Biologi Sel dan Molekuler
5. Sistem Endomembran
Lab. Genetika dan Biologi Molekuler Prodi Biologi FMIPA UNPAD 2016
Pendahuluan
Sistem Endomembran– disusun oleh berbagai membran
yang tersuspensi di sitoplasma sel eukariotik.
Membran tersebut membagi sel menjadi kompartemen yang struktural dan fungsional – organel
Retikulum endoplasma, Badan Golgi, Endosom, Lisosom, Vakuola Sel prokariot tidak memiliki sistem endomembran
Pendahuluan
Organel pada sistem endomembran bersifat dinamis
dan membentuk suatu jejaring yang terintegrasi
Berperan penting dalam sintesis (dan hidrolisis)mekromolekul di dalam sel
Juga dalam memodifikasi makromolekul agar fungsional
Fungsi setiap organel merupakan bagian dari unit-unit yang terkoordinasi
Sistem Endomembran
RE Kasar Vesikula transport dari RE Vesikula transport dari Golgi Membran Plasma Nukleus RE halus Selubung inti Golgi apparatus Vakuola LisosomTransport Materi via Sistem Endomembran
Materi ditransport dari satu organel menuju organel lain menggunakan vesikula transport bermembran yang merupakan tunas dari komparteman donor bermembran
Saat mencapai tujuan, vesikula dapat fusi dgn membran akseptor
Vesikula transport bergerak dengan pola yang terarah, seringkali ditarik oleh protein motoris yang bekerja di jalur yang dibentuk oleh sitoskelet (mikrotubulus dan mikrofilamen)
Jalur Transportasi Vesikula Transport
Jalur biosintetik:
Protein disintesis protein dengan bantuan ribosom di RE -dimodifikasi saat menuju dan di badan Golgi - ditransport ke berbagai tujuan, mis. ke membran plasma, lisosom atau vakuola; Dinamakan pula jalur sekretori
Transportasi protein (protein terlarut yg akan dikeluarkan sel atau disimpan di kompartemen lain [mis.:enzim lisosom], protein integral di membran sel), lipid, dan polisakarida kompleks
Terdiri atas dua jenis: sekresi konstitutif dan sekresi regulatif
Jalur endositik:
materi dari luar masuk ke dalam kompartemen sel mis.: endosom dan lisosom yang berada di sitoplasma
Transportasi Vesikula Transport via Jalur
Biosintetik
a)
Konstitutif
Materi yang dibawa vesikula, akan dibawa dari tempat sintesis dan
dikeluarkan ke ruang ekstrasel secara kontinyu, mis.
materi untuk matriks ekstraselular; materi untuk pembentukan dinding sel; materi untuk membran sel
b)
Regulatif
Materi yang akan dikeluarkan dari sel disimpan dahulu dalam
vesikula di dalam sel, materi akan dikeluarkan bila ada stimulus yg sesuai. mis:
Sel saraf yang mengeluarkan neurotransmiter; Sel pankreas mengeluarkan enzim pencernaan; Sel endokrin melepaskan hormon
Pada jalur ini, sel dapat menyimpan materi yg akan disekresikan di
dalam granula sekretoris yg berukuran lebih besar dan padat
Jalur Transportasi
Vesikula Transport
•Jalur Biosintetik
a)Konstitutif b)Regulatif •Jalur endosistik
A. Retikulum
Endoplasma (RE)
Struktur
Membran yang terkoneksi dengan selubung inti dan menyebar di hampir keseluruhan sitoplasma
Merupakan sistem berpasangan dari membran paralel yang melingkupi ruang sempit (lumen)
dengan berbagai ukuran – tersusun oleh jejaring saluran (tubulus) dan kantung pipih (cisternae) yang terpisah dari lingkungan sitoplasma
Menyusun sekitar 50% membran pada sel eukariot
A. Retikulum Endoplasma (RE)
Terdiri dari:
RE kasar (RER) – berikatan dengan ribosom
RE halus (SER) – tidak berikatan
dgn ribosom
Studi dgn penanda
radioaktif menunjukkan
bahwa RE halus
disintesis dari RE kasar
A. Retikulum
Endoplasma (RE)
Struktur
Komposisi dari ruang sistena atau luminal di dalam membran RE berbeda dgn ruang sitoplasma di sekitarnya
Antara RE kasar dan RE halus
merupakan struktur membran yang kontinyu Beberapa protein yang sama berada di keduanya(misalnya yg
terlibat dalam sintesis lipid dan kolesterol), ada juga protein yg berada di salah satu RE
A. Retikulum Endoplasma (RE)
Fungsi
: Menghasilkan membran
Berperan dalam biositesis
Berparan dalam penyokong mekanik dan distribusi sitoplasma
Berperan dalam konduksi intraseluler impuls saraf, secara khusus disebut retikulum sarkoplasmik
Berperan dalam pertukaran intraseluler dari materi dengan sitoplasma
Menyediakan area permukaan yang luas untuk terjadinya reaksi kimia
A1. RE Halus
Banyak ditemukan di sel otot rangka, sel-sel pada tubulus ginjal, sel-sel kelenjar endokrin penghasil steroid; pada tumbuhan banyak ditemukan pada sel penghasil minyak.
