Cahaya Matahari Pemicu Kesuburan Reproduksi

LITERASI DAN PENJAMINAN MUTU PENDIDIKAN
6 December 2017
Budidaya Kopi di sekolah
6 December 2017

Andi Mushawwir
Laboratorium Fisiologi dan Biokimia,
Fakultas Peternakan Universitas Padjadjaran, Kampus Jatinangor Sumedang
Email : andimushawwir1975@gmail.com; andi_mh@unpad.ac.id

Anugerah terbesar yang diberikan Sang Maha Pencipta bagi bumi dan segala isinya adalah matahari. Jarak planet kita (bumi) dengan matahari merupakan jarak yang paling ideal bagi tumbuh dan berkembangnya organisme yang mengisi bumi ini. Jarak yang ideal ini menjadikan intensitas matahari yang sampai ke permukaan bumi, merupakan intensitas yang mampu menunjang proses biokimia dan fisiologi bagi tumbuhan, hewan dan manusia dapat berlangsung dengan optimal.

Percobaan sangat klasik telah menunjukkan sepohon bunga yang ditutup dengan plastik hitam selama berhari-hari menjadikan bunga tersebut mati. Percobaan lain menunjukkan kecenderungan pohon yang ditutup sebuah wadah yang telah dilubangi salah satu sisi sampingnya, bertumbuh ke arah lubang tersebut dimana arah sinar matahari datang. Bukankah sinar matahari yang dapat menyebabkan pembentukan C6H12O6 (glukosa) dari precursor CO2 (Karbon Dioksida) dan O2 (Oksigen)? Inilah menjadi energy utama bagi tumbuhan, sehingga tumbuhan dapat berbunga dan berbuah. Bukankah dari tumbuhan manusia juga dapat hidup karena memakan produk dari tumbuhan sebagai sumber energy?

Tidak hanya melalui tumbuhan, sinar matahari dapat memberikan dampak yang baik bagi manusia dan hewan.  Sinar ultra violet (UV) dari sinar matahari mampu mengaktifkan provitamin D yang ada di bawah kulit epidermis manjadi vitamin D. Kehadiran vitamin D mendorong sintesis Binding Protein Calsium (BP Ca), merupakan protein yang mengingat kalsium (Ca) untuk dimobilisir ke jaringan target, contoh tulang untuk pertumbuhan tulang.

Dampak sinar matahari yang tak kalah pentingnya adalah menginduksi hormon-hormon yang berperan untuk reproduksi manusia dan hewan. Intensitas cahaya matahari yang tinggi sepanjang tahun di negara-negara tropis seperti China bagian selatan, Indonesia, India, dan seluruh ASEAN menjadi alasan utama tingginya tingkat kesuburan bagi penduduk negara-negara tersebut. Bahkan bagi industri pembibitan ternak unggas ras, menajemen pencahayaan menjadi teknik yang efektif dan efisien untuk mengatur pola reproduski ternak-ternak tersebut.

Dalam rangka mengetahui aspek intensitas cahaya terhadap tingkat reproduksi, maka ada beberapa hal penting yang perlu dikaji :

  1. Bagaimana regulasi visual transduksi sinar matahari melalui retina mata mampu mengiduksi hypothalamus sebagai kelenjar endokrin untuk mensintesis hormone gonad (GnRH = Gonadotropin Realeasing Hormone)?
  2. Bagaimana mekanisme kerja hormon sebagai produk hypothalamus dalam meningkatkan kinerja reproduksi (kesuburan) bagi manusia dan hewan?

Regulasi Visual Transduksi Sinar Matahari melalui Retina Mata
Detektor cahaya yang sangat beragam telah dievolusikan dalam kindom hewan, dari kelompok sederhana dimana sel-sel yang hanya mendeteksi arah dan intensitas cahaya  hingga organ kompleks yang membentuk bayangan. Meskipun sangat beragam, semua fotoreseptor mengandung molekul pigmen yang mampu menyerap cahaya, dan bukti-bukti  molekuler menunjukkan bahwa sebagian  besar dan semua fotoreseptor pada kindom hewan bisa jadi homolog. Dengan demikian aspek genetik merupakan aspek fundamental semua fotoreseptor yang telah berevolusi.

