Membron: Struktur & Fungsi

V

rBidklffio Komunikosi Ekstrobel & ^lntr.osel

Membron: _Struktur & ^Fungsi

',,t ,t,: , :: ::: , , rt r:, , i,:,.: i. |,:, r' .,it::., : : ,,,

Roberl K. Murroy, MD, PhD & Doryl K. Gronner, MD

PERAN BIOMEDIS

Membran _adalah

struktur

piastis atau

lentur

yang sangai

kental. Membran plasma membentuk

kompartemen

tertutup yang mengelilingi protoplasrna sel

untuk memisahkan saru sel dengan sel

lain

sehingga terbentuk individualitas sel. Membran plasma memiliki permeabilitas

selektif dan

bekerja sebagai penghalang (sawar) sehingga perbedaan komposisi antara bagian

dalam dan luar

sei

dapat dipertahankan. Pelmeabilitas selektif

rerurama dimungkinkan oleh adanya kanal dan pompa untuk ion dan substrat. Membran plasma juga mempertukarkan zat dengan

lingkungan

ekstrasel

melalui

eksositosis serta endositosis, dan terdapat bagian-bagian khusus

di struktur membran- taut

celah _@ap

junction)-rempar

sel-sel yanpS berdekatan mempertukarkan zat-zatnya. Selair-r

itu,

membran plasma berperan

penting dalam interaksi antarsel dan

dalam penyaluran sinyal transmembran.

Membran juga membentuk

berbagai kompartemen

khusus di dalam sel. Membran intrasel

semacam

ini membantu membentuk banyak struktur-struktur

yang berbeda secara morfologis (organel), misalnya n.ritokondria,

RE, retikulum

sarkoplasma,

kompleks Golgi,

granula sekre

torik, lisosom, dan membran nuldeus.

Membran melokalisir enzim, berfungsi sebagai eiemen integral dalam

penggabungan eksitasi-respons, dan menjadi

tempar

untuk transduksi energi,

misalnya pada fotosintesis dan fosforiiasi oksidatif.

Perubahan

di

dalam

struktur

membran

(mis.

_akibat iskemia) dapat memengaruhi keseimbangan

air

dan aliran

ion

sehingga dapat memengaruhi semua proses

di

dalam

sel.

Defisiensi

atau

perubahan spesifik

pada

komponen membran tertentu menyebabkan berbagai

penyakit

^(lihat

Tabel

40-5).

Secara singkat, fungsi normal sel bergantung pada kenormalan membran.

PEMELIHARAAN TINGKUNGAN NORMAL INTRA. & EKSTRASET MERUPAKAN HAL MENDASAR BAGI KEHIDUPAN

Kehidupan berawal di lingkungan yang

mengandung air;

jadi,

berbagai reaksi enzim, proses

di tingkat

sel serta subsel, dan seterusnya berkembang

untuk

berfungsi dalam lingkungan tersebut. Karena mamaiia

hidup di

lingkungan gas, bagaimana keadaan cair

ini

dipertahankan? Membran melaksanakannva dengan menginternalisasi dar.r men.rbagi- bagi air tubuh dalam kompartemen-kompartemen.

Air lnlernol Tubuh Mengolomi Komporlementqlisosi

Air

membentuk sekitar 607o massa tubuh tanpa-lemak (lean body masi) pada tubuh manusia dan terdistribusi dalan-r dua kompartemen besar.

A. CATRAN lrurnlsel ^(crs)

Kompartemen

ini

mengandung dua-pertiga air

tubuh

total dan membentuk lingkungan yang bermanfaat bagi sel

untuk

(1) membentuk, menyimpan, dan menggunakan energi; (2) memperbaiki

diri;

⁽³⁾ bereplikasi; dan (4) melakukan tugas khusus.

435

Tabel

40-1. Perbandingan

konsentrasi rata-rata

berbagai molekul di luar dan di dalam

sel

mamalia

MEMBRAN ADALAH STRUKTUR

KOMPLEKS YANG TERDIRI DARI LIPID' PROTEIN, & KARBOHIDRAT

Kita

terutama akan membahas membran yang terdapat di dalam sel eukariot, meskipun banyak prinsip yang dijelaskan juga berlaku bagi membran prokariot. Berbagai membran ^sel memiliki komposisi yang berbeda, seperti tercermin dalam rasio protein terhadap

lipid

(Gambar 40-1). Hal

ini

tidaklah mengherankan

mengingat

perbedaan

fungsi

^membran-

membran tersebut. Membran adalah struktur

tertutuP mirip-lembaran asimetrik dengan permukaan dalam ^dan luar yang berbeda. Struktur berbentuk lembaran

ini

adalah susunan nonkovalen yang stabil ^secara termodinamik dan

aktif

^secara

metabolik' Protein yang

^{melakukan fungsi-}

fr-rngsi spesifik organel, ^sel, atau organisme, banyak terdapat

di

dalam membran.

