berdasarkan tingkat evolusinya sel dibedakan menjadi 2 golongan : 1. Sel prokariota : sel yang tidak mempunyai inti sejati karena tidak memiliki membran inti sehingga substansi inti sel tidak terpisahkan dari sitoplasmanya2. Sel eukariota. : sel yang mempunyai inti sejati, karena inti selnya tersekat oleh membran inti. Juga mempunyai organel bermembran rangkap (mitokondria pd semua sel eukariot; dan khloroplastida hanya pada eukariot tumbuh2an)

Virus : terdiri dari komponen-komponen hidup dan

dapat menunjukkan sifat-sifat hidup / aktifitas kehidupan apabila berinteraksi dengan sel hidup.

Sel mempunyai sistem (pengaturan) universal yang lestari (conserve) ® tidak berubah oleh proses evolusi :- membawa informasi genetik berupa DNA dan mentransfer informasi genetik untuk mengatur & mengontrol aktifitas kehidupan.- memproduksi dan menggunakan ATP untuk menyelenggarakan aktifitas kehidupan.Ada 3 kegiatan sel yg memerlukan ATP, yaitu aktivitas gerak, aktivitas transport, dan aktivitas sintesis.

Transfer (distribusi) informasi genetik pada tingkat sel :1. Transmisi gen (DNA) dari sel generasi satu ke sel generasi berikutnya melalui proses replikasi.2. Informasi dalam DNA diubah menjadi informasi bentuk lain & didistribusikan ke bagian-bagian sel atau lingkungan sel melalui proses transkripsi (pembentukan RNA) & translasi (sintesis protein). Alur informasi dari DNA – RNA – protein ® disebut expresi ® dihasilkan fenotip.

Sistem (pengaturan) informasi genetik dalam sel :Prokariota : - DNA terlokasi bebas di dalam sel, tidak mempunyai batas yang jelas dengan sitoplasma.- Replikasi, transkripsi dan translasi dilakukan dengan cara sederhana.

Eukariota : - DNA terorganisasi/tersusun kompleks membentuk khromatin,terletak dalam organel yang terpisah

dari sitoplasma ¾ nukleus & mitokhondria.- Replikasi,transkripsi dan translasi terorganisasi sangat kompleks melibatkan banyak enzim dan organel

Cara sel mengambil energi dari lingkungan :Autotrof : mengambil energi dari sinar matahari pada proses fotosintesis ® tumbuh-tumbuhan dan mikroorganisme berkhlorofil.

Heterotrof : mengambil molekul berenergi/organik dari substrat/makanan diantaranya dari sel autotrof.

Energi dari lingkungan diubah menjadi energi yang dapat digunakan sel melalui reaksi-reaksi yang terintegrasi & terorganisasi ® metabolisme.

Cara sel mendapatkan energiEnergi di dalam sel dibebaskan dengan reaksi oksidasi & reduksi.Reaksi oksidasi adalah reaksi pemindahan/transfer elektron dari molekul donor e- (reduktor) ke molekul aseptor e- (oksidator) ® dihasilkan reduktor baru dan oksidator baru. AH + B ¾® BH + A

Reaksi oksidasi menghasilkan energi bebas :DG = -nFDE°

DG = energi bebas n = jumlah elektron yang ditransfer F = konstan Farady 96,406 joule/dt DE° = perbedaan redox potensial antara produk & reaktan

Aliran e- dari reduktor ke oksidator adalah reaksi eksoterm/eksergonik yang membebaskan energi; DG = negatip (-).

Oksidator dapat menjadi reduktor apabila mendapatkan e- dari molekul donor melalui reaksi endoterm/endergonik yang memerlukan input energi; DG = positip (+).Sel heterotrof dibedakan menjadi 2 golongan berdasarkan caranya menggunakan aseptor elektron (oksidator)- aerob : menggunakan O2 sebagai aseptor elektron terakhir.- anaerob : menggunakan molekul selain O2

sebagai aseptor elektron.

Berdasarkan cara menggunakan donor elektron (reduktor);- khemoorganotrof : menggunakan molekul organik kompleks (gula, protein, lipid) sebagai donor elektron.- khemolitotrof : menggunakan zat anorganik (H2S, amonia) sebagai donor elektron.

VirusTerdiri dari materi genetik DNA atau RNA linier atau sirkuler dalam mantel protein dsbt kapsid. Beberapa virus diluar kapsid diselubungi envelope lipoprotein; virus berukuran 10 – 275 nm.Virus yang bebas diluar sel (virion) bersifat inert (tidak aktif) karena tidak mempunyai perangkat untuk transformasi energi, replikasi, transkripsi dan translasi.Bila virus menginfeksi sel, virus melepaskan materi genetik kedalam sel dan meninggalkan kapsul/ envelope diluar sel, atau mengalami uncoating di dalam sel.Di dalam sel DNA/RNA virus bereplikasi, bertrans kripsi dan bertranslasi menggunakan enzim dan aparat sel untuk membentuk virus baru dalam jumlah besar ® sel akan melepas virion keluar. Beberapa virus akan merusak & memecah sel ® lisis ® mati. Beberapa ada yang keluar tanpa merusak sel.Pada beberapa spesies DNA atau cDNA virus dapat berintegrasi ke DNA genom menjadi provirus ® menginduksi sel bertransformasi menjadi maligna.

Prokariota / BakteriSel sederhana terdiri dari membran dan isi sel (sitoplasma), mempunyai ukuran 10 – 70 mm.Membran plasma terdiri dari struktur yang disusun fosfolipid bilayer & protein yang tersusun mosaik. Diluar membran sel diliputi dinding sel terdiri dari komponen-komponen mukopolisakharida dan peptidoglikan (polimer/ulangan N-asetilglukosamin & N-asetilmuramat).2 Macam Bakteri: Bakteri Gram + dan gram -Dinding sel bakteri gram positip lebih tebal terdiri dari rantai peptidoglikan yang dihubungkan oleh tetrapeptida (pentaglisin), dan asam teikhoat.Dinding sel bakteri gram negatif mempunyai kandungan peptidoglikan lebih sedikit, diliputi lapisan lipid, protein dan lipopolisakharida (LPS) ® endotoxin.Di dalam sitoplasma tdpt materi genetik DNA berbentuk supercoil & menempati daerah dsbt nukleoid. Diluar nukleoid sitoplasma terdiri dari cairan sel berisi bahan-bahan dan molekul besar/ makromolekul spt ribosom (70 S) dan bahan-bahan cadangan sebagai perangkat kehidupan sel.

Bentuk umum bakteria : kokus basilifilamentspirillumspirosetavibrio

Bakteri dapat hidup di lingkungan sangat bervariasi

Eubakteria - hidup di alam/lingkungan biasa : tanah, air dan organisme lain yang lebih besar.Archaebakteria - hidup & tumbuh di lingkungan khusus, tidak ditoleransi makhluk lain ® bakteri metanogen, halofil & termoasidofil. Bakteri berkembang biak (reproduksi) dengan cara sederhana :DNA berasosiasi dengan membran plasma, bereplikasi sehingga terbentuk 2 DNA baru & diikuti segmentasi sel dengan pembentukan membran plasma/dinding sel yang membagi sel menjadi dua bagian.Dalam media biakan replikasi akan menghasilkan koloni yang terdiri dari jutaan sel dalam waktu singkat.Beberapa bakteri membentuk endospora ® struktur miniatur yang dpt membentuk sel baru secara vegetatif

EukariotaSel dengan tingkat evolusi sempurna.Uniseluler : yeast, amuba, protozoa.Multiseluler : binatang & tumbuh-tumbuhan

terorganisasi sel - jaringan - organKomposisi sel : sistem membran

organelsitosolsitoskeleton

Sistem membran :Terdiri dari lipid lapis ganda (bilayer) dan protein tersusun secara mosaik. Molekul protein dan lipid berinteraksi dengan ikatan nonkovalen.Komposisi dan jenis lipid/protein yang menyusun membran sel bervariasi menurut jenis, fungsi sel dan spesies.Membran sel eukariota melipat/melekuk ke dalam sitoplasma & bermodifikasi membentuk organel.· Lipid membran sel ¾ Fosfolipid (bag. terbesar) bersifat amfifatik ¾ mempunyai bagian hidrofobik & hidrofilik ® membentuk misel dalam air/larutan.· Protein membran sel ¾ intrinsik /integral

extrinsik/peripheral fungsi protein membran : - komponen struktural - saluran/channel/pori (melewatkan ion & molekul). - enzim /kofaktor - reseptor - marker (penanda) genetik, dll. · Karbohidrat terikat pada lipid & protein di permukaan luar membran sel.