Pada unggas, mata merupakan organ spesifik yang bertanggung jawab terhadap fungsi tersebut, melalui mekanisme persepsi terhadap cahaya diterjemahkan ke dalam signal elektrik yang diuraikan oleh otak kemudian membentuk suatu kesan (persepsi). Respon yang timbul merupakan aksi biokimia yang kompleks dan teliti dari apa yang menjadi suatu kesan (persepsi), aksi-aksi ini dikontrol oleh signal sel lebih lanjut.

Pada level selluler, photodeteksi ini merupakan tanggung jawab dua tipe sel yang spesifik, yaitu rod (sel batang) dan cone (sel kerucut). Penamaan rod dan cone berdasarkan bentuk luar segmentnya (outer segment), masing-masing berbentuk batang dan kerucut. Sel-sel ini membentuk sebuah lapisan yang disebut retina. Retina berada pada bagian belakang mata, tepat pada titik fokus cahaya oleh lensa mata.
Sel-sel rod digunakan untuk mempersepsi cahaya yang memiliki rentang panjang gelombang yang rendah dan gelap. Sebaliknya, sel-sel cone berfungsi untuk mempersepsikan cahaya yang datang dengan rentang panjang gelombang yang tinggi dan cahaya terang. Ini berarti bahwa sel-sel cone (kerucut) tidak berfungsi pada penglihatan di malam hari (gelap) karena diperlukan banyak cahaya untuk merangsang sel-sel tersebut. Sehingga sel-sel kerucut akan mampu membedakan warna pada siang hari. Kemampuan penglihatan terhadap warna hampir dimiliki oleh semua vertebrata. Meskipun tidak semua species.  Sebagian besar ikan, amphibi, reptil, dan bangsa burung (aves) mempunyai penglihatan warna yang kuat.
Kucing yang memiliki aktivitas pada malam hari, sangat memungkinkan sel-sel batangnya (rod) melimpah dan sekaligus mempunyai kelemahan dalam penglihatan terhadap warna.

Dalam rangka mempersepsikan cahaya dengan panjang gelombang yang tinggi dan cahaya terang, sel-sel cone dibagi menjadi tiga (3) tipe, yaitu:
a.    Cone tipe I      : sensitif terhadap warna cahaya biru
b.    Cone tipe II     : sensitif terhadap warna cahaya hijau
c.    Cone tipe III    : sensitif terhadap warna cahaya merah

Pada manusia dan mamalia umumnya, panjang gelombang yang sesuai pada ketiga tipe tersebut adalah masing-masing 426 nm (biru), 530 nm (hijau), dan 560 nm (merah). Namun, berbeda pada beberapa spesies unggas yaitu masing-masing 455, 530, dan 625 nm.
Sel-sel rod dan cone adalah sel-sel tunggal, bersifat bipolar dan mempunyai outher segment dan inner segment. Pada bagian outher segment terdapat discs. Setiap rod mengandung hingga 1000 disc. Pada bagian inner segment, terdapat main body (bodi utama) yang dilengkapi reticular endoplasmic, mitokondria, dan nucleus, serta bagian sangat penting adalah synaptic body yang berperan dalam transmisi dan penyampaian signal ke sistem syaraf. Struktur mata pada hewan tingkat tinggi ditampilkan pada Gambar 1.


Gambar 1. Struktur Mata pada Hewan Tingkat Tinggi

Rhodopsin adalah molekul photoreseptif  atau choromophore yang berperan dalam mekanisme sinyal transduksi ini. Rhodopsin adalah protein polipeptida yang disebut dengan opsin, selain opsin juga terdiri dari 11-cis-Retinal. 11-cis-Retinal adalah derivate dari vitamin A (all-trans-Retinol) (Gambar 2). Retinal merupakan pigmen penglihatan yang terikat pada protein Opsin.
Polipeptida opsin seperti halnya protein membran yang  lain dalam memiliki tujuh transmembran yang membentuk α-heliks. Retina terletak di pusat dari bagian α-heliks dan terletak pada bidang membran. Akhir N-terminal dari polipeptida, yang berisi dua N-linked oligosakarida, terletak di ruang intradiscal sedangkan ujung C-terminal terletak di sisi sitosol membran.


