TM 7 KOMUNIKASI SEL. Tim Dosen Biologi Molekuler FFS-UHAMKA

Tim Dosen Biologi Molekuler

FFS-UHAMKA

KOMUNIKASI SEL

1

Pendahuluan

2

 Sel berkomunikasi untuk menyampaikan informasi

 Bentuk komunikasi sel – sel unisel dan sel – sel multiseluler

berbeda

 Pd organisme unisel  semua kegiatan yg menunjang

kehidupan sel dilakukan sendiri oleh sel yang bersangkutan

 Pd organisme multisel  semua kegiatan tdk dilakukan sendiri

 ada kerjasama diantara sel2 tsb

 Komunikasi sel menjadi hal yang sangat penting bagi

organisme multisel

 Organisme multisel berkomunikasi dan bekerjasama untuk

menjaga homeostasis

Metode Sel berkomunikasi / signaling

3

 Sel signaling menggunakan messenger kimiawi (protein atau

steroid)

 Komunikasi sel jarak dekat (local signaling)

Komunikasi Antar Sel

 Komunikasi antar sel diperlukan utk :

 mengatur pengembangan & peng-organisasian sel menjadi

suatu jaringan

 mengawasi pertumbuhan dan pembelahan

 mengkoordinasi aktivitas

 Komunikasi sel akan melibatkan 2 pihak yaitu pihak yg

memberikan pesan dan pihak yg menerima pesan  utk dpt menerima pesan maka sel sasaran hrs memiliki reseptor yg akan meneruskan utk melakukan respon

Cara Sel Melakukan Komunikasi

1. Dengan membentuk gab junction sehingga terjadi hubungan

antara sitoplasma dari ke 2 sel

2. Dengan mengadakan kontak langsung melalui molekul khusus

pd membran yg akan memberikan sinyal pd reseptor sel target

3. Dengan pelepasan messenger (bahan kimia mediator) yg

bertindak sebagai sinyal untuk dikirim ke sel sasaran yg jauh letaknya

 Sel hewan dan sel tumbuhan dapat berkomunikasi dengan

kontak langsung  memiliki cell junctions yang secara

langsung menghubungkan sitoplasma dengan sel sebelahnya Plasma membranes

Plasmodesmata between plant cells Gap junctions

between animal cells

Cell junctions. Both animals and plants have cell junctions that allow molecules to pass readily between adjacent cells without crossing plasma membranes.

Cara Sel Melakukan Komunikasi

 Pada signaling lokal : dapat berkomunikasi melalui interaksi

antara molekul-molekul yang menonjol dari permukaan sel

Cell-cell recognition. Two cells in an animal may communicate by interaction between molecules protruding from their surfaces.

Cara Sel Melakukan Komunikasi (sel Hewan)

7

8

 factor Receptor

Exchange of mating factors. Each cell type secretes a mating factor that binds to receptors on the other cell type. 1 Mating. Binding of the factors to receptors induces changes in the cells that lead to their fusion.

New a/ cell. The nucleus of the fused cell includes all the genes from the a and a cells. 2 3  factor Yeast cell, mating type a Yeast cell, mating type    a/ a a Pada Yeast

Cara Komunikasi Sel Multisel

9

Hello!

signaling cell _{target cell}

Komunikasi antar sel melalui molekul signaling

 Sel yang menghasilkan molekul signaling disebut

Signaling cells

 Sel yang menrima molekul signaling disebut

Target cells

Molekul signaling dapat berupa protein, peptide pendek, asam amino, nukleotida, steroid, retinoid, turunan asam lemak, nitric oxide, carbon monoxide

Molekul signaling dapat berupa molekul yang disekresikan sel signaling atau berupa molekul yang menempel di permukaan sel

Apapun bentuk signal, sel target akan merespon dengan suatu reseptor spesifik terhadap molekul signal tersebut dan menginisiasi

serangkaian respon

Signal ekstraseluler berikatan dengan reseptor spesifik

Empat bentuk signaling komunikasi antar sel

13

Signaling jarak dekat

14

1. Parakrin

 Molekul signal (senyawa

kimia) dikeluarkan oleh sebuah sel dan bekerja

pada sel target di dekatnya.