Organel yang dibentuk dari sistem membran :1. Nukleus- organel mempunyai ukuran paling besar.- terdiri dari 2 lapis membran : membran luar & membran dalam ® membentuk porus.- di dalam nukleus terdapat materi genetik DNA yang berinteraksi dengan oktamer histon & terorganisasi membentuk khromatin. Khromatin berkondensasi membentuk khromosom pada waktu mitosis.Materi genetik (DNA) tdpt dalam organel nukleus & mitokhondria.Di dalam nukleus DNA dikemas berikatan dengan histon oktamer (H2A H2B H3 H4 )2 H1 ® nukleosom.Polimer nukleosom ® khromatinKondensasi khromatin ® Khromosom (waktu mitosis)

2. Endoplasmik retikulumTerdiri dari membran selapis membentuk kantong-kantong pipih meluas memenuhi hampir seluruh isi sel. Merupakan tempat sintesis protein dan lipid membran sel atau yang akan disekresikan keluar sel.

3. Aparatus golgiKelanjutan endoplasmik retikulum mempunyai bentuk sisternae dengan ujung-ujungnya mbtk perluasan (vesikel). Vesikel dapat lepas dari sisternae & bermigrasi membawa protein yang siap dideposit pada membran sel atau disekresikan keluar sel. Berfungsi sebagai tempat untuk penyempurnaan (maturasi) protein & lipid membran sel atau yang disekresikan keluar sel.

4. LisosomOrganel yang dibentuk oleh selapis membran; berisi enzim-enzim hidrolisis yang dapat menguraikan molekul besar atau partikel asing yang masuk atau di fagosit sel.

5. Mikrobodi (peroksisom)Seperti lisosom berisi enzim oksidase ® menetralkan peroksida (H2O2) yang dihasilkan oleh reaksi-reaksi oksidasi dengan O2.

6. MitokhondriaOrganel penting, terdiri dari dua lapis membran, mbr luar & mbr dalam, berbentuk oval. Mbr dalam mbtk perlekukan ke arah dalam disebut kristae. Mbr dalam mbtk ruangan diisi cairan dsbt matriks mitokhondria. Di dalam matriks terdapat DNA, ribosom, dan enzim-enzim untuk reaksi aerob. Di dalam matriks dan krista mitokhondria terjadi reaksi transformasi energi ® menghasilkan ATP melalui reaksi aerob.

Sitoskeleton (kerangka sel)Terdapat di dalam sitosol, dibawakan oleh mikrotubul dan mikrofilamen.Mikrotubul : berbentuk tubulus, disusun oleh protein globuler tubulin.Mikrofilamen : berbentuk filamen, disusun oleh protein globuler aktin.

Fungsi sitoskleton : menentukan morfologi sel aparat gerak (motilitas) aparat untuk pembelahan sel (mitosis) ® spindel.

PENURUNAN SIFAT BERDASARKAN HUKUM MENDEL Genetika : Ilmu yang mempelajari heriditas· Mempelajari bagaimana informasi genetik ditransfer (ditransmisikan) dari satu generasi ke generasi berikutnya.· Mempelajari bagaimana informasi genetik diekspresi- kan oleh organisme pengembannya.

Manfaat :- Dapat menjelaskan penurunan/pewarisan sifat (karakter) antar generasi.- Memungkinkan manipulasi genetik dengan persilangan/perkawinan selektif atau perubahan artifisial pada materi genetik untuk menghasilkan makhluk dengan karakter yang diinginkan.

PENURUNAN SIFAT Sifat atau karakter seorang anak ditentukan oleh ayah dan ibunya melalui materi hereditas yang terdapat dalam kromosom.Pewarisan sifat dari orang ke anaknya terjadi pada saat fertilisasi.

PENURUNAN SIFAT Gregor Johann Mendel abad ke-19 Sebagai Bapak GENETIKA prinsip-prinsip pewarisan sifat

Keuntungan menggunakan kacang ercis : - karakter bervariasi

Cepat berbuah Berkembang sendiri tanpa persilangan Menyerbuk sendiri

Penurunan/pewarisan karakter (inheritance).1. Penurunan inbred ¾® binatang/tanaman satu galur (inbreeding animals/plants)Dihasilkan oleh perkawinan organisme dari galur yang sama :bunga ♂ X bunga ♀ dari satu tanaman (satu pohon)binatang ♂ X binatang ♀ dari induk yang samaPerkawinan/persilangan inbred beberapa generasi menghasilkan galur murni (pure line) ¾® mempunyai faktor heriditas (genotip) dan karakter (fenotip) yang sama pada semua generasi. Galur murni (pure line) ¾ faktor heriditas dari ayah (paternal) dan ibu (maternal) yang sama (homozigot) diemban oleh semua anggota generasi.

AA X AA aa X aa ↓ ↓ AA AA AA aa aa aa

Persilangan inbred dari organisme homozigot menghasilkan keturunan yang seluruhnya identik.

2. Organisme yang berlainan galur bila dipersilangkan (cross hybridization) menghasilkan keturunan campuran (hibrid) ¾® membawa faktor heriditas (genotip) dan karakter (fenotip) dari induk ♂ Maupun induk ♀

AA X A1A1 ↓ AA1

Binatang/tanaman hibrid mempunyai fenotip bentuk intermediate (campuran) dari kedua induknya.

Perkawinan inbreeding binatang hibrid secara terus menerus akan menghasilkan galur murni masing-masing genotip.Binatang inbred (satu galur) dibuat/diciptakan untuk binatang percobaan ¾® tidak pernah dilakukan pada manusia.

Faktor heriditas yang menentukan genotip (materi genetik) adalah DNA ¾ berfungsi sebagai gen ® membawa determinan spesifik yang menentukan karakter suatu organisme.

Gen yang membawa determinan berbeda untuk satu karakter disebut alel.- kuning & hijau pada biji kacang polong (bean) ¾ ditentukan oleh 2 alel gen yang mendeterminasi warna biji kacang.- jangkung & cebol ¾ ditentukan oleh 2 alel gen yang mendeterminasi tinggi badan.

Persilangan dihibridEkspresi suatu alel tidak sepenuhnya tergantung/ dipengaruhi alel pasangannya, tetapi sering dipengaruhi oleh interaksinya dengan faktor lain : - faktor non-alel - faktor lingkungan

Sel yang membawa 2 alel untuk setiap gennya disebut sel diploid, sel yang membawa 1 alel setiap gennya disebut sel haploid.

Binatang & tumbuhan pada umumnya mempunyai sel somatik diploid dan gamet yang haploid.Alel yang dibawa oleh bagian terbesar organisme (terdapat hampir pada semua anggota spesies) disebut alel wild type (wt).

Alel yang ditemukan pada beberapa (sebagian kecil) anggota spesies disebut alel mutan.Contoh Alel gen warna mata pada Drosophylla melanogasterw – alel mutan ® mata putihW – alel wt ® mata merahhomozigot wt ¾ WW ® mata merahhomozigot mutan ¾ ww ® mata putihheterozigot ¾ Ww ® mata merahWt tidak selalu menutup ekspresi mutan.

Contoh : Gen warna bunga :Alel wt – A ® merahAlel mutan – a ® putih

AA ® bunga merah aa ® bunga putih Aa ® bunga merah jambu (pink)

® pembentukan/produksi pigmen merah proporsionel dengan dosis (jumlah) gen wt. Alel wt (A) disebut incomplete dominance atau partial dominance Alel dari gen yang sama mengkode protein dengan struktur/karakter berbeda ® kodominanContoh :anemia bulan sabit (sickle cell anaemia)HbsHbs – sel dengan gen sickle homozigot membawa hemoglobin sickle (abnormal) ® anemia berat atau fatal.HbsHBA – gen sickle heterozigot ® anemia ringan ¾ mempunyai sel sabit dan sel normal yang seimbang.

Golongan darah ABO

golongan darah A dan B ditentukan oleh antigen (protein) pada permukaan eritrosit yang berbeda & dideterminasi oleh alel yang berbeda golongan darah genotip antigen A IAIA A B IBIB B AB IAIB AB O IOIO O A IOIA A B IOIB B Genetika non-Mendel ¾ Modifikasi hukum MendelBeberapa sistem penurunan/pewarisan dapat terjadi sebagai pengecualian (penyimpangan) cara/hukum Mendel dalam hal segregasi dan penyatuan alel secara random.

