Pertanian Sehat Indonesia | Berkomitmen Membangun Pertanian Indonesia
Rubrik : Teknologi
Mengenal hormon ganti kulit pada serangga (ecdysone hormone)
2008-12-24 12:40:12 - by : admin

Ir. H. Samsudin, MSi

A.  Biosintesis  hormon ekdison

Sintesis  ekdisteroid pada serangga sangat tergantung dari steroid yang terdapat dalam  tanaman yang menjadi sumber pakannya. Hal tersebut dikarenakan serangga tidak  dapat mensintesis sendiri kolesterol yang merupakan precursor primer untuk  mensintesis ekdison.
Fitosteroid yang  terdapat pada tanaman inang serangga merupakan jenis triterpenoid, cycloartenol yang terbentuk dari siklisasi epoksida skualen. Derivasi dari cycloartenol  adalah kolesterol yang menjadi precursor ekdison pada serangga, seperti pada  gambar 1.
Derivasi dari fitosteroid

Serangga pemakan  tanaman (fitofag) akan merubah sterol tanaman C29 menjadi sterol C27  yang menjadi precursor ekdison. Selanjutnya sterol C27 tersebut  dirubah menjadi kolesterol dan kemudian menjadi 7-dehidrokolesterol, yang  menjadi perkursor 3β,14α-dihidroksi-5β-kolest-7-en-6-one. Biosintesis ekdison secara skematik terlihat  pada gambar 2 dan bentuk strukturnya terlihat pada gambar 3.
  Skema biosintetis ekdison dan 20-hidroksieksidon
  Bentuk struktur ekdison

Sintesis hormon ekdison ditriger oleh hormon  protorakisotrofik (PTTH) yang dihasilkan oleh sel neurosekretori otak. Hormon ini  tidak disimpan di dalam kelenjar protoraks, tetapi akan segera dilepaskan setelah  disintesis. PTTH yang berfungsi sebagai triger sintesis hormon ekdison ini  efeknya bersifat modulasi melalui penghambatan hormon (inhibitory hormone)  dan melalui regulasi langsung syaraf (direct neural regulation) yang  mungkin dalam bentuk stimulasi (stimulatory) atau penghambatan (inhibitory).  Pada gambar 4 terlihat mode of ection PTTH yang mentriger sintesis  hormon ekdison pada satu sel kelenjar protorak.
Mode of ection PTTH pada satu sel kelenjar protorak

Pembuktian bahwa sintesis ekdison ditriger oleh  PTTH telah dilakukan oleh Carroll Willaims (1947) menggunakan metode ligasi dan  implantasi pada  Hyalophora cecropia. Dia  menunjukkan bahwa ketika otak aktif, pupa yang diikat pada bagian tengah  tubuhnya, bagian depannya akan ganti kulit menjadi imago  normal sedangkan bagian belakangnya tidak. Dia  kemudian menemukan alasannya bahwa bagian depan tersebut dapat ganti kulit dan  menjadi imago normal hanya jika otak dan kelenjar protoraknya masih aktif. Kesimpulannya  bahwa hormon dari otak akan menstimulasi kelenjar protorak untuk mengsekresikan  hormon yang menginduksi proses ganti kulit (Gambar 5).
  Sintesis ekdison terjadi pada kelenjar protoraks,  yang kemudian disekresikan ke dalam hemolimfa. Ekdison merupakan substansi yang  tidak larut dalam air dan diduga ditransportasikan di dalam hemolimfa dengan  cara terikat pada molekul protein. Dari hemolimfa ekdison ini akan dirubah oleh  badan lemak, epidermis, saluran pencernaan tengah (midgut) atau jaringan  lainnya menjadi ekdison yang lebih aktif yaitu 20-hidroksiekdison. Apabila  20-hidroksiekdison tidak terpakai maka di dalam tabung malpigi berubah menjadi  bahan yang akan disekresikan. Variasi hormon ekdison yang bersirkulasi di dalam  hemolimfa dapat terukur karena ada perubahan di dalam sintesis, pelepasan,  degradasi dan ekskresi. Produksi 20-hidroksiekdison akan diimbangi oleh  degradasi dan ekskresi serta konversi dalam bentuk konyugat yang sifatnya tidak  aktif. Oleh karena itu periode hormon bentuk aktif di dalam hemolimf sangat  terbatas. Konyugat ekdisteroid sering dalam bentuk fosfat atau glukosida. Pada  gambar 6 terlihat tahapan produksi, aktifitas dan degradasi dari hormon ekdison.
Percobaan Carroll Willaims (1947)