 Molekul pengatur lokal

dilepas ke cairan

ekstraseluler (contoh: nitric oxide, histamine, prostaglandin) Local regulator diffuses through extracellular fluid Target cell Secretory vesicle

Mediator Parakrin

 Sifatnya :

 tdk stabil, cepat rusak

 mudah diterima oleh sel

sasaran

 Contoh mediator : sitokin

 Jika mediator diterima oleh sel

penghasil media-tor maka disebut autokrin

Signaling jarak dekat

16

2. Sinaptik

 Sel saraf melepaskan molekul

kimia neurotransmiter ke dalam sinapsis.

 Neurotransmitter berdiffusi di

daerah sinaps, hingga sel target terstimulasi

Electrical signal along nerve cell triggers release of neurotransmitter Neurotransmitter diffuses across synapse Target cell is stimulated

Neurotransmitter dan Sinaps

 Sinaps adalah celah pada neuron dg neuron atau dg sel lain

 Neurotransmitter (NT) : senyawa kimia pembawa pesan pada

celah sinaps

 Mediator ini akan dikeluarkan oleh akson  terdifusi dalam

matrik di celah sinaps  akan ditangkap oleh reseptor pd

membran sel target

 Respon : akan mengubah membran sel target pd kegiatan

potensial/merubah voltase membran (sinyal kimia  sinyal

listrik)

Signaling jarak jauh

18

1. Endokrin

 Hormonal  Sel endokrin

mensekresi hormon ke cairan tubuh seringkali ke dalam darah

 Hal tersebut memungkinkan

hormon mencapai seluruh bagian sel tubuh.

Hormone travels in bloodstream to target cells Blood vessel Target cell Endocrine cell

Mediator Melalui Peredaran Darah

 Mediator nya dikenal sbg hormon

 Macam hormon : golongan protein atau steroid

 Hormon Steroid : mudah dalam menyampaikan pesan karena

mudah melalui lapisan lipid dari membran bilayer shg TIDAK PERLU RESEPTOR khusus di permukaan sel. Tetapi mediator steroid mengalami kesulitan dalam pengangkutannya melalui darah

 Hormon protein : mudah diangkut dalam darah, NAMUN

perlu reseptor di permukaan sel target utk mengenalinya.

 Sbg first messenger

Hormon Protein

 Reseptor utk hormon protein pd membran sel target bertindak

sbg transducer dg cara meng-atur enzim atau pembukaan gerbang ion

 Reseptor hormon protein berada di permukaan sel target

 Sebagai first messenger  setelah ada ikatan antara Hormon

dg Receptor maka pesan akan diteruskan oleh second

messenger

 Second messenger bekerja dalam sel yang akan mengubah

perilaku sel sebagai bentuk dari respon

 Ada 3 jenis reseptor pd sel target yang dapat

membangkitkan sinyal intraseluler (=second messenger)

Macam Reseptor

 Terdapat tiga tipe reseptor

membran yang membantu proses komunikasi sel

1. Reseptor yang berkaitan dengan Protein G 2. Reseptor yang berkaitan dengan Tyrosine kinases 3. Reseptor yang

berkaitan dengan Ion channel

 nama lain : G-protein linked receptor (GPLR)

 G-protein pd reseptor sebagai molekul intermediat

 Ketika ligan berikatan dg reseptor akan membentuk reseptor

kompleks

 G - protein kemudian diaktifkan dan selanjutnya berikatan

dengan efektor (enzim) yg ada dalam sel

Reseptor yang berkaitan dengan Protein G

22

 Reseptor tirosine kinase merupakan reseptor untuk faktor

pertumbuhan

 Reseptor kinase juga merupakan reseptor membran yang

melekatkan fosfat ke tirosin protein

2. Reseptor Tirosin Kinase

24

Signal molecule Signal-binding sit CYTOPLASM Tyrosines Signal molecule Helix in the Membrane Tyr Tyr Tyr Tyr Tyr Tyr Tyr Tyr Tyr Tyr Tyr Tyr Tyr Tyr Tyr Tyr Tyr Tyr Tyr Tyr Tyr Tyr Tyr Tyr Tyr Tyr Tyr Tyr Tyr Tyr Dimer Receptor tyrosine kinase proteins (inactive monomers) P P P P P P Tyr Tyr Tyr Tyr Tyr Tyr P P P P P P Cellular response 1 Inactive relay proteins Activated relay proteins Cellular response 2 Activated tyrosine-kinase regions (unphosphorylated dimer)