Alel lethal Alel yang berimplikasi pada kemampuan hidup (survival) individu yang mengemban alel tersebut ® organisme (individu) yang mengemban alel homozigot akan mati ® mengubah rasio MendelContoh :Ayam creeper mempunyai (menderita) sayap dan cakar yang tidak berkembang (vestigial). Apabila 2 ayam creeper disilangkan, akan dihasilkan generasi ke 2 terdiri dari 2 ekor creeper dan seekor ayam normal (bukan 3 : 1).Alel creeper (C) dominan pada ekspresi sayap dan cakar, tetapi resesif pada viabilitas (kemampuan hidup) ayam.

CC – lethal, mati sebelum menetasCc – ayam creeper cc – ayam normal, berkembang hingga

dewasa Achondroplastic dwarfism ¾ menderita lengan & kaki pendek (cebol), membawa alel heterozigot (Xx).Bila 2 penderita achondroplasia menikah (Xx X Xx) ®satu diantara 4 anaknya meninggal sebelum lahir atau segera setelah lahir.XX – meninggal karena achondroplastik akut Xx – dapat hidup dengan lengan & kaki tidak berkembang (cebol)xx – normal tanpa cacat lengan & kakiPewarisan sitoplasmik (cytoplasmic inheritance)

Mitokhondria adalah organel yang memiliki DNA otonom (bebas dari DNA genom). Pada waktu fertilisasi kepala sperma berpenetrasi ke dalam ovum dan meninggalkan bagian lain (ekor) yang mengan-dung mitokhondria di luar sel (ovum).¾® zigot hanya mendapat mitokhondria dari ovum (maternal) ¾ DNA mitokhondria diturunkan menurut garis maternal : dari ibu ke anak dari anak perempuan ke cucu, dst.Penurunan rangkai sex (sex linked inheritance)Alel (gen) yang menempati lokus pada khromosom sex meskipun mengekspresikan determinan non-sexual disebut “terangkai sex”.

Penurunan terangkai Xalel resesif ditransmisikan dari wanita (ibu) carrier ke anak laki-lakinya, atau dari isteri carrier dan suami penderita ke sebagian anak-anak perempuannya dan seluruh anak laki-lakinya.Penurunan sifat rangkai seks

Terangkai kromosom-X dominan : An-enamel tidak mempunyai lapisan email yang melindungi permukaan gigi sehingga penderita penyakit ini menjadi sensitif terhadap makanan yang panas, dingin ataupun asam sehingga gigi mudah rusak. Anenamel dilambangkan dengan huruf A karena kelainan ini diturunkan secara dominan. Penyakit ini lebih parah pada laki-laki XAY karena laki-laki hanya mempunyai satu kromosom X. Pada wanita menjadi parah jika kedua kromosom X nya membawa gen A (XAXA).Sedangkan wanita yang mempunyai gen A pada salah satu kromosom Xnya yaitu XXA dinamakan wanita carier atau wanita pembawa gen anenamel. Pola penurunan sifat-sifat yang terangkai kromosom X disebut Criss cross inheritence yaitu penurunan menyilang .Artinya : Bila kelainan ini dibawa oleh ibunya maka akan diturunkan kepada anak laki-lakinya karena kromosom X pada laki-laki pasti berasal dari ibunya. Bila kelainan ini dibawa oleh ayahnya maka akan diturunkan kepada anak perempuannya karena ayah hanya akan memberikan kromosom Xnya kepada anak perempuan. Penurunan secara Mendel (Mendelian inheritance) pada manusia / kedokteran1. Huntington disease ¾ degenerasi gradual sistem syaraf ® menyebabkan kelumpuhan & kematian dini. Setiap penderita mempunyai sekurang-kurangnya salah satu orang tua menderita penyakit yang diturunkan. 2. Faktor Rhesus (Rh)

Kelinci diimunisasi eritrosit kera Macaca rhesus ® anti Rh (Ab).

Rh Ab + darah Rh+ (Kaukasia) ¾® aglutinasi (+)Rh Ab + darah Rh- (non-Kaukasia) ¾® aglutinasi (-)

Rh+ dominan terhadap Rh- Rh+ Rh+ X Rh- Rh- ↓ Rh+ Rh- (anemia hemolitik / eritroblastosis fetalis)

Anak (Rh+) diturunkan oleh orangtua (Rh+), orangtua (Rh-) tidak pernah melahirkan anak (Rh+).

3. Cystic fibrosis ¾ Kelainan kelenjar eksokrin - memproduksi mukus (sekret) sangat pekat. - kandungan NaCl tinggi pada keringat. - efek pada saluran pernafasan ¾ mudah terinfeksi ® meninggal pada usia muda.

Orang tua normal mungkin mempunyai anak cystic fibrosis. Orang tua yang mempunyai anak cystic fibrosis, kemungkinan mempunyai anak cystic berikutnya adalah ¼. Aa X Aa ↓ Aa Aa Aa aa

POLIGEN & MULTIFAKTOR DWI ANITA SURYANDARIDepartemen Biologi Kedokteran FKUI FAKTOR POLIGENI DAN MULTIFAKTORIALPewarisan genetik ada 3 macam/pola:Single gene faktor = satu fenotip dipengaruhi oleh faktor gen tunggalPoligeni = satu fenotip dipengaruhi oleh banyak genMultifaktorial = satu fenotip dipengaruhi oleh banyak gen yang berinteraksi dengan faktor lingkunganAutosomal Recessive DisordersIn this pattern, the child is affected but neither parent is affected.Therefore, since the parents are heterozygous, they can be called carriers.Recessive disorders can by passed on by parents who are unaffected (ie. Albinism).Tay-Sachs Disease.Allele located on chromosome 15.Jewish of central, eastern European descent.Lysosome build-up in brain, leads to progressive neurological / psychomotor deterioration.Autosomal Recessive Pedigree ChartAutosomal Dominant DisordersIn this pattern, the child and at least one parent are affected, due to a dominant allele on an autosomal chromosome.Dominant disorders are passed on by a parent who has, or will develop, the disorder (ie. Achondroplasia, brachydactyly, hyercholesterolemia, Marfan syndrome).Neurofibromatosis (NF) Also known as von Recklinghausen disease.Allele located on chromosome 17.Huntington Disease (HD).Allele located on chromosome 4.Autosomal Dominant Pedigree ChartBeyond Simple Inheritance PatternsUnfortunately, life is not so simple as simple dominance problems would imply.There are complicating factors, other patterns of inheritance. . . . Polygenic (Multifactorial) Inheritance.Polygenic - one trait is governed by two or more sets of alleles.Continuous variation of phenotypes.Skin Color, height, weight, metabolic rate, behavior, intelligence.

Multifactorial - a polygenic trait that is particularly influenced by the environment.

Polygenic (Multifactorial) InheritanceEnvironmental InfluencesThe environment can influence the phenotype.Human disorders include: cleft lip/palate, club-foot, hypertension, diabetes, schizophrenia ……For example: Siamese cats, Himalayan rabbits are darker in color at the ears, nose, paws, and tail.Why?Homozygous for allele involved in melanin production (ch) via produced enzyme that is active only at lower temperature………Therefore, black fur occurs at the extremities where body heat is lost to the environment!Polygenic traits seem to be particularly influenced by the environment.Beyond Simple Inheritance PatternsIncomplete Dominance and Codominance.Codominance occurs when alleles are equally expressed in a heterozygote.Example: human blood type AB.Incomplete Dominance is exhibited when the heterozygote has an intermediate phenotype between that of either homozygote.Familial hyper/cholesterol/emia (FH)Sickle Cell Disease.HbA vs. HbS Heterozygotes protected from malaria.Multiple alleles of rabbit fur

c+ - allele for wild typecch - allele for chinchillach - allele for himalayanc - albino

dominancy rank : c+ > cch > ch > c thus, cch c ® chinchilla ch c ® himalayan etc. MHC system – code for major histocompatibility complexantigens ® surface proteins determine for tissue incompatibilities.

Human MHC ® HLA system – code for human leukocyte antigens (transplantation antigens) :- determine tissue incompatibilities in humans- mediate distinction of self from nonself- mediate antigen recognition by T cell receptor (TCR) HLA gene :

- situated in the locus 6p21-23- contain 3 main regions : HLA class I, HLA class II, HLA class III- HLA class I consist of 3 subregions : HLA-B; HLA-C; HLA-A- HLA class II consist of 3 subregions : HLA-DR; HLA-DQ; HLA-DP- each subregion has plenty of alleles ® generate large number of genotype variants among individuals.- each genotype express specific surface proteins which varies among individuals, though they are siblings of one generation.