No*

^'

Kr

Coz- _{bebos}

,V1g'.

c{"

,t,

HCG'',:' ,

' POra- Glukoso Protein

140

mmol/t

^l

4 mrnol,/Ll 2,5 mmoUl

',

_1,5 mmol,/L 100 mmol/L

27 mnollL

2 mmol/L 5,5 mmol/L

i 0 rnnroly'L 140

mmolll

0,

I ^gmolll

30

mmolll,

'

⁴

^mmolft

1O

mmolll

60 mmol/L

0*l

^mmol/L

I 6

s/dl

2

sldL

B. CAIRAN EKSTRASEL (CES)

^Mielin

Sel hati mencit Sel batang retina (sapi) Eritrosit manusia

Ameba

Sel HeLa

Membran luar mitokondria

Retikulum sarkoplasma Membran dalam mitokondria Kompartemen

ini

mengandung sekitar sepertiga

air

tubuh

total dan terdistribusi

antara plasma

dan

kompartemen interstisiurn. Cairan ekstrasel adalah suatu sistem penyalur'

Cairan iui

^men.rbawa

^ke

^sel

^{nutrien (mis.}

^{glukosa, asam}

lemak,

asam

amino),

oksigen, berbagai

ion

setta trace mineral,

dan

berbagai

molekul

regulator

(hormon)

yang mengoordinasikan fungsi ^sel-sel yang terpisah

jauh'

Cairan ekstrasel mengeluarkan CO., produk sisa, dan ^zat toksik atau zat yangtelah didetoksifikasi dari lingkungan sekitar ^sel'

Komposisi lon Cqiron lnlrqsel & ^Ekstrosel Songot Berbedo

Lingkungan internal

^{kaya akar.r}

K'

serta

Mgr'

^{dan fosfat}

adalah

anion

utamanya, seperti diperlihatkan pada Tabel 40-1.

Cairan

ekstrasel ditandai oleh kandungan Na- serta Cart yang tinggi dan

Cl

adalah anion utamanya. Perhatikan juga bahwa konsentrasi glukosa lebih tinggi

di

dalam cairan

.kitr"rel

dibandingkan dengan

di dalam sel,

sedangkan

untuk protein berlaku keadaan sebaliknya.

Mengapa terdapat perbedaan ini? l.ingkungan primordial diperkirakan metupakan tempat asal kehidupan dahulu yang kaya akan

K

dan

Mgr'.

Oleh karena itr-r masuk akal

jika

realsi enzim dan proses biologis lain berkembang maksimal dalam lingkungan t.rr.L',r-rt sehingga konsentrasi ion-ion

ini di

dalam sel menjadi tinggi. Sel menghadapi tekanan ^seleksi yang tinggi ^sewaktu laut berubah secara bertahap menuju komposisi yang kaya:Lkan Na.

dan Cazt. Evolusi perangkat biokimia dan fisiologis yang ^sama sekali baru akan memerlukan perubahan yang sangat ^besar;

lacli, sel membentuk ^pembatas (sawar)-membran disertai

pompa-unuk

mempertahankan linghungan mikro internal'

01234

Perbandingan protein terhadap lemak

Cambar 40-1. Rasio protein terhadap lipid di berbagai membran' Protein sama atau melebihi iumlah lipid di hampir semua membran' Pengecualian yang mencolok adatah mielin, suatu insulator listrik vang terdapat di banyak serabut ^saraf.

(E

Ea

(o

c(5 -o Eq)

lipid Uromo podo Adolqh Fosfolipid, Kolesterol

A. Fospolrprp

Membron Momolio Glikosfingolipid, &

Dari

dua kelas fosfolipid utama yang terdapat

di

membran, fosfogliserida _adalah

fosfolipid

terbanyak dan

terdiri

dari tulang punggung gliserol tempat melekatnya dua asam lemak dalam ikatan esrer dan saru alkohol terfosforilasi (Gambar 40- 2). Konstituen asam lemak biasanya adalah molekul dengan jumlah karbon genap, rerutama yang mengandung 16 atau

l8

karbon. Asam-asam lemak

ini

tidak bercabang dan dapat jenuh atau tak-jenuh. Fosfogliserida yang paling sederhana adalah asam fosfatidat, yaitu 1,2-diasilgliserol 3-fosfat, suatu

z t

antara

kunci

dalam pembentukan semua fosfogiiserida

lain

(Bab 24). Pada fosfogliserida

lain,

3-fosfat mengalami esterifikasi

menjadi suatu alkohol,

misalnya etanolamin, koiin, serin, gliserol, atau inositol (Bab 15).