Peran SER:
Sintesis hormon steroid dalam sel endokrin di gonad dan korteks adrenal
Detoksifikasi berbagai senyawa organik di dalam sel hati
Termasuk barbiturat dan alkohol -- pemakaian kronis proliferasi SER pada sel-sel hati
Pembebasan glukosa dari glukosa-6-fosfat, mis. dalam sel hati
Pengaturan kadar Ca2+dalam sitoplasma sel otot rangka dan sel otot
jantung kontraksi otot
Sintesis lipid – minyak, fosfolipid, steroid
A1. RE halus
Peran RE halus dalam sintesis lipid, misalnya di sel epitel pada usus halus, yaitu RE halus menyintesis lipid dari asam lemak dan gliserol yang sebelumnya diabsorbsi melalui mikrovili, yg selanjutnta diteruskan ke badan Golgi untuk dieksport
Model pembentukan badan lemak pada tumbuhan
yang melibatkan peran dari retikulum endoplasma
A2. RE Kasar
Fungsi:
Menghasilkan protein yang akan dieksport menggunakan vesikula transport
Banyak ditemukan di dalam sel
yang memiliki aktivitas sekresi protein yang tinggi, misalnya
Sel-sel asinus pankres, sel Goblet (penghasil mukus—mukoprotein) di saluran pencernaan dan respirasi, sel-sel endokrin penghasil hormon polipeptida, sel plasma penghasil antibodi, hepatosit penghasil protein serum darah
Lokalisasi Produksi Polipeptida
Bbrp polipeptida disekresi di ribosom yg terikat di
permukaan sitosolik dari membran RE kasar
Protein yang disekresikan keluar sel
Protein integral di membran
Protein terlarut yang disimpan dalam komparetemen lain di sistem endomembran (RE, Badan Golgi, lisosom, endosom, vesikula, vakuola)
Bbrp polipeptida disintesis di ribosom bebas yg tersebar
di sitoplasma, dan dilepaskan ke sitosol
Protein yg tetap berada di sitosol (enzim utk glikolisis, protein penyusun sitoskelet)
Protein perifer yg berada di permukaan dalam membran plasma
Protein yg ditransport ke nukleus
Lokalisasi
Produksi
Polipeptida
Sintesis protein sekretoris, lisosomal, vakuolaris pada
ribosom terikat membran RE
Sintesis protein sekretoris, lisosomal, vakuolaris pada
ribosom terikat membran RE
1. Sintesis polipeptida dimulai di ribosom sesaat setelah mRNA terikat. Pada saat sekuens sinyal (merah) berupa residu 6-15 aa hidrifobik keluar dari ribosom, maka akan terikat pada SRP (Signal Recognation Particle) – Partikel pengenalan sinyal, yg akan menghentikan translasi hingga kompleks SRP-ribosom-sekuens sinyal kontak dgn membran RE via reseptor SRP (2) yg diperlukan utk penempatan polipeptida di lumen RE 3. Perlekatan kompleks dgn reseptor SRP menyebabkan pelepasan SRP dan penggabungan ribosom dgn translocon (protein channel) di membran RE. 4. Peptida sinyal berikatan dgn bagian interior translocon , menggeser
sumbat dari saluran di protein channel, shg bagian sisa polipeptida ditranslokasikan melalui membran masuk ke lumen RE peptida sinyal dipotong oleh protein membran (peptidase) protein akan dilipat oleh chapeon (misal BiP) untuk diproses lebih lanjut.