Bagian ini merupakan bagian yang penting dalam interaksi dengan protein lain yang mengirimkan sinyal transduksi, dan pada akhirnya menuju ke sistem saraf. Sebagai contoh, di sinilah protein G mengikat dan juga terfosforilasi pada serin dan residu treonin, yang mengarah kepada penonaktifan molekul.

Rhodopsin merupakan reseptor yang terdapat pada membran bilayer pada tiap-tiap disk sel cone dan rod. Reseptor membran bekerja melalui lima (5) klasifikasi yaitu 1) terkait dengan Protein-G, 2) terkait dengan saluran ion, 3) terkait dengan tirosin kinase, 4) dengan aktivitas enzimatik, dan 5) intraselluler. Polipeptida Rhodopsin dapat dilihat pada Gambar 7.5.
Berdasarkan klasifikasi tersebut, reseptor membran Rhodopsin bekerja dengan melalui Reseptor terkait Protein-G. Tipe mekanisme reseptor seperti ini merupakan reseptor membran yang dapat bekerja apabila ada bantuan protein, yaitu Protein-G. Protein-G terikat secara lemah pada sisi pengikatan sitoplasmik membran (Gambar 7.3), dan berfungsi seperti saklar yang dapat di-on-kan atau di-off-kan. Tergantung kepada jenis nukleotida yang dilekatkan,  GDP (Guanine Diphosphate) atau GTP (Guanine Triphosphate)

Apabila cahaya (sinyal kimia) diterima oleh rhodopsin, maka komponen retinalnya berubah bentuk sehingga memicu terjadinya sinyal transduksi yang mampu membangkitkan potensial reseptor pada membran sel-sel rod (batang). Potensial reseptor ini dapat tercipta karena perubahan bentuk retinal menyebabkan suatu perubahan konformasi dari pasangan opsinnya. Perubahan molekul opsin atau opsin yang telah berubah  kemudian mengaktifkan molekul penghantar  pada jalur transduksi, yaitu Protein-G sehingga disebut dengan Protein Gt (G transdusin). G Transdusin ini juga berada pada membran disk pada sel-sel batang (rod).

Protein Gt ini terdiri dari subunit α : 39 kDa;  β-subunit : 37 kDa; dan γ-subunit : 8,5 kDa.  Protein-G terdisosiasi ke dalam Gtα dan subunit Gtβγ. Subunit Gtα berinteraksi dengan peptida penghambat fosfodiesterase dan menurunkan  kemampuan enzim ini untuk menghambat, sehingga memungkinkan untuk mengkatalisis pemecahan cGMP (siklus Guanine Monophospate) (Gambar 3).
Phosphodiesterase muncul untuk bertindak tidak hanya sebagai hilir efektor dari transdusin, tetapi juga sebagai protein yang mengaktifkan GTPase. Enzim GTPase berfungsi  mengubah GTP menjadi GDP. Ketika GDP diikat maka Protein-G menjadi tidak aktif .

Selanjutnya, terjadi penurunan aktivitas cGMP sitosol menyebabkan penutupan saluran kation-spesifik dalam membran plasma sel. Dalam keadaan gelap saluran ini tetap terbuka oleh pengikatan cGMP. Saluran ini adalah kompleks multi-polipeptida, masing-masing subunit menjadi sekitar 90 kDa. Saluran terbuka sebagai jalur untuk kembalinya ion Na+ ke dalam segmen luar sel menuruni gradien elektrokimia besar. Na+/K+- ATPase di membran plasma dari segmen bagian dalam sel digunakan untuk mempertahankan gradien ini. Penutupan saluran melalui penurunan kadar cGMP berarti bahwa ion Na+ tidak lagi dapat kembali ke segmen luar dan ini berakibat pada hyperpolarization dari membran plasma. Hyperpolarisasi ini dapat menjadi besar menjadi 1 mV dan dirasakan oleh tubuh sinaptik di dasar sel dan diteruskan ke neuron, dan  ke otak (hypothalamus).