Kelas utama kedua pada fosfolipid adalah sfingomielin, yang mengandung tulang punggung sfingosin dan bukan gliserol. Suatu asam lemak melekat pada gugus asam amino sfingosin melalui ikatan amida yang membentuk seramid.

Gugus hidroksil _primer pada sfingosin mengalami esterifikasi menjadi fosforilkolin. Sfingomielin, seperti diisyaratkan oleh namanya, banyak ditemukan di selubung mielin.

Jumlah dan ^komposisi

^asam

lemak pada

berbagai fosfolipid berbeda-beda bergantung pada membran selnya.

B. GLIKoSFINGoLIPID

Glikosfingolipid (GSL) adalah

lipid

yang mengandung gula dan dibentuk

dari

tulang punggung seramid; golongan

ini

mencakup galaktosil- dan glukosilseramid (serebrosida) dan gangliosida. Struktur glikos6ngolipid ini dijelaskan pada Bab 15. Senyawa golongan

ini

terutama ditemukan di membran plasma sel.

Asam lemak

o il

Rr

-c - ^o-1cH2

Rz-C-O-2CH

I O-

o lttt 3cH"-o-P-o-R. -il

o -___--Y-J \___raJ

Gliserol

^Alkohol

Gambar 40-2. Suatu fosfogliserida yang memperlihatkan komponen asam lemak ^(R, dan Rr), gliserol, dan alkohol terfosforilasi. ^pada asam fosfatidat, R. adalah hidrogen.

C. Srenol

Sterol

yang

terbanyak

ditemukan

pada membran adalah

kolesterol

(Bab 15), yang rerurama terletak

di

membran plasma sel mamalia,

tetapi juga

dapat ditemukan dalam

jumlah yang lebih sedikit di membran

mitokondria, kompleks Golgi, dan nuldeus. Kolesterol terselip

di

antara

fosfolipid membran dengan gugus hidroksilnya

pada permukaan yang menghadap lingkungan cair dan sisanya

di

dalam lapisan membran. Kolesterol memengaruhi fluiditas membran seperti akan dibahas kemudian.

Semua

lipid di

atas dapat dipisahkan satu sama lain dengan

teknik-teknik,

seperti kromatografi

kolom,

lapis tipis, dan gas-cair serra strukturnya dapat diketahui dengan spektrometri massa.

Setiap membran sel eukariot

memiliki

komposisi

lipid

membran yang agak berbeda meskipun fosfolipidnya tetap merupakan kelas utama di semua sel.

Lipid Membron Bersifor Amfipotik

Semua

lipid

utama pada membran mengandung bagian

hidrofobik dan hidrofilik

sehingga

disebut "amfipatik".

Jadi, membran

itu

sendiri bersifat amfipatik.

Jika

^bagian hidrofobiknya dipisahkan dari bagian

lain

molekul, bagian

ini tidak

akan

larut

daiam air, tetapi

larut

dalam minyak.

Sebaliknya,

jika

bagian

hidrofilik

dipisahkan

dari

bagian molekul lainnya, bagian

ini

tidak akan larut dalam minyak, tetapi iarut dalam air. Sifat amGpatik fosfolipid diperlihatkan pada Gambar 40-3. Olehkarena itu, gugus kepaia polar pada

fosfolipid

dan gugus

hidroksil

kolesterol bertemu dengan lingkungan air; situasi serupa berlaku bagi gugus gula GSL (1ihat bawah).

/-

^Gugus kePala Polar

Gambar 40-3, Diagram fosfolipid atau

lipid

membran lainnya.

Cugus kepala polar besifat hidrofilik, dan ekor hidrokarbon bersifat hidrofobik atau lipofilik. Asam-asam lemak di ekor dapat bersifat jenuh (S) atau tak-jenuh (U); asam lemak jenuh biasanya melekat pada karbon 1 gliserol dan asam lemak tak-jenuh pada karbon 2. Perhatikan lengkungan di ekor asam lemak tak-jenuh ^(U) yang penting untuk meningkatkan fluiditas membran.

W it

1\ {\

SU t\

ffi ll

SS

lr-hidrokarbon

apoiar

Asam lemak jenuh memiliki ekor lurus,

sedangkan asam

lemak tak-jenuh yang umumnya

terdapat dalam

'bentuk rls di membran membentuk ekor

melengkung (Gambar 40-3). Seiring dengan bertambahnya lengkungan pada

ekor,

^membran

menjadi

semakin

kurang

terkemas rapat sehingga bersifat lebih cair.