Sintesis protein integral membran
Terjadi dalam RE
Mengandung satu atau lebih segmen transmembran yang
hidrofobik
Proses hampir serupa dengan sintesis protein yang akan
disekresikan, tetapi terdapat urutan asam amino yang
bersifat hidrofobik yang akan berikatan dengan protein
hidrofobik pada membran RE.
Sintesis protein integral membran
Biosintesis membran terjadi di dalam RE
Membran sel tidak dihasilkan secara de novo,
Membran baru dihasilkan dari membran yg sudah ada
Membran tumbuh saat protein dan lipid yg baru disintesismengalami insersi pada membran yg sudah ada di RE.
Komponen membran ditransport dari RE ke kompartemen
lain di sel – protein dan lipid dimodifikasi oleh enzim yang
terdapat di orgenel yg dituju
Sintesis lipid untuk membran
Lipid untuk membran pada umumnya disintesis di RE Fosfolipid disintesis di RE
Sfingomielin dan glikolipid disintesis di RE dan dilengkapi di badan Golgi
Enzim yang terlibat dalam sintesis fosfolipid merupakan protein integral di membran RE dgn sisi aktifnya menghadap sitosol.
Fosfolipid yg baru disintesis diinsersi ke bagian membran yg menghadap sitosol
Pada saat biosintesis membran, dapat terjadi pergerakan fosfolipid dengan cara flipflop (bantuan enzim flippase) untuk mengubah posisi fosfolipid
Lipid dibawa dari ER ke Golgi dan membran plasma dalam bentuk bagian daripada bilayer yang membangun membran vesikula transport.
Sintesis lipid untuk membran
Dua molekul asam lemak akan ditambahkan pd
gliserol-3-fosfat untuk menghasilkan asam gliserol-3-fosfatidat (acyl transferase)
Hal ini terjadi untuk memperluas lipid bilayer
Fosfatese dan fosfotransferase melekat pada gugus kepala
(gugus fosfat)
Menentukan sifat kimia dari membran lipid
Lipid dapat didistribusikan di dalam sel melalui berbagai cara, yaitu: (a) difusi lateral terjadi antara RE dan selubung inti;
(b) vesikula transport terjadi di antara membran dalam sistem endomembran; dan (c) Protein penukar lipid dapat meneransfer lipid di antara dua membran, seperti antara RE dan mitokondria
Glikosolasi di RE kasar
Hampir semua protein yg dihasilkan di ribosom terikat
membran RE merupakan glikoprotein
Gugus karbohidrat berperan penting sebagai sisi pengikatan antara protein dgn makromolekul lain; juga dalam pelipatan protein agar fungsional
Sekuens gula yg ditambahkan pada oligosakarida yg membentuk glikoprotein sangat spesifik
Penambahan gugus gula pada rantai oligosakarida dikatalisis oleh enzim glikosiltransferase – mentrasfer monosakarida spesifik dari rantai gula nukleotida, misalnya GDP-mannose atau UDP-N-astilglukosamin
Urutan monomoner gula yg ditransfer saat pembentukan oligosakarida bergantung pd sekuens glikosiltransferase yg terlibat
Macam-macam Glikosolasi di RE kasar
N-linked -- glikan terikat pada gugus amina di aspargin dlm RE
O-linked– monosakarida terikat ke gugus hidroksil dari serin atau treonin dlm RE, Golgi, sitosol, dan inti
Glypiation-- Glikan terikat ke fosfolipid dan protein
C-linked -- mannosa terikat ke cincin indol dari triptofan
Phosphoglycosylation– glikan terikat ke serin via ikatan fosfodiester