Fully activated receptor tyrosine-kinase (phosphorylated dimer) 6 ATP 6 ADP

Tirosin Kinase

25

 Reseptor permukaan yg akan membuka/ menutup pintu

gerbang ion dalam membran sel yang akan membangkitkan sinyal intraseluler

 Membuka atau menutup secara singkat sebagai respon atas

pengikatan suatu neurotransmitter

3. Reseptor yang berkaitan dengan Ion channel

26

Cellular response Gate open

Gate close Ligand-gated

ion channel receptor

Plasma Membrane Signal

molecule (ligand)

Gate closed _Ions

Ion Channel

27

Hormon Steroid



Bersifat hidrofobik, memiliki BM yang sangat rendah



Setelah masuk sel setiap hormon steroid akan terikat

erat ( tetapi reversible) dg protein reseptor-nya 

akan menyebabkan perubahan alosterik dlm

konformasi reseptor  meningkat-kan

kemampuannya dalam mengikat DNA



Ikatan Receptor – Hormon

 akan mengatur

transkripsi DNA pd gena tertentu yg akan memulai

perubahan perilaku sel sesuai dg pesanan

Hormon Steroid

 dpt masuk sel dg ca-ra difusi sederhana.  Terikat pada reseptor intraseluler (berada dlm sitoplasma) Hormone (testosterone) EXTRACELLULAR FLUID Receptor protein DNA mRNA NUCLEUS CYTOPLASM Plasma membrane Hormone-receptor complex New protein 1 The steroid hormone testosterone passes through the plasma membrane.

The bound protein stimulates the transcription of the gene into mRNA.

4 The mRNA is translated into a specific protein. 5 Testosterone binds to a receptor protein in the cytoplasm, activating it. 2 The hormone-receptor complex enters the nucleus and binds to specific genes.

3 29

Proses Komunikasi Seluler



Terdiri dari 3 tahap

1.

Penerimaan

2.

Transduksi

3.

Respon

Tahapan Komunikasi Seluler (1)

1. Penerimaan yaitu pendeteksian sinyal yang datang dari luar sel oleh sel target

2. Transduksi

 Pengikatan molekul sinyal akan mengubah protein reseptor 

mengawali proses transduksi

 Reseptor bersifat sangat spesifik

 Intracellular receptors  sitoplasma atau protein nukleus

 Molekul sinyal yg menggunakan reseptor ini ada-lah yg kecil

atau hidrofobik & dapat langsung melewati plasma membran

 Reseptor pada membran plasma

3. Respon

 Sinyal yang ditransduksi memicu respon selular spesifik

Tahapan Komunikasi Sel

Jalur Transduksi Signal

32 EXTRACELLULAR FLUID Receptor Signal molecule

Relay molecules in a signal transduction pathway Plasma membrane CYTOPLASM Activation of cellular response Reception 1 2 Transduction 3 Response Primary Messenger Secondary Messengers Target Enzymes Cascade Effect

Lintasan Transduksi Sinyal

 Kemampuan suatu sel

 Sinyal kimia akan dikonversi dari satu tipe sinyal menjadi

sinyal lain untuk menghasilkan respon molekular

 Perubahan sinyal membutuhkan langkah enzimatik

A  B  C dst

 All organisms require signaling pathways to live

1. Sinyal (ligan) = molekul kimia (organik/anorganik) yang ada di lingkungan sel

2. Reseptor = bagian sel yang berfungsi untuk mengenal sinyal & menerima sinyal

3. Isyarat molekul internal = mengubah (transduk-si) isyarat asli ke dalam perilaku seluler

4. Target protein : nukleus dan sitoplasma

5. Respon : dapat berupa gerakan, sintesa protein dan pembelahan

Komponen Komunikasi Sel

34

Second Messenger

 Ligan yg terikat pd reseptor (R)  first messenger

(berada di luar sel)

