5 BAB II KLASIFIKASI MAKHLUK HIDUP DAN POHON

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