Detergen adalah molekul amfipatikyang Penting dalam biokimia serta pekerjaan rumah tangga. Struktur molekular suatu detergen tidak banyak berbeda dari struktur fosfolipid.

Detergen

tertentu

banyak digunakan

untuk

melarutkan

protein

^membran sebagai tahap pertama pemurniannya.

Ujung hidrofobik

^detergen

^mengikat

bagian hidrofobik

protein, yang

menggeser sebagian besar

ikatan

lipidnya.

Ujung polar

detergen berada bebas,

dan

menyebabkan

protein terlarut

^dalam

bentuk komplela

detergen-protein yang biasanya juga mengandung sejumlah

lipid

sisa.

Lipid Membrqn Membeniuk Lopis-Gondo

Karakter amfipatik fosfolipid menunjukkan bahwa terdapat dua bagian molekul yang memiliki kelarutan yang tak-sama;

namun, daiam pelarut seperti

ait

fosfolipid menata dirinya menjadi suatu bentuk yang ^secara termodinamik memenuhi persyaratan kelarutan

di

kedua bagian.

Misel

(Gambar 40-

4)

adalah salah satu strukrur seperti

ini;

bagian hidrofobik

terlindung dari air

^sementara

^{gugus polar hidrofiiik}

terbenam

di

dalam lingkungan air. Namun, misel biasanya berukuran kecil (mis. sekitar 200 nm) sehingga potensinya untuk membentuk membran menjadi terbatas.

Seperti

yang telah diketahui

^pada

tahun ¹⁹²⁵

^oleh

Gorter

dan Grendel,

lapisan bimolekular,

atau lapisan- ganda

lipid

^(lipid bilayer) juga dapat memenuhi persyaratan

termodinamik molekul amfipatik dalam lingkungan

^air'

Lapisan-ganda, dan bukan misel,

^{memang merupakan}

struktur kunci ^dalam

^membran

^biologis.

Lapisan-ganda

memiliki bentuk

lembaran sehingga

bagian hidrofobik

fosfolipid terlindung dari lingkungan air, sementara bagian

hidrofilik

^terbenam

di

^dalam

air

^(Gambar

^40-5).

^Hanya

ujung

atau

tepi

lembar lapisan-ganda yang terpajan oleh iingkungan yang tak mendukung, tetapi bahkan permukaan yang terpajan

ini

dapat dihilangkan dengan melipat balik

lembar untuk ^membentuk

^vesikel

tertutup tanpa

tepi' Lapisan-ganda dapat diperluas dalam jarak yang cukup ^besar (mis.

I

mm). Lapisan-ganda yang tertutup merupakan ^salah satu

sifat

membran

yang penting.

Lapis-ganda

ini

^tidak

permeabel terhadap sebagian ^besar molekul larut-air karena molekul-molekul

ini

tidak akan larut daiam

inti hidrofobik

lapisan-ganda.

Lapisan-ganda

lipid

terbentuk melalui penataan-diri,

yang didorong oleh efek hidrofobik ^(Bab 2).

^Entropi

molekul pelarut di

sekitarnya

meningkat

saat molekul- molekul

lipid

menyatu dalam suatu lapisan-ganda.

Dua

pertanyaan

muncul dari

pembahasan

di

^atas'

Pertama, berapa banyak materi bioiogis yang larut- lipid

sehingga dapat masuk ke dalam sel dengan mudah?

Gas, seperti oksigen, COr, dan nitrogen-molekul kecil

dengan

interaksi

terbatas dengan

pelarut-mudah

berdifusi menembus bagian hidrofobik membran. Koefisien permeabilitas beberapa

ion

dan sejumlah molekul

lain

di lapisan-ganda

lipid

diperlihatkan pada Gambar 40-5 '

Tiga

elektrolit yang diperlihatkan (Na.,

K.,

^dan

Cl )

^menembus

lapisan-ganda

jauh

lebih lambat dibandingkan dengan air' Secara umum, koefisien permeabilitas molekul kecil dalam

frHfrF,fi,.ryH$i:,..,.

#yHHr#H$1,.*,*

Air

Gambar 4o-5. Diagram potongan suatu membran lapisan-ganda yang dibentuk dari molekul-molekul fosfolipid. Ekor asam lemak iak-fenuh melengkung

dan

menyebabkan terbentuknya ^Iebih banyak ruang antar gugus-gugus kepala polar sehingga ruang gerak lebih besar. Hal ini sebaliknya menyebabkan peningkatan fluiditas membran (Sedikit dimodifikasi dan diproduksi ulang dengan izin dari Styer L. Biochemistry, edke-2 Freeman, '1981. Hak cipta O 1981 oleh WH Freeman and Company).