Prinsip tahapan produksi, aktivitas dan degradasi ekdisteroid

B.   Kelenjar protorak

  Kelenjar protoraks yang merupakan tempat  disintesisnya hormon ekdison dijumpai pada stadium pradewasa serangga. Pada  serangga dewasa hormon ini terdapat pada ovari yang kaitannya dalam mengatur  perkembangan embrionik, walaupun hormon tersebut dapat dihasilkan dimana-mana  di abdomen yang diduga berasal dari oenosit. Kelenjar protoraks ini degenerasi  saat serangga bermetamorfose menjadi imago, walaupun ada yang tetap bertahan,  misalnya pada serangga Apterygota dan lokusta yang hidupnya soliter.
  Kelenjar protoraks adalah sepasang  kelenjar yang berbentuk butiran butiran seperti anggur, terletak di belakang  kepala atau pada toraks serangga, atau pada pangkal labium Thysanura (Gambar 7).  Kelenjar ini banyak disuplai oleh sel syaraf dan trakhe. Syaraf-syaraf ini  berasal dari ganglion subesophageal atau beberapa dari ganglion protoraks, pada  lipas ada hubungan syaraf yang berasal dari otak, sedang pada serangga  Hemiptera tidak ada suplai syaraf sama sekali.
  Kelenjar protorak (prothoracic gland) Cimex (a) dan Hyalophora (b)

C.  Mode  of action hormon ekdison

Hormon ekdison akan disintesis pada saat  serangga pra dewasa akan ganti kulit atau dalam proses pertumbuhan. Cara kerja  hormon ini berkaitan langsung dengan dua hormon lainnya yaitu: PTTH (prothoracicotropic hormone) dan  hormon juvenil (JH).  Keberadaan JH akan  menghambat produksi hormon ekdison dan dengan stimulasi dari PTTH makan hormon  ekdison akan disintesis, tetapi akibat dari kelimpahan hormon ekdison dalam  hemolimfa, kemudian akan menghambat produksi hormon juvenil (JH) (Gambar 8).

Kandungan hormon ekdison dan JH dalam hemolimfa 

Secara umum aktifitas biokimia yang terjadi  diantara sel sangat tergantung dari adanya reseptor spesifik untuk kerja hormon  tersebut. Respon dari jaringan yang berbeda tergantung pada ada atau tidaknya  reseptor spesifik tersebut, sehingga jaringan yang berbeda akan memberi respon  pada waktu yang berbeda pula. Apabila hormon tersebut tidak bertemu dengan  reseptor spesifik pada waktu yang tepat, maka dengan segera akan didegradasi  dalam hemolimfa (Gambar 9).

Tahapan kinerja hormon secara umum

 Pengaturan  kinerja ekdisteroid secara detail dari mulai disintesis sampai pada proses  aktifasi dan respon sel epidermis dapat dilihat pada gambar 10.

Urutan proses kerja ekdisteroid

  Sel target dari kerja ekdisteroid adalah  sel epidermis pada proses ganti kulit (molt) (Gambar 11). Karena ekdisteroid  merupakan bahan lipofilik, maka bahan tersebut dapat melewati membran sel  apabila terikat pada reseptor protein spesifik di dalam sel epidermis.  Ekdisteroid ini kemudian secara langsung akan mengaktivasi atau menginaktivasi  gen dan sintesis protein baru.
  Konsentrasi hormon ekdison pada hemolimfa sangat  menentukan apakah akan dapat mempengaruhi sel target atau tidak. Hal itu  tergantung dari konsentrasi reseptor yang ada pada sel target tersebut.

Sel target dari kerja ekdisteroid

D. Proses ganti kulit serangga (molting)

Pada proses pertumbuhan serangga kutikula akan berhenti membesar karena  dibatasi oleh berakhirnya pengerasan kutikula yaitu melalui proses sklerotisasi.  Dengan demikian kutikula yang  mengeras tersebut perlu dilepaskan dan digantikan dengan yang baru. Proses  pelepasan kulit ini disebut dengan ekdisis. Proses ganti kulit  sebenarnya terdiri dari proses apolisis dan proses ekdisis yang  berakhir dengan terbentuknya instar pasca ekdisis (Gambar 12) .
  Proses pertumbuhan serangga

Proses apolisis melibatkan terjadinya pemisahan lapisan epidermis dari  kutikula secara bertahap mulai dari bagian anterior menuju posterior. Proses  ini dimediasi oleh molekul 20-hidroksi ekdison. Proses ini terjadi mulai saat  instar melepaskan kutikula pada stadium pharate. Saat lepas dari  kutikula epidermis mulai melakukan pembelahan mitosis, sehingga permukaan  epidermis menjadi luas yang akan menjadi cetakan kutikula yang lebih  meluas/besar.
  Proses ekdisis adalah kejadian pelepasan kutikula  tua (eksuvia) yang sebenarnya dan dimediasi oleh hormon eksklosi.
  Proses ganti  kulit terdiri dari beberapa tahap sebagai berikut:

     
  1. Awal apolisis sepanjang  anteroposterior secara bertahap
 

Proses apolisis ini dimulai segera setelah  terjadinya pengerasan kutikula. Pada periode aktif makan setelah terjadinya  ekdisis, kerapatan cel menurun, kutikula di atas sel epidermis meregang dan sel  epidermis menjadi bentuk squamose (pipih).