 Akibat aktivasi dari Reseptor akan dihasilkan molekul

sinyal lain yg dpt terdifusi di dalam sel yg akan memicu aktivitas dalam sel  second messenger

Penyampaian Sinyal oleh Second Messenger

 Komunikasi yg menggunakan sinyal mediator yg bersifat

hidrofilik hanya dapat mencapai reseptor permukaan sel & tidak dapat mencapai langsung subtansi genetik shg belum dapat mengubah perilaku sel target  sehingga diperlukan

second messenger

 Perilaku sel target : metabolisme / pembelahan sel / lainnya

 Untuk melanjutkan sinyal first messenger dapat berlangsung

serangkaian proses yang akan sampai pd second masseger

 Rangkaian proses tsb adalah aktivasi enzim adenilil siklase

 Second messenger

1. Protein G

2. Ion Ca++

Protein G

39

 ikatan Receptor (R) – Hormon (H) tdk langsung mengaktivasi

adenilil siklase tetapi memerlukan protein G (GTP binding protein)

 Pd kondisi istirahat : Protein G mengikat GDP

 Protein G memiliki 3 sub unit , , dan 

 Pd saat H berikatan dg R  protein G bergeser mendekati

R dan terjadi ikatan dg bagian R  protein G melepaskan GDP dan diganti dg molekul GTP

 Ikatan GTP ini mengaktivasi sub unit  dr pro-tein G  sub

unit  yg telah aktif melepaskan diri dan berpindah utk berikatan dg efektor (adenilil siklase) yg berada dalam membran sel

40

 Selanjutnya sub unit α akan menghidrolisis GTP mjd GDP dg katalisator GTP-ase

 sub unit α yg terikat oleh GDP mjd inaktif dan akan melepaskan diri dr efektor utk bergabung dg sub unit lain

 Adenilil siklase yg telah diaktifkan akan mengubah ATP dalam sitoplasma mjd cAMP yg akan bertindak sbg second messenger  cAMP akan mengatur reaksi2 dalam sel prokariota dan eukariota

tetapi cAMP tdk diperlukan dalam proses pembelahan sel.

 Mediator tsb berefek pd sel hewan melalui aktivasi enzim kinase (cAMP dependent protein kinase)

41

 enzim kinase menjadi katalisator dalam pemindahan gugus fosfat dr ATP ke protein lain protein penerima gugus fosfat akan mjd aktif  Contoh perubahan perilaku sel :

otot rangka setelah mendapat rangsangan dr hor-mon epinefrin akan

menyebabkan serangkaian reaksi yg berakhir dg pemecahan glikogen yg diikuti oleh glikolisis

Otot jantung setelah dapat rangsangan dr sinyal norepinefrin akan

membuat otot jantung berkontraksi

Otot jantung setelah dapat rangsangan dr sinyal asetilkolin akan

42

 First messenger terikat pd G protein linked receptor α akan mengaktifkan G-proteins α mengaktif-kan adenilil siklase α memicu pembentukan cAMP, yang kemudian berlaku

sebagai second

messenger dalam lintasan seluler ATP GTP cAMP Protein kinase A Cellular responses G-protein-linked receptor Adenylyl cyclase G protein First messenger (signal molecule such as epinephrine)

Molekul kecil dan Ion sebagai Second Messenger

43

 Second messengers : mediator intraseluler yg berukuran kecil,

non-protein, molekul larut dalam air atau berupa ion, dapat berdifusi kedalam sitosol

 Mediator intraseluler yg berukuran besar disebut protein intraseluler

signaling  meneruskan signal dg mengaktifkan protein target atau menghasilkan mediator lain dalam sel

Cyclic AMP (cAMP)  terbuat dari ATP

O –_{O O} O N O O O O P P P P P P O O O O O OH CH2 NH2 NH2 NH2 N N N N N N N N N N N O O O ATP Ch2 CH2 O OH OH P O _O H2O HO