Gambar 40-4. Diagram potongan melintang sebuah misel. ^Cugus kepala polar terendam dalam air, sementara ekor hidrokarbon hidrofobik dikelilingi oleh hidrokarbon lain sehingga terlindung dari air. Misel adalah struktur bulat yang relatif kecil (dibandingkan dengan lapisan-ganda liPidt.

q,.

:"'-,-..',i'\i _i,

S:-:*,:=

,r-ir"..?,

M"-'#

_,,J

@

M

10-14 10-12 10-10 10-8 10-6 10-4 Koefisien permeabilitas (cm/dtk)

Permeabilitas

Tinggi

Gambar 40-6. Koefisien permeabilitas

air,

beberapa

ion,

dan molekul kecil lain di membran lapisan-ganda Iipid. Molekul yang cepat bergerak menembus suatu membran dikatakan memiliki koefisien permeabilitas yang tinggi. (Sedikit dimodi{ikasi dan diproduksi ulang dengan izin dari Styer L. Biochemistry, ed ke-2. Freeman, 1 981. ^Hak cipta O 1981 oleh WH Freeman and Company).

suatu lapisan-ganda

lipid

berkorelasi dengan kelarutannya dalam peiarut nonpolar. Contohnya, steroid

lebih

mudah

menembus

lapisan-ganda

lipid dibandingkan

dengan eiektroiit. Koefisien permeabilitas air yang sangat tinggi

itu

sendiri mengherankan,

tetapi

sebagian dapat diterangkan oleh ukurannyayangkecil dan ketiadaan relatif muatan.

Pertanyaan kedua berkaitan dengan molekul yang

tidak larutJipid.

Bagaimana gradien konsentrasi transmembran

untuk

mempertahankan

molekul yang tak-larut

lipid?

Jawabannya adalah ^bahr,va membran mengandung protein, dan protein juga merupakan molekul amfipatik yang dapat disisipkan ke dalam lapisan-ganda

lipid

amfipatik. Protein membentuk

kanal untuk

memindahkan

ion

dan molekui

kecil serta berfungsi

sebagai

transporter

(pengangkut) molekul besar yang tidak akan dapat melewati lapisan-ganda seandainya

tidak

terdapat

protein

tersebut. Proses-proses tersebut dijelaskan di bawah.

Protein Membron Berikqtqn dengon lopis- Gondo lipid

Fosfolipid

membran berfungsi sebagai pelarut

untuk

pro- tein membran, dan menciptakan suatu lingkungan ^agar pro- tein tersebut dapat berfungsi. Seperti diuraikan pada Bab 5,

struktur heliks-a protein

memperkecil karakter

hidrofilik

ikatan peptida

itu

sendiri.

Oleh

karena

itu, protein

dapat bersifat

amfipatik dan menjadi

bagian

integral

membran dengan membentuk bagian

hidrofiliknya yang

menonjol

di

permukaan bagian dalam dan luar, tetapi berhubungan dengan bagian

hidrofobik

yang menembus

inti

^hidrofobik

lapisan-ganda. Pada kenyataannya, bagian-bagian protein membran yang menembus membran mengandung cukup banyak asam amino

hidrofobik

dan hampir selalu

memiliki

banyak lembar B-pleated atau heliks-o. Bagi banyak mem- bran, rangkaian dengan panjang sekitar 20 ^asam amino dalam susunan heliks-o akan menembus lapisan-ganda tersebut.

Kita dapat memperkirakan suatu rangkaian asam amlno yang terdapat

di

dalam suatu pr-otein ^sesuai dengan lokasi transmembran atau

tidak. Hal

ini dapat dilakukan dengan

melihat suatu tabel yang

mencantumkan hidrofobisitas masing-masin

g

dart 20 asam amino umum dan nilai energi bebas

untuk

memindahkan asam amino dari bagian dalam suatu membran

ke

air. Asam

amino hidrofobik

memiliki

nilai positif;

^asam

amino polar memiliki nilai

negatif.

Nilai

energi bebas

total untuk

memindahkan rangkaian

20

^asam amino daiam protein kemudian

diplotkan

untuk menghasilkan hydropatlry p/or. Nilai yang melebihi 20 kkal.

mol-r konsisten

dengan-tetapi

tidak

membuktikan-lokasi

transmembran.

Aspek lain pada interaksi lipid dan protein adalah bahwa sebagian

protein

melekat pada salah satu lembar lapisan- ganda melalui ikatan kovalen ke

lipid

tertentu. Palmitat dan miristat adalah asam lemakyang terlibat dalam ikatan dengan protein-protein khusus

ini.

Sejumlah protein lain (lihat Bab 46) berikatan dengan struktur glikofbsfatidilinositol ^(GPI).

