Mitosis dan Meiosis: Fase-fase, Pindah Silang, dan Nondisjungsi

Dua jenis pembelahan

Mitosis membelah satu sel menjadi dua sel yang identik secara genetik dengannya, masing-masing dengan set kromosom lengkap. Begitulah sel telur yang dibuahi menjadi tubuh, dan begitulah kulit, lapisan usus, dan darah diganti. Meiosis membelah satu sel menjadi empat, masing-masing dengan setengah jumlah kromosom, untuk membuat sel telur dan sperma (atau spora pada tumbuhan dan jamur). Saat dua sel seperti itu menyatu pada pembuahan, jumlah lengkapnya pulih.

Sel tubuh bersifat diploid (2n): berisi dua set kromosom, satu dari setiap induk. Manusia punya 2n = 46, yaitu 23 pasang. Setiap pasangan adalah kromosom homolog: gen yang sama, urutan yang sama, mungkin versi (alel) yang berbeda. Sel kelamin bersifat haploid (n = 23).

Sebelum pembelahan: replikasi

Pada fase S dari interfase, setiap kromosom disalin. Kedua salinan, kromatid saudara, tetap tersambung di sentromer, itulah sebabnya kromosom pada mitosis tampak seperti huruf X. Jumlah kromosom tidak berubah (46), tetapi kandungan DNA berlipat dua, dari 2C menjadi 4C, dengan C adalah DNA dalam satu set.

Mitosis, fase demi fase

1. Profase: kromatin yang panjang dan tipis menggulung menjadi kromosom yang padat; gelendong mulai terbentuk di antara sentrosom.
2. Prometafase: selubung inti pecah dan benang gelendong menempel pada kinetokor di setiap sentromer, satu kromatid saudara ke setiap kutub.
3. Metafase: kromosom berjajar di bidang ekuator, lempeng metafase. Sebuah titik kontrol menunggu sampai setiap kromosom terikat dari kedua sisi.
4. Anafase: kromatid saudara berpisah dan ditarik ke kutub yang berlawanan. Masing-masing kini menjadi kromosom tersendiri.
5. Telofase dan sitokinesis: selubung inti terbentuk di sekitar setiap kelompok, kromosom mengurai, dan sel terbagi dua.

Hasilnya: dua sel diploid, masing-masing 46 kromosom, satu kromatid per kromosom, DNA 2C.

Meiosis, fase demi fase

Meiosis I memisahkan kromosom homolog:

1. Profase I: kromosom homolog berpasangan sepanjang tubuhnya (sinapsis) menjadi ikatan empat kromatid. Kromatid yang bukan saudara bertukar segmen yang sepadan: pindah silang, yang terlihat sebagai kiasma. Ini fase terpanjang; pada sel telur manusia fase ini terhenti selama puluhan tahun.
2. Metafase I: pasangan-pasangan berjajar di ekuator, masing-masing menghadap kutub secara acak: pemilihan bebas.
3. Anafase I: kromosom homolog pergi ke kutub yang berlawanan; kromatid saudara tetap bersama.
4. Telofase I: dua sel, masing-masing dengan 23 kromosom yang masing-masing terdiri dari dua kromatid (2C).

Meiosis II mirip mitosis tanpa penyalinan baru: kromosom berjajar di setiap sel, kromatid saudara berpisah, dan terbentuk empat sel haploid, masing-masing dengan 23 kromosom berkromatid tunggal (1C).

Menghitung sepanjang pembelahan (n = 23)

• Setelah fase S: 46 kromosom, 92 kromatid, 4C.
• Mitosis, setiap sel anak: 46 kromosom, 46 kromatid, 2C.
• Setelah meiosis I, setiap sel: 23 kromosom, 46 kromatid, 2C.
• Setelah meiosis II, setiap sel: 23 kromosom, 23 kromatid, 1C.

Hitung kromosom berdasarkan sentromer, bukan kromatid: kromosom tereplikasi berbentuk X tetap satu kromosom.

Mengapa setiap sel kelamin berbeda

Pemilihan bebas saja sudah memberi 2ⁿ kombinasi kromosom utuh: 2²³ = 8.388.608 pada manusia. Pindah silang, satu sampai tiga pertukaran per pasangan kromosom, juga mencampur alel di dalam kromosom, sehingga jumlah sel kelamin yang mungkin praktis tak terbatas. Tambahkan pembuahan acak, dan tidak ada dua anak dari orang tua yang sama (kecuali kembar identik) yang memiliki genom sama.