Diseases associate with HLA allotypes (HLA antigens) Single gene diseases versus polygenic diseases Polygenic trait characteristicsCommonUnlike single gene traitsMulti-gene involvementEach gene has varying effects on trait occurrence and developmentOften have major non-genetic influencesi.e. environmental factorsUnclear transmittance patternsType II diabetesHyperglycaemia, developing in the adultPancreas produces insulin but cells are resistantPolygenic disease with major environmental risk factorsHigh calorie intake and low exerciseUp to 10 times more prevalent in the obesePrevalence is increasing as populations become “westernized”Risk factors for coronary artery disease Uncontrollable (but identifiable) Family history (genetics)AgeMale sexPotentially controllable or treatable Fatty dietHypertensionSmokingHigh serum cholesterolLow serum HDLHigh serum LDLStressInsufficient exerciseObesityDiabetesHow does one initially assess whether such a disease has a genetic component? Twin pair studiesRelative risk studiesDo both twins show the same characteristic or trait? Comparing MZ/DZ twins can give evidence for genetic and/or environmental influencesHeritabilityThe proportion of the causation of a character that is due to genetic causesCommon diseasesCongenital malformationsCleft lip/palateCongenital hip dislocation Congenital heart defectsNeural tube defectsPyloric stenosisTalipesMultifactorial Examples include some cases of cleft lip and palate; neural tube defects; diabetes and hypertensionCaused by a combination of genetic predisposition and environmental influences

Pattern – more affected people in family than expected from incidence in population but doesn’t fit dominant, recessive or X-linked inheritance patterns PleiotropyMost genes have multiple phenotypic effects. The ability of a gene to affect an organism in many ways is called pleiotropy.Thanks you very much&Be Successful

Population Genetics & Genetic ProbabilitiesGenetika — mempelajari penurunan karakter (trait)

dari satu generasi ke generasi berikutnya.

Suatu karakter mungkin dikontrol (dikode) oleh satu gen (monogen), beberapa atau banyak gen (poligen).

Setiap karakter (fenotip) pada satu individu dikode olehpasangan gen (alel), masing-masing berasal dari gamet paternal dan maternal yang bersatu pada pembentukan zigot.

Pada setiap individu alel tidak berubah (fixed) sejak embrio sampai akhir hidupnya.Populasi adalah kumpulan individu ® terdiri dari banyak sekali (ribuan, jutaan, dst) individu yang masing- masing membawa varian genetik (alel).Jumlah dan proporsi alel dalam satu populasi dinyatakan dalam frekuensi alel ® menentukan karakter populasi.Pd dasarnya, Frekuensi alel dalam populasi tdk berubah dr wkt ke wkt. Bila frekuensi alel berubah ® karakter populasi ikut berubah.Perubahan frekuensi alel (gen) dalam populasi berimplikasi pada adaptasi dan evolusi spesies pada habitat/lingkungan hidupnya. Urutan (tahapan) utk mengetahui distribusi dan frekuensi alel dlm populasi Dimulai dari data distribusi fenotip:Contoh dari populasi mhsw 2012, 100 orang, ada 25 orang berdaun-telinga lengket. Sisanya 75 orang menggantung.Ibu jari lurus = 36 orang, sisanya yg loengkung 64.Dg persamaan Hardy Weinberg (p + q)2 = 1, kita bisa tahu berapa frekuensi alel (l); dan L.Varian genetik (alel) yang besar berimplikasi pada kemampuan spesies untuk bertahan (survive) terhadap perubahan waktu dan lingkungan — evolusiSuatu populasi yg beraneka ragam scr genetik akan lebih mampu bertahan menghadapi tekanan seleksi dibanding populasi yg seragamVarian genetik yang kecil menyebabkan spesies kurang dapat bertahan (less survive) terhadap perubahan waktu dan lingkungan .

ContohKulit bekicot mempunyai puluhan varian ® memperlihat- kan perbedaan bentuk dan warna kulit/shell dalam puluhan variasi yang berbeda.Varian tsb dideterminasi oleh puluhan alel yang menghasilkan puluhan bentuk dan warna shell yang bervariasi ® bekicot survive terhadap perubahan waktu & lingkungan ® ada dimana-mana sejak dulu.

Cheetah — spesies yang (hampir) tidak punya varian ®hampir semua cheetah identik (low variability).Populasi yang low variability rentan terhadap perubahan waktu & lingkungan ® tidak mudah beradaptasi denganlingkungan baru ® jumlah sedikit & mudah punah karena perubahan lingkungan hidupnya.Contoh lain Populasi hewan ternak dan tanaman budidaya yg cenderung bergenotip seragamJika hewan atau tanaman tsb terkena infeksi patogen bisa punah dalam sekejap. Contoh kasus:Flu burung yang menyerang unggas ternak, mengharuskan eradikasiHama wereng, dll Variabilitas dan frekuensi gen (alel)

· Frekuensi setiap alel yang ada di dalam populasi mendeskripsikan karakter populasi tersebut.

· Setiap gen minimal mempunyai 2 alel. Variabilitas anggota populasi ditentukan/dideterminasi oleh komposisi alel dari gen yang diekspresikan.

· Populasi yang berbeda dari spesies yang sama tidak selalu mempunyai frekuensi alel yang sama.

Menentukan frekuensi genotip dan frekuensi alel gol. darah M dan N. Setiap lokus mempunyai alel M atau N, menghasilkan genotip MM, MN dan NN

Frekuensi alel M ¾ f(M) = (2 x 1787) + 3039 = 0,5395 2 x 6129

N ¾ f(N) = (2 x 1303) + 3039 = 0,4605 2 x 6129

Frekuensi satu alel dinyatakan p dan lainnya q p = 0,5395

q = 0,4605

p + q = 1

Suatu populasi disebut polimorfik apabila kedua alel tersebut bersegregasi (menurut hk. Mendel), dan frekuensi salah satu alelnya tidak kurang dari 0,01. Hukum Hardy-Weinberg :Persamaan Hardy Weinberg (p + q)2 = 1; jika suatu gen tda 2 alel. Jika suatu gen tda >2, maka persamaan Hardy Weinberg adalah (p + q + r)2 = 1Perpaduan 2 konsep Hardy & Weinberg.Hk Hardy Weinberg menyatakan bhw distribusi dan frekuensi alel dlm populasi itu tetap dari generasi ke generasi asalkan memenuhi syarat di bawah ini

Memprediksi frekuensi gen yang ditransmisikan dari satu generasi ke generasi berikutnya dengan asumsi (syarat) :1. populasi besar (tidak terbatas)2. perkawinan bebas antar anggota populasi (random mating).3. tidak ada “evolutionary forces” yang menyebabkan perubahan komposisi populasi - mutasi

migrasi dan seleksi Frekuensi gen (alel) akan tetap seimbang (equilibrium) dari generasi ke generasi.

Frekuensi gen untuk generasi berikutnya adalah : (p + q) (p + q) = p2 + 2 pq + q2

p2 untuk genotip AA 2 pq untuk genotip Aa

q2 untuk genotip aaKeseimbangan HW dipertahankan apabila :

1. Populasi besar & tidak terbatas (infinit) Introduksi atau pengurangan beberapa anggota populasitidak mengubah frekuensi gen/alel dalam populasi ® tidak mengubah keseimbangan (HW).

Apabila populasi kecil - mungkin terjadi genetic drift ® perubahan frekuensi gen karena deviasi/penyimpangan dari frekuensi yang sebenarnya/seharusnya. 2. Random mating (perkawinan bebas)RANDOM MATING = PERKAWINAN TANPA MEMILIH GENOTIP (YG DIAMATI). Di dalam populasi persilangan/perkawinan antar lokus terjadi proporsional dengan frekuensi gen tsb.

f(M) = 0,91 f(N) = 0,09

® probabilitas M x M = MM adalah : 0,91 x 0,91 = 0,828

Apabila terjadi deviasi frekuensi gen (tidak seimbang) ® tidak terjadi perkawinan bebas.

Pada manusia random mating terjadi pada lokus tertentu & tidak terjadi pada lokus lainnya :- preferensi perkawinan tidak ada pada golongan darah M & N, tetapi terjadi pada intelegensia dan penampilan ragawi.