Membrqn yong Berbedq Memiliki Komposisi Profein yqng Berbedo

Jumlah ^berbagai protein di suatu membran bervariasi mulai kurang dari selusin di retikulum sarkoplasmahingga lebih dari 100

di

membran plasma. Sebagian besar protein membran

dapat

dipisahkan

satu

sama

Iain

dengan menggunakan elektroforesis gel poliakrilamid natrium dodesil sulfat (SDS- PAGE), suatu teknik yang mengubah penelitian

ini

dengan cepat. Thnpa SDS (sodium doderyl sulfare), hanya sedikit

protein

membran yang tetap

larut

sewaktu elektroforesis.

Protein adalah molekul fungsional utama

membran

dan

membentuk

enzim, pompa

serta

kanal,

komponen

stuktural, antigen

^(mis.

untuk

histokompatibilitas), dan reseptor

untuk

berbagai molekul. Karena setiap membran

memiliki komplemen protein yang

berbeda,

tidak

^ada

struktur

^membran

yang khas. Sifat enzimatik

berbagai membran diperlihatkan pada Ta6el 40-2.

Membron Adoloh Struktur Dinqmik

Membran dan

komponennya adalah

struktur dinamik.

Lipid dan protein di

membran mengalami pertukaran/

pergantian (turnouer) seperti yang terjadi

di

kompartemen sel lainnya. Berbagai

lipid

memiliki laju pertukaran berbeda, dan laju pertukaran masing-masing spesies protein membran dapat sangat bervariasi. Membran

itu

sendiri bahkan dapat mengalami pertukaran

lebih

cepat dibandingkan dengan konstituen-konstituennya.

Hal ini

dibahas

lebih rinci

^di

bagian mengenai endositosis.

Indikator lain.sifat dinamik

membran adalah bahwa berbagai penelitian

telah

membuktikan bahwa

iipid

dan

lndol

I

K+

ruu*l cl-

ill

T!:iptofan

clukosa

I

^Ur"u,

\ I

^gliserol

)l ^I

HrO

I

10-2

Tabel

40-2.

Enzim penanda pada berbagai membranl

rMembran mengandung banyak protein dan sebagian di antaranya memiliki aktivitas enzimatik. Sebagian enzim ini terdapat hanya di membran tertentu sehingga dapat digunakarr sebagai penanda untuk mengikuti pemurnian membran-membran ini

TC N, trans-Colgi network

protein

tertentu memperlihatkan

difusi lateral di

bidang

membrannya.

Sebagian

protein tidak

memperlihatkan difusi lateral karena melekat pada struktur intrasel, misalnya

mikrofilamen. Sebaliknya, gerakan transversal lipid

menembus membran

W;p-fup)

berlangsung sangat lambat (lihat bawah) dan belum dibuktikan terjadi pada protein.

Membrqn Adqlqh Struktur Asimetrik

Sebagian struktur asimetri ini dapat dijeiaskan oleh distribusi

iregular protein di dalam membran. Struktur

asimetri

b.gt* dalam-luar membran terbentuk karena

lokasi eksternal karbohidrat yang melekat pada protein membran.

Selain

itu,

enzim-enzim tertentu terletak hanya

di

^bagian luar atau dalam membran, misalnya membran mitokondria dan membran plasma.

Pada membran terdapat

struktur asimetri

regional.

Sebagian, seperti yang terdapat

di tepi

vilosa se1 mukosa, hampir dapat dilihat secara makroskopis. Yang lain, seperti yang terdapat

di taut

^{celah (gap}

junction), :atrt

elat (tight

junction), dan

sinaps, menempati bagian membran yang

jauh lebih kecil

sehingga membentuk asimetri yang jauh iebih kecil.

Pada

fosfolipid

juga terdapat

struktur

asimetri bagian

dalamluar

(transversal).

Fosfolipid yang

^mengandung

kolin

(fosfatidilkolin _dan sfingomielin) terletak terutama di lapisan

luar

molekul;

aminofosfolipid

(fosfatidiiserin dan fosfatidiletanolamin) terutama terletak

di ^lembar

^bagian

dalam. _Jelaslah, jika asimetri

ini

memang harus ada, terdapat mobilitas transversal yang terbatas

(flp-f'op)

pada fosfolipid

membran. Pada kenyataannya,

fosfolipid di

lapisan-ganda sintetik memperlihatkan

flip-fl.op

^{dengan kecepatan yang} sangat lambat; waktu paruh asimetri tersebut dapat

diukur

dalam beberapa minggu.