     
  1. Pembelahan mitosis sel-sel epidermis  (terjadi pertambahan sel dan pelipatan permukaan lapisan epidermis).
 

Pembelahan mitosis mulai terjadi, jumlah  sel bertambah dan meningkat tajam serta diikuti dengan bentuk sel menjadi  kolumner. Karena sel bentuknya berubah, mengakibatkan terjadinya tegangan  permukaan epidermis sehingga sel epidermis mulai terpisah dari kutikula. Mitosis  epidermal ini mendahului selesainya apolisis. Pemisahan kutikula diatasnya  epidermis ini disebut proses apolisis. Ruang apolisis  yang dibentuk antara epidermis dan kutikula  disebut rongga eksuvial atau rongga subkutikuler. Pada Collembola bagian  membran luar dari sel epidermis mengeluarkan vesikel-vesikel membentuk busa  sehingga mendorong lapisan kutikula terlepas dari epidermis. Lepasnya droplet ke dalam rongga ini dengan cara eksositosis plasma  membran.

     
  1. Sekresi cairan molting
 

Droplet tersebut diduga prekursor enzim moulting yang masih  tidak aktif. Pada beberapa spesies enzim moulting disekresikan ke dalam ruang  eksuvial setelah selesai proses apolisis. Enzim ini ada yang disekresikan dalam  bentuk granule dan pada beberapa Lepidoptera dikeluarkan dalam bentuk gel.  Ruang apolisis berangsur angsur menjadi besar karena adanya akumulasi enzim  atau cairan moulting. Enzim pencerna kutikula ini terdiri dari enzim khitinase,  protease menyerupai tripsin dan aminopeptidase. Enzim ini masih tetap belum  aktif sebelum selesainya pembentukan lapisan luar epikutikula dari kutikula  baru.

     
  1. Formasi epikutikula luar  pharate pada permukaan epidermis yang telah mengalami apolisis dan crenulat,  yang akan menghasilkan patokan pola permukaan kutikula pharate.
  2.  
  3. Sekresi epikutikula saat serangga dalam  keadaan pharate.
  4.  
  5. Aktivasi enzim cairan molting, terjadi  proses lisis endokutikula dan terjadi penyerapan (resorpsi) endokutikula lama.
 

Aktivasi enzim dihubungkan dengan  terjadinya transport potassium ke dalam ruang eksuvial disertai dengan aliran  air. Cairan ini disebut cairan moulting dan mengandung komposisi ion sebagai  buffer enzim yang mengatur pH selama pencernaan kutikula. Enzim tersebut akan  mencerna seluruh lapisan kutikula yang tidak tersklerotisasi tetapi tidak ada  pengaruhnya terhadap otot-otot atau syaraf yang berhubungan dengan kutikula  lama. Produk kutikula yang tercerna ini diabsorbsi melalui mulut atau anus dan  mungkin juga secara langsung melalui integumen itu sendiri.

     
  1. Deposisi calon eksokutikula  pharate
 

Deposisi kutikula baru berangsur-angsur  bertambah seiring dengan  pencernaan dan  penyerapan kembali kutikula lama. Keadaan ini dapat mengkonservasi 90% kutikula  lama.

     
  1. Ekdisis
 

Saat cairan  molting dan  hasil cernaannya diresorbsi, kutikula lama makin menipis dan lama kelamaan  habis dan meninggalkan epikutikula dan eksokutikula lama yang terpisah dari  prokutikula baru. Rongga apolisis jelas terpisah dan serangga mulai melakukan  aktivitas ekdisis. Ekdisi diawali dengan pecahnya garis ekdisis yang dapat  dilakukan dengan berbagai cara. Pada Schistocerca atau serangga lainnya,  terjadi peningkatan volume darah. Persiapan ekdisis diawali dengan menelan udara  atau air, kemudian ditelan ke dalam usus sehingga tekanan hemolimf meningkat.  Darah dipompa ke bagian toraks atau kepala dan memecahkan bagian integumen yang  tipis atau lemah. Ekdisis biasanya dimulai dari kepala atau toraks dahulu  kemudian diikuti oleh abdomen dan embelannya.