Frekuensi genotip yang dihasilkan pada perkawinan alel dengan frekuensi p dan q sesudah 1 generasi menurut Hardy & Weinberg.Frekuensi alel tidak akan berubah dari generasi ke generasi.

p = f(AA) + ½ f(Aa) = p2 + ½ (2 pq)

= p2 + pq = p (p + q)

= p (p + (1 – p))

p = p ® tidak berubah3. Tidak ada “evolutionary forces” yang mengubah komposisi populasi.

“Evolutionary genetics” :

· Hukum Hardy-Weinberg : Populasi yang berada pada genetic equilibrium mempunyai frekuensi alel yang tidak berubah dari generasi ke generasi.

· Karakter populasi berubah (=evolusi) ® frekuensi gen/alel dalam populasi harus berubah. Ketahanan (fitness) ¾ potensi mempertahankan frekuensi alel (dalam populasi), tergantung pada : - viability ¾ kemampuan mempertahankan diri (dari

perubahan lingkungan). - fertility ¾ kemampuan bereproduksi.

Apabila ketahanan (fitness) anggota populasi berubah® viabilitas & kapasitas reproduksi (dalam populasi) berubah ® mengubah karakter populasi (=evolusi).Beberapa faktor yang mempengaruhi (mengubah) frekuensi gen/alel :- mutasi- migrasi- seleksi

Mutasi· dapat menguntungkan (beneficial), merugikan (harmful), atau tidak berpengaruh (neutral).· mutasi yg menguntungkan akan memperbaiki/mening- katkan ketahanan (fitness) anggota populasi ® frekuensi alel meningkat dari generasi ke generasi.· mutasi yang merugikan berpotensi menurunkan fitness anggota populasi ® mengeliminasi alel/gen termutasi pada beberapa generasi. mutasi mungkin hanya menyebabkan perubahan alel ¾ mengubah fenotip ® mengubah proporsi alel. contoh: mutasi gen yg mengubah dominan ® resesif.· mutasi dapat menciptakan alel baru - mutasi dapat merusak & membinasakan. - apabila lingkungan berubah, alel mutan mungkin

diuntungkan & menjadi survive ® alel dominan pada populasi tsb. - mutasi yg menguntungkan akan menyebabkan spesies menyebar ke populasi lain melalui migrasi.Migrasi

1. Suatu populasi dapat tertutup atau terbuka.2. Migrasi adalah perpindahan anggota populasi ke populasi lain dengan mengintroduksikan alel (baru) ke populasi tujuan, yaitu apabila migran berhasil kawin dengan anggota populasi yang didatangi ® terjadi “Gene flow”.3. Migran akan mengubah frekuensi (keseimbangan) gen dengan menambah (kopi) alel yang sudah ada atau dengan membawa alel baru (mutan) ke dalam populasi tersebut.4. Akibat migrasi : - perubahan/peningkatan variabilitas. - meningkatkan ketahanan spesies. Seleksi

Mutasi dapat menyebabkan terekspresinya sifat (bentuk) baru. Sifat ini dapat berimplikasi pada ketahanan anggota populasi.

Apabila ketahanan tersebut menyebabkan perbaikan /kemajuan reproduksi ® alel yang dibawa akan menjadi prevalen (dominan) di dalam populasi.

Dpl ¾ alel tsb terseleksi menurut teori Charles Darwin ® alel tsb mengalami seleksi alam (natural selection)

Teori Evolusi Darwin :Seleksi alam mendorong terjadinya evolusi Probabilitas & Aplikasinya

Certainty vs ProbabilityKepastian vs Kemungkinan

Masalah Genetik

- Tidak/sulit untuk dijawab dengan pasti : ya atau tidak

- Informasi yang mendukung sering kali tidak tepat (unqualified) /nyata.

- Dapat dijawab dengan “probabilitas” (kemungkinan), mempunyai peluang 0% – 100 % 0% ® tidak akan terjadi 100% ® pasti akan terjadi Contoh :

1. Bila anak pertama sepasang suami & isteri lahir, berapakah

kemungkinan akan lahir seorang manusia ?

Jawab : Kemungkinan (probailitas) nya adalah 1 (100%), karena sudah pasti , p = 1 Kemungkinan alternatifnya adalah absurd (0%), tidak akan terjadi , q = 0 (berapakah kemungkinan akan melahirkan bukan manusia ?)

p & q adalah kemungkinan alternatif, p + q = 1 2. Berapa kemungkinan anak pertama yang akan lahir adalah anak laki-laki ? Jawab : Ada 2 alternatif – laki-laki atau perempuan selalu akan muncul pada satu kelahiran.

Kemungkinan anak pertama lahir laki-laki adalah ½, p = ½ atau 50%. Kemungkinan alternatifnya adalah lahir bukan laki-laki (perempuan) adalah ½, q = ½ atau 50%. p + q = ½ + ½ = 1

Combine probabilities (probabilitas kombinasi/ganda)

- Meramalkan suatu kejadian (probabilitas) apabila ada kejadian ke 2 atau ke 3, dst.

- Satu peristiwa yang berdiri sendiri jarang sekali terjadi, tetapi (mungkin sekali) dipengaruhi peristiwa lain yang bekerja pada obyek yang sama.

Contoh :

Berapakah kemungkinan dalam satu kelahiran dilahirkan anak laki-laki atau perempuan ?

Jawab : Yang terjadi (dilahirkan) pasti kalau tidak laki-laki adalah perempuan. Probabilitasnya adalah 100% atau 1. probabilitas lahir laki-laki p = ½ probabilitas lahir perempuan q = ½ probabilitas lahir laki-laki atau perempuan adalah

p + q = ½ + ½ = 1.Peristiwa akan lahir seorang laki-laki atau perempuan adalah mutually exclusive (tidak tergantung satu dengan yang lain) ® kelahiran seorang laki-laki pasti tidak (tidak mungkin) terjadipada kelahiran seorang perempuan dan sebaliknya.Mutually exclusive lebih dari dua kemungkinanPerkawinan individu dengan golongan darah A dan B heterozigot

IAIo X IBIo

¯ IAIB IAIo IBIo Io Io

AB A B O

probabilitas AB p = ¼ p + q + r + s = 1 A q = ¼ B r = ¼ O s = ¼

Probabilitas tiap kejadian mutually exclusive bisa tidak seragam

Probabilitas dengan mutually independent – kejadian pertama tidak berpengaruh pada kejadian kedua, ketiga, dst.

Berapakah kemungkinan mendapat 2 anak, anak pertama laki-laki & anak kedua perempuan.

Jawab : kelahiran anak pertama tidak berpengaruh terhadap kemungkinan kelahiran anak kedua

probabilitas kelahiran anak laki-laki p = ½ perempuan q = ½2 kejadian independen untuk terjadi (muncul) bersama-sama (dalam keluarga) mempunyai peluang hasil kali probabilitas masing-masing ® kemungkinan anak ke 1 laki-laki & anak ke 2 perempuan adalah p x q = ½ X ½ = ¼

Berapa kemungkinan 5 anak dalam satu keluarga dengan komposisi laki-laki, perempuan, perempuan, perempuan, laki-laki.

Jawab : p = ½ ; q = ½ probabilitasnya = ½ x ½ x ½ x ½ x ½ = 1/32

Probabilitas kombinasi untuk 2 kejadian mutually independent

Berapa kemungkinan anak laki-laki hasil perkawinan karier albino (Aa) adalah normal. Aa x Aa ¯ AA Aa Aa aa normal : albino = 3 : 1 ® probabilitas lahir normal r = ¾

albino s = ¼ probabilitas lahir laki-laki p = ½

perempuan q = ½Kemungkinan lahir anak laki-laki normal dari perkawinan tsb adalahp x r = ½ x ¾ = 3/8Kemungkinan lahir anak perempuan albino adalah q x s = ½ x ¼ = 1/8 Kemungkinan keluarga tsb mempunyai 1 anak laki-laki normal atau 1 anak perempuan albino adalah 3/8 + 1/8 = ½

Kemungkinan (probabilitas) lebih dari 2 alternatif

Pada keluarga dengan 3 anak (perkawinan karier albino), berapa kemungkinan didapat 1 anak laki-laki normal, 1 perempuan normal dan 1 laki-laki albino.

Dapat dihitung dengan (p + q + r)3 ® menjadi sulit kalau variabel bertambah. Gunakan formula n ! ps qt

s! t ! N = jumlah kejadian p & q = probabilitas laki-laki & perempuan s & t = komposisi laki-laki dan perempuan ® 2 laki-laki & 1 perempuan n ! ps qt

s! t !