Nondisjungsi

Jika sepasang kromosom homolog (pada meiosis I) atau dua kromatid saudara (pada meiosis II atau mitosis) gagal berpisah, satu sel anak mendapat keduanya dan yang lain tidak mendapat apa-apa. Sel kelamin dengan kromosom berlebih menghasilkan trisomi saat pembuahan, dan yang kekurangan satu kromosom menghasilkan monosomi. Trisomi 21 (sindrom Down) adalah yang paling umum di antara yang bisa bertahan hidup; risikonya naik tajam seiring usia ibu, karena sel telur terhenti di meiosis I selama puluhan tahun. Nondisjungsi pada mitosis menghasilkan mosaik dan umum pada sel kanker.

Memakai simulasi

Simulator Mitosis dan Meiosis memutar pembelahan dengan kromosom merah dari satu induk dan biru dari induk lainnya. Coba hal berikut:

• Jalankan mitosis dengan dua pasang, lalu meiosis dengan jumlah yang sama, dan bandingkan hasil akhirnya: dua sel berisi empat kromosom dibanding empat sel berisi dua.
• Pada meiosis, perhatikan profase I: ujung satu kromatid merah dan satu kromatid biru bertukar warna di titik pindah silang. Geser slider dan ukuran bagian yang bertukar berubah.
• Tekan Atur ulang beberapa kali dan perhatikan pada metafase I ke sisi mana setiap kromosom merah menghadap: berubah secara acak.
• Centang nondisjungsi dan baca jumlah kromosom di sel-sel akhir.

Asumsi model

• Paling banyak empat pasang kromosom, dengan panjang menurun, mewakili jumlah sesungguhnya.
• Satu pindah silang per pasangan, di titik yang sama di sepanjang setiap kromosom, di antara dua kromatid bagian dalam. Pindah silang sungguhan bervariasi dalam jumlah dan posisi, dan bisa melibatkan pasangan kromatid bukan saudara mana pun.
• Durasi fase tetap. Mitosis sungguhan berlangsung sekitar satu jam dari siklus sel yang lamanya sekitar sehari, dengan interfase memakan hampir seluruhnya; profase I meiosis bisa berlangsung berhari-hari pada sperma dan puluhan tahun pada sel telur.
• Nondisjungsi hanya pada pasangan pertama, di pembelahan pertama.
• Sel skematis: sentrosom, gelendong, dan inti disederhanakan; tidak ada organel lain, dan keempat hasil meiosis digambar sama besar.

Kasus tepi

• Satu pasang (2n = 2): hanya ada dua cara pemilihan; hasil meiosis hanya berbeda karena pindah silang.
• Pindah silang di ujung paling akhir kromosom hampir tidak menukar apa-apa; di dekat sentromer, hampir seluruh lengan tertukar.
• Nondisjungsi pada mitosis menghasilkan sel 2n + 1 dan 2n − 1; pada meiosis I, dua sel n + 1 dan dua sel n − 1.
• Kandungan DNA tetap 4C sepanjang mitosis sampai sitokinesis, bahkan setelah kromatid saudara berpisah pada anafase.

Kapan model tidak lagi tepat

• Pembelahan tidak sama pada sel telur. Pada meiosis betina pembelahannya timpang: satu sel telur besar dan dua atau tiga badan polar kecil yang mati. Hanya meiosis jantan yang menghasilkan empat sperma yang sama.
• Kromosom seks. X dan Y hanya berpasangan di daerah kecil di ujungnya, sedangkan homolog dalam simulasi semuanya autosom.
• Sel tumbuhan membangun dinding baru dari tengah ke luar (lempeng sel) alih-alih menyempit di tengah, dan banyak tumbuhan bersifat poliploid, dengan lebih dari dua set.
• Kesalahan dan titik kontrol. Sel sungguhan punya titik kontrol gelendong, protein kohesin yang menahan kromatid saudara dan dipotong saat anafase, serta jalur perbaikan; jika semua itu gagal, sel bisa berakhir dengan set ekstra utuh atau kromosom patah, yang tidak ditunjukkan model ini.
• Bakteri tidak melakukan keduanya; bakteri menyalin satu kromosom melingkar dan membelah dengan pembelahan biner, seperti di Simulator Pertumbuhan Bakteri.

Alat terkait

Ikuti alel dari induk ke keturunan dengan Kalkulator Papan Punnett dan panduannya, Cara Memakai Papan Punnett; lihat bagaimana frekuensi alel berubah dari generasi ke generasi di Simulator Seleksi Alam dan Genetika Populasi; dan lihat molekul yang disalin di Penampil Lipatan DNA dan RNA.