Glikosilasi di RE kasar – Transport ke Golgi
Pasca glikosilasi, protein dikeluarkan dar RE dgn membentuk vesikula transport
Pada tempat keluar dari sisterna RE kasar tidak ribosom
Setelah terbantuk tunas dari membran RE, terjadi fusi antar vesikula transport hingga membentuk vesikla yg lebih besar dan tubulus yg saling terkoneksi di ruang antara RE dan Golgi – ERGIC (endoplasmic reticulum Golgi intermediate compartment)
Struktur
Terutama disusun oleh kantung membran yang pipih – cisternae – yang tersusun bertumpuk dan membengkok, serta tubulus-tubulus
Ø cisternae : 0,5-1,0 µm, dgn jumlah lapisan 8 dalam satu tumpukan
Dalam satu sel terdapat bbrp hingga ribuan tumpukan kantung Gologi Terdiri atas dua muka:
“cis” – menerima materi dgn cara fusi dgn vesikula transport
“trans” – bagian yg melakukan “pengiriman” dan membentuk tunas vesikula transport
B. Apparatus Golgi
cis face (“receiving” side of Golgi apparatus) Vesicles move from ER to Golgi Vesicles also transport certain proteins back to ER Vesicles coalesce to form new cis Golgi cisternaeCisternal maturation: Golgi cisternae move in a cis-to-trans direction
Vesicles form and leave Golgi, carrying specific proteins to other locations or to the plasma mem-brane for secretion Vesicles transport specific
proteins backward to newer Golgi cisternae Cisternae trans face (“shipping” side of Golgi apparatus) 0.1 0 µm 1 6 5 2 3 4
Pemerosesan protein di apparatus Golgi
Selama mengalami transport dari area “cis” ke “trans”, produk
dari RE dimodifikasi untuk membentuk struktur akhir.
Mater diberi kode tanda, disortir, dan dikemas hingga membentuk vesikula transport
Peran :
Menerima dan memodifikasi hasil dari RE dan meneruskannya ke organel lain atau ke membra sel
Pemilahan, penyelesaian dan transport produk dari sel
Tempat terjadi glikosilasi
Sintesis polisakarida, termasuk rantai glikosaminoglikan dari proteoglikan, serta pektin dan hemiselulosa yg mrpkn komponen dinding sel tumbuhan
Pemerosesan protein di apparatus Golgi
B. Apparatus Golgi Glikosilasi
Kompleks Golgi berperan dalam merangkai komponen karbohidrat dari glikoprotein dan glikolipid.
Di RE, saat sintesis rantai karbohidrat terikat gugus N, residu glukosa dihilangkan dari pusat oligosakarida
Di Golgi, saat melalui cisterna “cis” dan medial”, residu mannosa juga dihilangkan, namu ditambahkan bbrp gula lain oleh glycosyltransferase.
Modifikasi
protein di
Apparatus
Golgi
C. Vesikula Transport
Tipe vesikula transport:
1. Vesikula terbungkus COPII – dari RE menuju ERGIC & Golgi
2. Vesikula terbungkus COPI – arah retrograde – dari ERGIC dan Golgi menuju RE
3. Vesikula terbungkus clathrin – dari Golgi menuju endosom, lisosom dan vakuola
C. Vesikula Transport
D. Lisosom
Kantung/vesikula berisi enzim pencernaan ±50 enzim yang akan
menghidrolisis makromolekul
Enzim dan membran penyusun lisosom disintesis di RE kasar dan ditransportasikan ke Golgi
Enzim dapat aktif pada pH rendah (~5) : protein di membarn lisosom memompa ion H+ dari sitosol ke internal lisosom
Terbentuk dari pertunasan “trans” badan Golgi
Ukuran 25-50 nm -- 1µm.