Mekanisme yang berperan membentuk asimetri

lipid belum

dipahami sepenuhnya. Enzim-enzim yang terlibat dalam sintesis fosfoiipid terletak

di

sisi sitoplasmik vesikel membran mikrosom. Terdapat berbagai tra nslokase (flipp as e) yang memindahkan fosfolipid tertentu (mis. fosfatidilkolin) dari lembar dalam ke lembar luar. Thmpaknya juga terdapat beberapa

protein spesifik yang cenderung mengikat

masing-masing

fosfolipid di

kedua lembar lapisan-ganda, yang ikut be rperan menentlikan distribusi asimetrik molekui- molekui lemak ini. Selain itu , pbospholipid excbange

protein

mengenali fosfolipid spesifik dan memindahkannya dari satu membran (mis.

retikulum

endoplasma

[RE])

^{ke membran}

lain

(mis. mitokondria dan peroksisom). Dalam kaitannya dengan GSL dan

glikoprotein

juga terdapat asimetri; gugus gula molekul-molekul

ini

menonjol keluar

dari

membran plasma dan tidak terdapat di permukaan dalam.

Membron Mengondung Protein Integrol &

Perifer

Protein-protein membran sebaiknya diklasifikasikan menjadi dua jenis: integral dan perifer (Gambar 40-7). Sebagian besar protein membran termasuk dalam jenis integral, yang berarti bahwa protein-protein

ini

berinteralsi secara luas dengan fosfolipid dan memerlukan detergen

untuk

melarutkannya.

Protein-protein

ini

biasanya

juga

menembus lapisan-ganda lipid. Protein integral biasanya globular dan amfipatik. Protein tersebut terdiri dari dua ujung hidrofilik yang dipisahkan oleh regio hidrofobikdi bagian tengah dan menembus inti hidrofobik lapisan-ganda. Seiring dengan terungkapnya struktur ^berbagai

protein

integral membran,

menjadi

semakin jeias bahwa protein tertentu (mis. molekul pengangkut, berbagai resepto!

dan protein

G)

menembus lapisan-ganda berkaii-kali (lihat Gambar 45-5). Protein integral ^juga terdistribusi secara asimetris menembus lapisan-ganda membran. Orientasi asimetrik

ini

terbentuk sewaktu protein tersisip ke dalam lapisan-ganda lipid.

Mekanisme molekular yang berperan dalam penyisipan protein ke dalam membran dan topik pen)'usunan membran dibahas

padaBab 45.

Protein perifer

tidak berinteraksi langsung dengan

inti

hidrofobik fosfolipid

di

dalam lapisan-ganda sehingga

tidak

memerlukan detergen untuk membebaskannya. Protein

ini

terikat secara lemah dengan bagian

hidrofilik

protein integral tert€ntu dan gugus kepala fosfolipid serta dapat dibebaskan dengan pemberian

larutan

garam dengan kekuatan

ionik yang tinggi. Contohnya, ankirin, suatu protein

^perifer, terikat pada protein integral ^" band

3" di

membran eritrosit.

Spektrin, suatu struktur

sitoskeleton

di ^dalam

^eritrosit,

Protein integral

Gambar 40-7. Model mosaik cair pada struktur membran. Membran terdiri dari suatu lapisan lipid bimolekular dengan protein tersisip di dalamnya atau terikat pada salah satu permukaannya. Protein membran integral terbenam kuat di dalam lapisan-lapisan lipid. Sebagian protein ini menembus seluruh ketebalan lapisan-ganda dan disebut protein transmembran, sementara yang lain terbenam di lembar bagian Iuar atau dalam lapisan-ganda lipid. Protein perifer terikat secara lemah pada permukaan dalam atau luar membran. Banyak dari protein dan semua glikolipid memiliki rantai oligosakarida yang terpa.jan ke arah luar. (Diproduksi ulang dengan ijin dari Junqueira LC, CarneiroJ. Basic Histology: Text and ^Atlas, ed ke-.10. McCraw-Hill, 2003).

selanjutnya berikatan dengan

ankirin

sehingga berperan penting dalam pemeliharaan bentuk bikonkaf eritrosit.

MEMBRAN ARTIFISIAT DIGUNAKAN UNTUK MENGETAHUI FUNGSI MEMBRAN

Dengan teknik-teknik yang tepat, kita dapat

membuat sistem membran artifisial. Sistem

ini

umumnya

terdiri

dari campuran satu atau lebih fosfolipid alami atau sintetik yang dapat diproses (mis. dengan menggunakan sonikasi ringan)

untuk ^membentuk

^vesikel

bulat

sehingga

lipid-lipidnya

suatu membentuk lapisan-ganda. Vesikel semacam

ini

yang dikelilingi oleh lapisan-ganda

lipid,

disebut liposom.