Meskipun subunit Gtα sering terlihat ke bagian aktif dari protein G, namun tidak berarti  subunit Gβγ tidak mempunyai fungsi. Subunit Gtβγ berinteraksi dengan protein lain yang dikenal sebagai protein 33K atau phosducin. Protein ini memiliki berat molekul sekitar 28 kDa.  Melalui pengikatakn Gβγ phosducin mengatur daur ulang dari subunit Gtα dan memodulasi/mengatur jumlah ketersediaan Protein-G untuk berinteraksi/berikatan dengan rhodopsin.

Pemompaan Ca2+ keluar sel melalui penukaran ion, meskipun dapat masuk kembali ke dalam segmen luar melalui saluran kation-spesifik. Penuruan tingkat Ca2+ intersellular pada gilirannya merangsang sintesis cGMP oleh aktivasi adenilat guanylyl. Kebangkitan cGMP akan sekali lagi membuka saluran-saluran kation dan mengakhiri hyperpolarisasi membran, sehingga mengakibatkan  berhentinya aliran sinyal ke saraf otak.

Mekanisme Kerja Hormon sebagai Produk Hypothalamus dalam Meningkatkan Kinerja Reproduksi (Kesuburan) Bagi Manusia dan Hewan

Setelah mengkaji molekuler sinyal transduksi sebagaimana diuraikan pada uraian sebelumnya, maka tentu menjadi jelas bagi kita bahwa secara sederhana dapat ditunjukkan keterlibatan reseptor  rhodopsin dan Protein-G sehingga mengaktifkan cGMP dan GTPase. Sampai terjadinya penurunan aktivitas cGMP sitosol. Penutupan saluran melalui penurunan kadar cGMP berarti bahwa ion Na+ tidak lagi dapat kembali ke segmen luar dan ini berakibat pada hyperpolarization dari membran plasma. Hyperpolarization ini menciptakan perlistrikan, dapat mencapai  1 mV dan dirasakan oleh tubuh sinaptik di dasar sel dan diteruskan ke neuron, dan  ke otak (hypothalamus dan pituitary).

Rangsangan yang diterima oleh hypothalamus dan pituitary, menjadikan aktivitas nucleus sel-sel hypothalamus dan pituitary terstimulasi untuk mensekresikan protein baru melalui mekanisme transkripsi mRNA  sampai translasi protein. Protein-protein baru ini adalah hormon-hormon peptida yang secara spesifik bekerja pada organ-organ target reproduksi.

Mekanisme transduksi ini dapat dijelaskan secara beurutan sebagai berikut:
a.    Perlistrikan yang diteruskan dari sinaptik di dasar sel pada retina menuju otak ke hypothalamus, merangsang hyphotalamus untuk mensekresikan Gonadotropin Releasing Hormon (GnRH ).
b.    GnRH yang disekresikan dari hypothalamus, menstimulan  pituitary (hypophisis) anterior untuk mensekresikan FSH (Follikel Stimulating Hormon) dan LH (Luteanizing Hormon).
c.    Kedua Hormon tersebut (FSH dan LH) dibawa oleh darah menuju organ targetnya yaitu ovarium. FSH berperan dalam menginduksi pertumbuhan follikel (ovum) atau sel-sel telur bagi wanita atau hewan betina. LH berperan dalam menginduksi pelepasan sel-sel telur menuju uterus setelah matang.

Berdasarkan mekanisme yang telah diuraikan sebelumnya maka dapat dipahami bahwa intensitas cahaya matahari yang tinggi sepanjang tahun, menyebabkan retina mata secara terus menerus menerima signal berupa panjang gelombang cahaya, yang diteruskan dengan perlistrikan sebagai akibat hyperpolarisasi sel sel retina mata (baik sel batang maupun sel kerucut). Signal listrik inilah yang terus menerus merangsang kelenjar endokrin (hypothalamus-pituitary anterior) untuk mensekresikan hormon-hormon reproduksi.
Diakhir tulisan ini tidaklah berlebihan jika penulis menyimpulkan “Tanpa Matahari Tidak Ada Reproduksi Makhluk Hidup”.