Hanya ditemukan pada sel hewan
Membran lisosom sangat
ter-glikosolasi – gugus KH membantuk lapisan proteksi dari serangan enzim yg dikandungnya
D. Lisosom
Enzim pada lisosom
- Mencerna makanan- Menghancurkan patogen
‘recycle’ organel yang rusak
Berperan dalam
perkembangan embrio
pada hewan
Peran Lisosom: Fusi dgn organel atau
makromolekul di sitosol untuk recycle materi
1 µm Lysosome contains active hydrolytic enzymes Food vacuole fuses with lysosome Hydrolytic enzymes digest food particles Digestion Food vacuole Plasma membrane Lysosome Digestive enzymes Lysosome
Nucleus Lysosome containing
two damaged organelles 1 µ m
Mitochondrion fragment Peroxisome fragment
Lysosome fuses with vesicle containing damaged organelle
Hydrolytic enzymes digest organelle components
Vesicle containing Digestion
Enzim yang terdapat di Lisosom
5. Vakuola
‘Organel’ multifungsi – merupakan fusi berbagai vesikula
Pada sel dewasa suatu kompartemen besar, mengisi hampir
90% volume sel
Memiliki membran tunggal – tonoplas, yang mengandung
sistem transport aktif
Vakuola memiliki
berbagai fungsi dan
karakter, tergantung
pada tipe sel
5. Vakuola
Dimiliki oleh sel tumbuhan atau fungi dan protista
Terdiri dari:
Vakuola makanan dibentuk melalui fagositosis
Vakuola kontraktil (pada protista) memompa kelebihan air keluar dari sel
Vakuola sentral (sel tumbuhan) pemyimpanan molekul organik
dan air Central vacuole
Cytosol Tonoplast Central vacuole Nucleus Cell wall Chloroplast 5 µm 50 µm
Thousands of cilia cover the surface of Paramecium.
The undigested contents of food vacuoles are released when the vacuoles fuse with a specialized region of the plasma membrane that functions as an anal pore.
Paramecium, like other freshwater
protists, constantly takes in water by osmosis from the hypotonic environment. Bladderlike contractile vacuoles accumulate excess water from radial canals and periodically expel it through the plasma membrane.
Food vacuoles combine with
lysosomes. As the food is digested, the vacuoles follow a looping path through the cell.
Paramecium feeds mainly on bacteria.
Rows of cilia along a funnel-shaped oral groove move food into the cell mouth, where the food is engulfed into food vacuoles by phagocytosis.
Oral groove Cell mouth
Micronucleus Macronucleus
Vakuola makanan dan vakuola kontraktil pada Paramecium
Contractile Vacuole
Peran vakuola
Kompartemen yang aktif secara osmotik
Air masuk secara osmosispH dalam vakuola rendah pompa H+ATPase – dalam tonoplas yang memompa proton ke dalam carian vakuola Pada tumbuhan CAM pH cairan dalam vakuola berfluktuasi di malam hari terjadi akumulasi asam malat
Berfungsi seperti lisosom
tempat penghancuran senyawa tertentu – oleh enzim hidrolase
Peran vakuola
Tempat penyimpanan cadangan makanan
senyawa dan makromolekul sementara, mis. protein, enzim untuk pencernaan
Tempat penyimpanan senyawa metabolit sekunder
Alkaloid; vinblastin, nikotin; pigmenKristal
komponen bersifat toksik – menyimpan– hasil samping metabolisme.
Hubungan antar organel penyusun sistem
endomembran
1
Membran plasma meluas karena ada fusi Vesikula, protein disekresikan ke luar sel Vesikula transport
membawa protein menuju membran plasma untuk disekresikan. Lysosom dapat fusi Vesikula lain untuk Proses digesti intrasel
4 5 6
Membran inti terhubung dengan RE kasar, yang berlanjut dengan RE halus
Nucleus
Rough ER
Smooth ER
cis Golgi
trans Golgi Membran dan protein
yang dihasilkan oleh RE ditransportasikan dalam bentuk vesikula trasnport menuju apparatus Golgi
Nuclear envelop
Vesikula transport dihasilkan kembali oleh Apparatus Golgi, selain itu dibentuk pula Vesikula lain yg berkembang menjadi lisiosom dan Vakuola
3
Plasma membrane