3 ! ( ½)2 ( ½)1 = 3 x 2 x 1 ¼ ½ 2 ! 1 ! 2 x 1 x 1

3 x 1/8 = 3/8 Terima Kasihatas Perhatian Anda(p + q)2 = 1(p2 + 2 (pq) + q2 = 1(q)2 = 1/10000 à (q) = 0,01 = frekuensi alel a(p) = 1 – 0,01 = 0,99 = frekuensi alel AAA = (p)2 = (0,99)2 X 10000 = .......... Normal horozigot dominan2 (Aa) = 2 (0,01) (0,99) = .................. Normal heterozigot

Penggunaan Molekular Marker dalam bidang Medik Molecular marker Marker molekuler = molekul2 yg dapat dijadikan penanda molekuler untuk keperluan diagnosis kelainan genetik, atau penyakit genetik.Contoh: penyakit kanker. Umumnya kita mnegtahui adanya kanker pada stadium 4 (metastasis).Pada stadium yg awal sulit dideteksiMolecular marker dapat membantu mendeteksi kanker pada stadium awal. Contohnya dengan teknik ELISA = Enzyme Linked ImmunoSorbant Assay. Molecular marker Selain indentitas permukaan seluler, juga ada identitas sitoplasmik (sitoskeleton), dan identitas DNA. Prinsip deteksi molekular Tiap individu, atau tiap sel individu mempunyai indentitas molekuler seluler pada permukaan sel tersebut.Identitas molekuler bisa berubah karena mutasi (menyebabkan kanker) bisa dikenali dg molekular marker

Contoh-contoh identitas molekuler permukaan sel: golongan darah ABO, golongan darah MN, Rhesus, HLA (MHC). Cara identifikasi molekuler Identifikasi molekuler ditentukan dengan 3 macam teknik:Western BlottingSouthern BlottingNorthern Blotting Western Blotting Western blotting adalah teknik mendeteksi protein spesifik dengan cara reaksi Antigen – Antibodi secara in vitro.Protein Antigen = protein asing = protein yang hendak dideteksiProtein antibodi (dalam serum) yang scr spesifik bereaksi dengan protein antigen = protein yang hendak mendeteksi protein antigen tsb Contoh2 populer Test kehamilanTest hepatitis = test HbsAg, dan test HbsAbTest kesuburanTest HIVTest kanker pada tahap dini. Test identitas forensik (molecular forensic)Victim identification Test kehamilan Antigen untuk kehamilan adalah protein hormon GCCProtein Antibodi anti hormon GCC terdapat kertas strip.Test + = terjadi reaksi Ag-Ab menimbulkan garis (strip) pada kertas test Southern Blotting Southern blotting adalah teknik mendeteksi DNA spesifik (DNA gen kelainan/penyakit genetik; DNA penanda individu/keluarga, dsb)Reaksi DNA-DNA = reaksi asosiasi antara DNA sense dengan DNA antisense.Untuk terjadi southern blotting perlu 2 DNADNA terlacak = fragmen DNA spesifik yg terdapat intake / yg hendak ditelitiDNA pelacak (marker molekuler_ = fragmen DNA yg komplemen dg DNA terlacak. Northern Blotting Mendeteksi RNA.Reaksi RNA-RNA komplemenReaski RNA-DNA komplemen

Isotope application in Cell & GeneticsPeni KS Mutalib Medical Physics DepartmentContentDefinition/ AbbreviationSample/ Reagent—Cell cultureBasic Principle of InstrumentMethodsFluophoreàSemiconductoràStable isotopeSoftware: ICPL Quant, Cytocluse, CytoQuick, MultiSET, CellQuest, etc. Same Z , different A: Isotopic Same A, different Z: Isobaric Isotope is a same chemical element with:Same number of protons but different number of netrons, or

Same atom number (Z) but different mass number (A): Same chemicals characteristic, but some differences in physics featuresIn nature, elements are a mixture of isotopes (except Be, F, and Na)Elements with an Z greater than that of lead (82) is a radioisotopesAbbreviation~‘Stable Isotope’SILAC, ICAT, iTRAQ in mammalian & yeast cells Stable Isotope Labelling Amino acids in Cell Culture Isotope Coded Affinity Tags Isobaric Tag for Relative and Absolute Quantitation hESC: human Embryonic Stem CellLC/MS -- GC/MS --MS/MS—Flow cytometer/MSMALDI-TOF: Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization-Time-of-Flight Mass Spectrometer; Source Nitrogen laser: 337 nm for metabolomics, peptides & protein, synthetic polymereSIRMS: Stable Isotope Ratio Monitoring (irm-GC/MS)FIRMS: Forensic Isotope Ratio MonitoringLOPIT Localization of Organelle Protein by Isotope Tagging Transfection Reagents X-SCID: X-linked Severe Combined Immune DeficienciesSemiconductor nanotechnologyNanocrystals are nanometer-scale (roughly protein-sized) atom clusters, containing from a few hundred to a few thousand atoms of a semiconductor material (cadmium mixed with selenium or tellurium), which has been coated with an additional semiconductor shell (zinc sulfide) to improve the optical properties of the material. These particles fluoresce in a completely different way than do traditional fluorophores, without the involvement of ->* electronic transitions. 488 nm à 516-655 nm Nanocrystal for cytometryQdot® bioconjugate is a generic term to describe Qdot® nanocrystals coupled to proteins, oligonucleotides, small molecules, etc., which are used to direct binding of the quantum dots to targets of interest. Examples of Qdot® bioconjugates include streptavidin, protein A, and biotin families of conjugates. Qdot® bioconjugates are often used as simple replacements for analogous conventional dye conjugates when their unique performance characteristics are required to achieve optimal results. Semiconductor and λImmunofluorescenceMulticolor immunofluorescence imaging with Qdot® secondary antibody conjugates.Laminin in a mouse kidney section was labeled with an anti-laminin primary antibody and visualized using green-fluorescent Qdot® 565 IgG. PECAM (platelet/endothelial cell adhesion molecule; CD31) was labeled with an anti–PECAM-1 primary antibody and visualized using red-fluorescent Qdot® 655 IgG. Nuclei were stained with blue-fluorescent Hoechst 33342. Isotope in DNA researchThe Meselson - Stahl Experiment E. coli bacteria were cultured for several generations in heavy nitrogen (15N - normal nitrogen is 14N) The bacteria incorporated 15N into their nucleotides and thus, their DNA Meselson and Stahl then transferred the bacteria to a medium containing 14N, Thus, any DNA that the bacteria synthesized would be lighter than the "old" DNA made with the 15N medium The DNA was extracted from the cells and centrifuged in a cesium chloride density gradient for 20 hours at 40,000rpm. The DNA migrated to a point that was equivalent to their density.

Results from the parental generation contained only a single high density band - all DNA molecules contained the "heavy" nitrogen. DNA taken from the two generations after the switch contained an intermediate-density band - DNA contained a "heavy" DNA strand from the parent and a complementary "light" DNA strand. Density results from generation 3, displayed two bands. They included an intermediate density band, composed of one parental "heavy" strand and a new light band, composed of only DNA strands with "light" nitrogen. Mixing the first and third generations showed all three types of DNA molecules - heavy, light and intermediate. 15N Labeling of DNA: Semiconservative15N Labeling of Proteins Overexpressed in E coli strain KRXThe KRX strain is suitable for applications that require efficient 15N incorporation into target proteins.These cells can be used for target cloning, protein expression, screening and protein folding/aggregation assessment by 15N HSQC or protein identification/quantitation by mass spectrometrySingle Step (KRX) Competent Cells eliminate the need to transfer the expression plasmid into another expression/labeling strain Protocol for 15N Labeling of Protein Using the Single Step (KRX) Competent CellsDay IInoculate a single colony from freshly streaked plate into 5 ml of starter culture Grow at 37oC for ~6-8 hIdem no.1 into 250ml of overnight culture Idem no.2 (< 18 h)Day 25. Harvest by centrifugation at 3.000 rpm for 10 m at 4oC6. Resuspend cell pellet in 250 ml (vol equal to overnight culture) of induction media: supplemented with IX metal mix, with 1g/L of NH4Cl or 15 NH4Cl (Cambridge Isotopes) 7. Adapt the cells at 37oC for 30 minutes to 1 h8. Induce with 0.2% (w/v) rhamnose and 0.4 mM cAMP overnight at 25oCDay 39. Collect cells by centrifugation at 5.000 rpm for 20 min at 4oCResuspend cell pellet in 25 ml of Cell Lysis Reagent with 25ul of RNase-Free DNase and protease inhibitor cocktail in 50 mlIncubate cell resuspension at room temperature for 20 minCollect the supernatant by centrifugation at 7.500 rpm for 20 min at 4oCLoad with Protein Purification Resin, wash of binding/wash bufferElute with 10 ml of elution buffer 15N Incorporation Efficiency Fig. Overlay of MALDITOF mass spectrometry traces of the unlabeled and 15N-labeled protein. The protein concentration was ~10 mg/ml; samples were anlyzed by HT Laboratories Inc.15N-labeled CRBPII expression. Panel A. Proteins from uninduced cells, induced cell lysate supernatant and eluted from HisLink Resin were analyzed by SDS-PAGE on 4-20% Tris –Glycine gels followed by Coomassie blue staining. Panel B. 1H-15NHSQC spectrum of ~1 mM 15N CRBPII in 10 mM phosphate buffer with 130 mM NaCl. Data was recorded at the National Magnetic Resonance Facility on a 750mHz spectrometer equipped with a cryogenic 1H, 15N, 13C triple-resonance probe, data points for protein and nitrogen.Nitrogen Laser: 337 nmMALDI-TOF MS: Matrix-assisted laser desorption/ionization-Time-of-flight Mass Spectrometer or other MS could use Nitrogen laser (337 nm) for seperated/QuantitationMetabolomics - Organelle/CellsPeptides