Adenylyl cyclase Phoshodiesterase

Pyrophosphate

Cyclic AMP AMP

OH OH O

Ion Ca ++ sebagai second messenger

44

 Ion Ca 2+ dpt mjd second messenger utk molekul sinyal

tertentu

 Peran ion Ca 2+ :

 Kontraksi otot

 Sekresi hormon

 Sekresi enzim pencernaan

 Pelepasan Neurotransmitter

 Pengangkutan garam dan air melintasi epitel usus

45

 Sel akan memiliki seperangkat mekanisme utk mengatur

kadar ion Ca++ _{dlm sel yaitu mengatur gerakan ion Ca}++

melewati 3 membran yi membran sel, inner membran pd mitokondria dan membran yg membatasi ruangan utk

persediaan ion Ca++

 Perputaran ion Ca++melintasi membran plasma diperlukan utk

membangkitkan respon yg terpeli-hara oleh sel terhadap rangsangan (co : sekresi insulin, kontraksi otot polos pd dinding pembuluh darah)

46

 Kadar ion Ca++ dlm sel sgt kecil  sel akan sgt peka thd

perubahan kadar ion Ca++ _{yg sgt kecil  utk}

mempertahankan perbedaan kadar antara dalam dan luar sel maka membran sel akan mengandalkan

permeabilitas yg rendah thd ion Ca++ _{dan “pompa” yg}

mendorong ion Ca++ _{keluar sel, co :}

 Pd pelepasan neurotransmiter  kadar ion dalam sitosol yg

tinggi menyebabkan terjadi ikatan ion dg protein reseptor dlm sitosol (mengawali proses)  protein reseptor akan berinteraksi dg protein lain utk melakukan reaksi berikutnya

 Bila kadar ion Ca++ turun  maka ion Ca++ akan lepas dr

Sinyal dan Tanggapan Sel Target

47

 Setiap sel diprogram utk menanggapi sinyal yg berikatan dg

resptor

 Sel yg mendapat sinyal akan menanggapi secara selektif

 Sel yg berbeda jenisnya dapat memberikan tanggapan yg

berbeda thd sinyal kimia yg sama, co : asetilkolin pd otot rangka  kontraksi

asetilkolin pd otot jantung  mengurangi kekuatan kontraksi Asetilkolin pd kelenjar  merangsang sekresi

Signal Transduksi

48

49

 signal transduction adalah proses suatu sel untuk mengubah satu jenis signal atau

stimulus (rangsang) menjadi signal yang lain, seringkali melibatkan sekuens yang berurutan dari suatu reaksi biokimia di dalam sel yang dilakukan oleh enzim, diaktivasi oleh mesenger kedua sehingga menghasilkan suatu pathway yang dikenal sebagai "signal trandusction pathway".

 Proses ST terjadi secara cepat, bahkan dalam tingkat seperseribu detik

(milliseconds) misalnya pada ion flux; atau dalam hitungan menit misalnya pada aktivasi enzim kinase yang dimediasi protein dan lemak ; atau dalam waktu jam dan hari misalnya pada ekspresi gen.

 Pada proses ST jumlah protein dan molekul lain yang terlibat akan meningkat

sejalan dengan meningkatnya stimulus, sehingga menimbulkan suatu "signal cascade“.

 Seringkali kejadian itu disebabkan oleh suatu stimulus yang kecil namun

50

 Pada bakteri dan organisme satu sel lainnya, terjadinya ST dapat bermacam-macam tergantung pada stimulus yang diterima dari lingkungannya.

 Pada organisme multiseluler, multitude dari ST yang berbeda diperlukan untuk mengkoordinasikan behavior dari sel untuk mendukung fungsinya pada organisme tersebut

 Semakin kompleks organisme, semakin kompleks pula sistem ST yang harus dimilikinya

 Penyakit yang timbul akibat ST yang rusak (gagal) adalah diabetes, penyakit jantung, autoimmunity and kanker..

Animasi Sinyal Transduksi

51