     
  1. Ekspansi kutikula baru
 

Setelah selesai ekdisis, instar baru akan mengawali aktivitas  makan dan mulai mengawali siklus apolisis dikuti ekdisis. Kutikula baru yang  masih lentur akan mengembang sejalan dengan pertumbuhan dan perbesaran  tubuhnya. Ekspansi kutikula akan diikuti proses tanning dan akan terhenti  hingga kutikula mengeras dan segera akan melakukan moulting berikutnya.

     
  1. Permulaan tanning 
 

Enzim fenol oksidase terlibat dalam proses tanning kutikula.  Enzim ini pada awalnya berada di dalam hemolimf dalam bentuk proenzim tidak  aktif, kemudian diaktivasi oleh enzim yang berasal dari ekstrak kutikula. Ada tiga  jenis enzim profenol oksidase. Dua enzim yang  mengoksidasi L-dopa yaitu dopa oksidase dan satu enzim yang mengoksidasi dihidroksifenilalanin  (dopa) maupun tirosin (tirosin adalah substrat awal dalam tanifikasi). Struktur  protein dan enzim pada kutikula berpartisipasi dalam proses tanning  yang disebut sklerotisasi. Proses ini  melibatkan hidroksilasi tirosin menjadi dihidroksifenilalanin (DOPA) yang  didekarboksilasi menjadi dopamine dengan perantara dopa-dekarboksilase. Dopamin  kembali diasetilasi membentuk N-asetildopamin. Melalui system fenolase  N-asetildopamin dioksidasi menjadi o-Quinon yang bereaksi dengan kelompok amino  di dalam protein kutikula.

     
  1. Sekresi endokutikula
  2.  
  3. Sekresi lilin
  4.  
  5. Lanjutan deposisi dan  tanifikasi endokutikula
  6.  
  7. Formasi membran apolisis untuk  molting berikutnya.

Urutan proses ganti kulit tersebut di atas dapat  digambarkan seperti pada gambar 13.
  Proses ganti kulit serangga

Adapun proses ganti kulit yang diatur oleh  hormon ekdison, secara biokimia dalam prosesnya disamping melibatkan beberapa  enzim juga akan melibatkan beberapa hormon lain yang bekerja secara simultan. Secara  skematik proses biokimia yang terlibat dalam proses ganti kulit tersebut  digambarkan pada gambar 14.
Skematik proses biokimia dalam ganti kulit serangga

Urutan kejadian dalam pengaturan proses apolisi  dan pembentukan kutikula adalah sebagai berikut:
  1.   PTTH (prothoracicotropic hormone) akan merangsang  kelenjar protorak untuk mensintesis dan melepaskan hormon ekdison,
  2.   Hormon  ekdison beredar di dalam hemolimfa,
  3.   Hormon ekdison  akan mengalami hidroksilasi pada jaringan tubuh menjadi 20-hidroksiekdison,
  4.   20-hidroksiekdison mengatur gen yang akan membentuk  kutikula.
  5.   Hormon  pemicu ekdisis (ecdysis trigerring hormone, ETH) merangsang pelepasan hormon eklosi (eclosion hormone, EH) dari otak,
5a. ETH juga  akan mengaktifkan perilaku pre-eklosi,
6.   Simpul  umpan-balik positif antara ETH dan EH mengakibatkan pelepasan EH  dalam jumlah besar,
7.   Pelepasan  EH terpusat merangsang pelepasan Crustacean cardioactive peptide (CCAP)  dari neuron pada ganglion ventral,
7a.  EH yang  bekerja melalui hemolimfa mengakibatkan pengenyalan kutikula
8.   CCAP  mengaktifkan perilaku eklosi dan menghentikan perilaku pre-eklosi
8a. CCAP yang bekerja melalui hemolimfa  meningkatkan denyut jantung,
9.   Bursikon  mula-mula merangsang pengenyalan kutikula, kemudian mengaktifkan proses  sklerotisasi kutikula.

Sumber bacaan

Blum  MS. 1985. Fundamentals of insect physiology. John Wiley & Sons Inc. USA.
  Chapman RF.  1998. The Insect Structure and Function 4th. Cambridge. Harvard University  Press.
  Rockstein  M. 1978. Biochemistry of insects. Academic Press. Inc. USA.
  Vickery ML. and Vickery B.  1981. Secondary plant metabolism. The  Macmillan press Ltd. London and Basingstoke.
  Bahan Kuliah Fisiologi Serangga. Sekolah Pascasarjana  Institut Pertanian Bogor.


Pertanian Sehat Indonesia | Berkomitmen Membangun Pertanian Indonesia : http://www.pertaniansehat.or.id
Versi Online : http://www.pertaniansehat.or.id/?pilih=news&aksi=lihat&id=91