ProteinRNADNA1H, 15N, 13COther Protein research[Determination by 15N tracer kinetics of the half - life of total ... Based on 15N-tracer techniques important data of the intermediary protein metabolism can be assessed by compartment analysis. We calculated the half-life of ...www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/4010680 - kaca sing meh padha Measurement of half - life of human plasma fibrinogen of glycine into protein in a given time is. obtained from the 15N enrichment. of glycine incorpo-. rated into protein. We determined. the half-life ...ajpendo.physiology.org/cgi/reprint/234/5/E504.pdf - kaca sing meh padha Triamcinolone acetonide regulates glucocorticoid-receptor levels ... ... of receptor using media containing 2H, 13C, and 15N-labeled amino acids. ... Triamcinolone acetonide reduced the half- life in proportion to the extent of ... 10 nM [3H]triamcinolone acetonide shortened receptor half-life almost ...www.jbc.org/cgi/content/abstract/260/1/418 - kaca sing meh padha Determination by 15N tracer kinetics of the half-life of total body protein in premature and mature infants] Wutzke KD, Heine W, Plath C, Krienke L.Based on 15N-tracer techniques important data of the intermediary protein metabolism can be assessed by compartment analysis. We calculated the half-life of whole body proteins in five preterm and five full term infants in addition to commonly used parameters of the protein metabolism e.g. protein synthesis rate, protein breakdown rate, N-turnover rate, size of metabolic pool, half-life and reutilization of aminoacid-N and the rate of endogenous urinary-N. The infants were aged 27 +/- 4 and 31 +/- 13 days resp. The half-life of whole body proteins were found to be 7.5 +/- 1.8 days in the premature infants and thus significantly shorter than the 16.0 +/- 3.8 days for the full term infants. The differences in the half-life of protein as well as protein synthesis rate and protein breakdown rate reflect the rapid proteinturnover in premature infants in comparison to full term infants.PMID: 4010680 [PubMed - indexed for MEDLINE]Fluorophores/Q-dot/Stable isotopesw Flowcytometer/ BioNMR/ Mass SpectrometerInstead of using optical probes (fluorophores or quantum dots) to identify biomarkers, DVS uses elements or stable isotopes. There are more than 100 available elements and stable isotopes that are suitable for the application. The CyTOF™ uses an application-specific adaptation of an Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer (ICP-MS) to detect and quantify the elemental probes. Stable isotope: Why It’s NeededThe technology addresses an urgent need for improvement of detection and characterization of cancer cells. This provides improved accuracy and sensitivity of diagnosis of leukemia and other diseases, which are often misdiagnosed or diagnosed too late due to the small number of markers used in detection. A high number of detected disease markers allows for personalized diagnosis and treatment. PRODUCT APPLICATIONS: CyTOF™ Instrumentation that allows massively multiplex analysis of individual cells or beads: clinical : accurate diagnosis of disease (or health), stem cell diseases (e.g., leukemia), risk-free alternative to amniocentesis research : cell population characterization, gene expression, protein interaction, simultaneous gene/protein assay gene analysis : multiplexed beads allow 1,000's of measurements per second

MAXPARCyTOFTM instruments ‘reads’ the stable isotopic tags attached to Antibodies using the MAXPAR labeling kits ---Conventional Flow cytometer software for examination: Cytocluse, cytoQuick, MultiSET, Cell Quest, for Mac (Macintosh)Massively multi-parametric cluster analysis algorithms will provide precase diagnostics for the clinician =Mass cytometry à offer economy, simplicity, fast read-out MAXPAR™ DNA Intercalating KitsThe series of MAXPAR™ DNA intercalating kits is now available. Each kit contains metal-containing intercalator, buffers, washes and instructions. The 1X kit is sufficient to label 800 Million cells (e.g., 800 sample assays of 1 Million cells/sample); the 5X kit is sufficient to label 4 Billion cells (e.g., 4,000 sample assays of 1 Millions cells/sample). The kits are available with naturally-abundant Iridium, enriched 191Ir or enriched 193Ir. The enriched intercalators are ideal for discrimination of live/dead cells; the naturally-abundant intercalator is useful for quantifying DNA of permeabilized or lysed cells. Lyman, Balmer, Paschen, Brackett, Pfund SeriesiTRAQ: isobaric Tag Relative Absolute QuantitationThe iTRAQ® Reagents are the first set of multiplexed, amine-specific, stable isotope reagents that can label all peptides in up to eight different biological samples enabling simultaneous identification and quantitation, both relative and absolute, while retaining important PTM information. There are two types of iTRAQ® Reagents, four plex and 8plex. The new iTRAQ® Reagents – 8plex are also available in more economical bulk packs.SILACStable Isotope Labeling by Amino Acids in Cell CultureBased on Mass SpectrometrySimultaneous: ID and quantify complex protein mixtureThe SILAC StrategyMammalian cells cannot synthesize “essential” amino acidsIf labeled analog of AA supplied instead of the natural abundance AA, it will be incorporated into each newly synthesized protein chainSILAC ++++Label incorporated into proteins during synthesis, “encoded into the proteome”No chemical labeling No affinity purified steps neededMethod compatible with cell culture conditions (1° and continuous cell lines)In ComparisonCan quantitate protein from non-living sources, but requires chemical modification and affinity stepsProtein populations from live cells can be mixed directly after lysis and then protein purified.When you don’t want to lose protein in extra purification stepsIn ComparisonLabels ~20% tryptic peptides (2% relative abundance of cysteine)Achieves some decrease in peptide mixture complexityLabels more than ½ tryptic peptides (10% relative abundance of leucine)Does not change peptide abundances resulting from a digest.Quantitative mass spectrometry reveals a role for the GTPase Rho1p in actin organization on the peroxisome membraneMarelli et al, 2004Goals of paperImprove mass spectrometry to assist in subcellular localizationDiscriminate proteins that are components of the organelle from containments

Apply this approach to the yeast peroxisomePeroxisomeUbiquitous organelleRids the cell of toxins Metabolic rolesβ-oxidation (yeast)Usually self-replicateDe novo generation?Samples for ICATICAT ResultsCandidate ProteinsPE = peroxisome enrichment scoreProbability of being enriched in the enriched peroxisomal membrane fraction as a function of its ICAT ratioWhy might some proteins be enriched in one ICAT but not the other?First assessmentCan cells use fatty acids as carbon source?Peroxisomal β-oxidationDelete gene of interestGrow on oleic acid/lauric acid (OL)Subcellular distribution of candidates -- Rho1pWhy hasn’t anyone seen Rho1p?Role of Rho1p in peroxisome functionRho1p interactionsPex25-Rho1-Actin

Rho1-Pex25 are important for dynamic assembly/disassembly of actin on peroxisomesIn a nut shell… RNA and RNA Binding Proteins Participate in Early Stages of Cell Spreading through Spreading Initiation Centers.Carmen L. de Hoog, Leonard J. Foster, and Matthias MannCell May 28, 2004 117(5):649-62Focal Adhesionsprimary sub-cellular macromolecules that mediate the regulatory effects of extracellular matrix (ECM) adhesion on cell behavior (Chen, 2003).the mechanical linkages to the ECM, and as a biochemical signalling hub to concentrate and direct numerous signaling proteins at sites of integrin binding and clustering.Focal AdhesionsCritical to cellular processes:MotilityProliferationDifferentiationRegulation of Gene ExpressionSurvivalMRC5 cells are secondary human lung fibroblasts which undergo between 60-70 doublings before senescence.GoalTo find attachment-specific interaction partners of specific focal adhesion components:VinculinTalinPaxillinMRC5 lung fibroblast cells

Functional Analysis of the Attachment Proteome by SILACStrategy: highlight attachment-dependent interactions and not just distinguish specific interactions from non-specific ones.ExperimentCell Biology / Proteomics:

I. I. Stewart, The reproducible acquisition of comparative liquid chromatography/tandem mass spectrometry data from complex biological samples. Rapid Communications in Mass Spectrometry 18 (15):1697-1710, 2004. D. R. Stover, Differential phosphoprofiles of EGF and EGFR kinase inhibitor-treated human tumor cells and mouse xenografts. Clinical Proteomics 1 (1):69-80, 2004. J. A. Caldwell, Comprehensive comparative proteome analysis. Proceedings 50th ASMS Conference on Mass Spectrometry and Allied Topics :57-58, 2002. B. Larsen, Phosphorylation analysis (phosmap) of complex protein mixtures. Proceedings 50th ASMS Conference on Mass Spectrmetry and Allied Topics :165-166, 2002. A. W. Barolet, Administration of exogenous endothelin-1 following vascular balloon injury: Early and late effects on intimal hyperplasia. Cardiovascular Research 52 (3):468-476, 2001. RIA:Radio Immuno AssaySpecial safety precautions must be observed when performing RIA methods. Radioactive isotopes are used by RIA tests to label antigens or antibodies. Pregnant females should not work in an area where RIA tests are being performed. Personnel handling isotope reagents must wear badges which monitor their exposure to radiation. Special sinks and waste disposal containers are required for disposal of radioactive waste. The amount of radioisotope discarded must be documented for both liquid and solid waste. Leakage or spills of radioactive reagents must be measured for radioactivity; the amount of radiation and containment and disposal processes must be documented. Silac drug principleMitochondrionConversion of energyAll activities of the body, incl.ThinkingLifting a weight Riding a bicycleMaintain a constant body temperatureTo build a stored energy supply (fat)Under resting (basal) conditions, body’s energy is used by:The skeletal muscle and the heart (25%)The brain (19%)The kidney (10%)The lever and spleen (27%)Energy, heat, workThermodynamics is defined as the branch of science that deals with the relationship between heat and other forms of energy, such as work.Power house: Heat and ATPMetabolic/prediabetic syndromeCentral obeseDyslipidemiaHypertensionInsulin ResistanceAtherosclerosis (CHD)Source of energy (fuel)FoodKrebs cycleAnaerobic

CP/ATPare use in body function15N in mitochondriaReal-time study of the urea cycle using 15N n.m.r. in the isolated ... The perfused liver was continuously monitored by 15N n.m.r. spectroscopy at 20.27 MHz for ... mitochondrial carbamoylphosphate synthetase was rate-limiting. ...www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?artid=1133080 - kaca sing meh padhaKasil liyane saka www.pubmedcentral.nih.gov » CiteULike: Mitochondrial Metabolism in Developing Embryos of ... 10 Nov 2006 ... The resulting flux map shows that mitochondrial metabolism in these ... [15N]alanine, (amino)-[15N]glutamine, or (amide)-[15N]glutamine, ...www.citeulike.org/.../9... - 30k - Panggonan kanggo nyimpen data sing wis pernah dibukak - kaca sing meh padha Metabolic Engineering : A window into cellular metabolism: hepatic ... Predicted fractional abundance of the nitrogen mass isotopomers of urea as a function of the fractional enrichment of 15N in the mitochondrial ammonia pool ...linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S1096717603000636 - kaca sing meh padha Kidney International - Abstract of article: The intensity of ... Incubation of cultures with [5-15N] glutamine at pH 7.4 resulted in a ... derived from enhanced flux through both the mitochondrial GLDH and PDG pathways. ...www.nature.com/ki/journal/v45/n4/abs/ki1994137a.html - kaca sing meh padha Spectroscope IRMol absorpt a specific lambda (E=hc/lambda) à UV move one electron to an orbital with higher E; IR make higher vibration amplitudo atoms which tight each other (Excited vibration state)—Em:Thermo.Base line: 100% T Electromagnetic wave spectrum 20.000 individual particles/s TotalSizeSpektroskopi nmr (bagian hidrokarbon molekul) Didasarkan pada abs gel radio oleh inti-inti ttt dlm mol organik, apabila mol ini berada dlm medan magnet kuatInti-inti atom unsur-unsur dibagi: a) mempunyai spin dan b) tidak mempunyai spin Inti berspin akan menimbulkan medan magnet kecil, yg diperikan oleh suatu momen magnetik nuklir, suatu vektorNuklida ptg yg berspin inti adl H dan CSedang 12,6 C dan O tak punya spinNuklida berspin menyerap E tak pada radiofrek yang sama; plg lazim dipelajari dg nmr: proton Griffin 2004In the post-genomic era, several profiling tools have been developed to provide a more comprehensive picture of tumour development and progression. The global analysis of metabolites, such as by mass spectrometry and high-resolution 1H nuclear magnetic resonance spectroscopy, can be used to define the metabolic phenotype of cells, tissues or organisms. These 'metabolomic' approaches are providing important information about tumorigenesis, revealing new therapeutic targets and will be an important component of automated diagnosis.Riwayat gelombang radio diabsorbsi inti atom 1945: Inti atom melalui ‘nuclear spin’ mengabsorbsi gelombang radio dari frekuensi tertentu ketika ditempatkan dalam sebuah medan magnet kuatBbrp th sblmnya: frekuensi rensonansi inti atom tgtg tak hanya pada 1) kekuatan medan magnet dan 2) tipe atom, tetapi juga pada 3) lingkungan kimia atom.

‘Nuclear spins’ dari berbagai inti dapat saling mempengaruhi, memproduksi struktur-2 halus yaitu sejumlah puncak dalam spektrum NMR Puncak ttt utk atom ttt 1966: Sensitivitas yg tadinya kecil dapat ditingkatkan secara dramatik jika pengganti berbagai frekuensi pendek dipakai pulsa intens frek radio untuk memberi paparan pada sampel1970: perkembangan cara menentukan 2 inti berdekatan satu dengan yang lain (2 atom berikatan/molekul) sukses pada mol relatif kecil tapi gagal pada yg lebih besar karena sulit membedakan resonansi dari inti atom (spektrum NMR seperti lapangan….lawn… rumput-beribu puncak shg tak mungkin mengenali puncak mana utk atom manaà terpecahkan oleh Kurt Wuthrich Jodoh tiap signal NMR dengan proton dalam makromolekul = ‘sequential assignment Area aplikasi guna NMR pada makromolekul Penentuan struktur, NMR dg komplemen kristalografi sinar-XKeunggulan NMR bahkan untuk bagian molekul trak terstruktur dan sangat mobil dalam kondisi fisiologis Struktur protein prion (mad cow: Nobel dlm ilmu kedok 1997 utk Stanley Prusiner)Struktur dan dinamika makromol DNA & RNADlm industri farmasi: makromol yg jadi target molekul bagi obat baru. Mol kecil obat baru berikatan dg mol besarà mol besar umumnya berubah. Penting bagi skrining sejumlah calon obat baru di fase awal perkembangan obat baru.

Non radioactive labelling ELISA mimotopes.com gbiosciences.com ImmunofluorescenceMulticolor immunofluorescence imaging with Qdot® secondary antibody conjugates.Laminin in a mouse kidney section was labeled with an anti-laminin primary antibody and visualized using green-fluorescent Qdot® 565 IgG. PECAM (platelet/endothelial cell adhesion molecule; CD31) was labeled with an anti–PECAM-1 primary antibody and visualized using red-fluorescent Qdot® 655 IgG. Nuclei were stained with blue-fluorescent Hoechst 33342. Macam2 labelling ICAT (Isotope Coded Affinity Tag)SILACStable Isotope Labeling by Amino Acids in Cell CultureBased on Mass SpectrometrySimultaneous: ID and quantify complex protein mixtureIn ComparisonLabels ~20% tryptic peptides (2% relative abundance of cysteine)Achieves some decrease in peptide mixture complexityLabels more than ½ tryptic peptides (10% relative abundance of leucine)Does not change peptide abundances resulting from a digest.Test kesuburan annova.wordpress.com Test kehamilan cakpawoko.wordpress.com