Beberapa keuntungan dan pemakaian sistem membran artifisial dalam penelitian tentang fungsi membran adalah sebagai berikut:

(1) Kandungan lipid

membran dapat diubah-ubah, dan memungkinkan pemeriksaan sistematis terhadap efek berbagai komposisi

lipid

pada fungsi tertentu.

(2) Enzim atau protein membran mumi

dapat dimasukkan

ke

dalam vesikel

ini untuk

memperkirakan faktor apa (mis.

Iipid

spesifik atau protein tambahan) yang dibutuhkan protein agar dapat berfungsi.

(3) Lingkungan sistem ini dapat dikendalikan secara ketat dan diubah-ubah secara sistematis (mis. konsentrasi ion, ligan).

(4) Ketika dibentuk, liposom dapat dibuat untuk memerangkap senyawa tertentu di dalam

dirinya,

misalnya obat dan gen. Kini muncul minat untuk

menggunakan liposom sebagai alat

untuk

mendistribusikan obat ke jaringan tertentu, dan

jika

suatu komponen ^(mis.

antibodi

terhadap molekul permukaan sel tertentu) dapat dimasukkan ke dalam liposom sehingga komponen tersebut

dapat membidik jaringan atau tumor tertentu,

dampak terapeutiknya akan sangat besar.

DNA

yang dimasukkan ke dalam liposom tampaknya menjadi kurang sensitif terhadap serangan oleh nuklease; pendekatan

ini mungkin

terbukti bermanfaat dalam terapi gen.

MODEI MOSAIK CAIR UNTUK STRUI(TUR ME'YIBRAN TELAH DITERIMA SECARA IUAS

Model mosaik cair

(fluid

rnosaic model) struktur membran yang diajukan pada tahun 1972 oleh Singer dan Nicholson (Gambar

40-7) kini

telah diterima secara luas.

Model ini

sering disamakan seperti gunung es (protein membran) yang mengapung di laut dan didominasi oleh moiekul fosfolipid.

Bukti-bukti

awal

untuk model ini

adalah temuan bahwa protein integral yang spesifik

untuk

spesies tertentu (yang dideteksi dengan teknik pelabelan fluoresen) secara cepat dan acak mengalami redistribusi di dalam membran plasma suatu

sel

hibrid

antarspesies yang dibentuk dengan menginduksi penyatuan dua sel

induk

berbeda secara artifisial.

Hal ini

selan.jutnya membuktikan bahwa fosfolipid juga mengalami redistribusi cepat di bidang membran. Difusi di dalam bidang membran yang disebut difusi lateral

ini

dapat berlangsung sangat cepat

untuk

suatu fosfolipid; pada kenyataannya, di bidang membran, satu

molekul fosfolipid

dapat bergerak beberapa mikrometer per detik.

Perubahan

fase-dan dengan demikian

perubahan

fluiditas msrnhxn-52ngat

bergantung

pada

komposisi

lipid membran. Pada suatu

lapis-ganda

lipid,

rantai

hidrofobik

asam-asam

lemak dapat tertata atau

terikat

sangat rapi

sehingga

membentuk struktur yang

agak kaku. Seiring dengan meningkatnya suhu, rantai samping

hidrofobik

mengalami transisi

dari

keadaan

teratur

(iebih mirip-gel atau fase kristal) ke keadaan tak-teratuq menjadi bentuk yang

mirip

cairan atau

fluida.

Suhu saat struktur mengalami transisi dari keadaan teratur menjadi tak-teratur

(yi.

meleleh) disebut

"suhu transiri' (q). Rantai

asam lemak yang lebih panjang dan jenuh berinteralsi lebih kuat satu sama

lain

melalui

rantai

hidrokarbonnya yang lebih panjang sehingga nilai

T

^lebih

tinggi-yi.

suhu yang lebih

tinggi diperlukan untuk

meningkatkan

fluiditx

lapisan- ganda.

Di

pihak lain, ikatan tak-jenuh yang terdapat dalam

konfigurasi cls

cenderung meningkatkan

fluiditas

lapis- ganda dengan menurunkan kepadatan ikatan rantai samping tanpa mengurangi hidrofobisitas (Gambar 40-3). Fosfolipid membran sel umumnya mengandung paling sedikit satu asam lemak tak-jenuh dengan sedikitnya satu ikatan rangkap cis.

Kolesterol memodifikasi

fuiditas

membran. Pada suhu

di

bawah

T _,

senyawa

ini

mengganggu interaksi ekor-ekor hidrokarbon asam lemak sehingga meningkatkan fluiditas.

Pada suhu

di

atas

T ,

kolesterol mengurangi keteracakan karena senyawa

ini lebih

kaku dibandingkan dengan ekor hidrokarbon asam lemak dan

tidak

dapat banyak bergerak

di

membran dengan derajat yang sama sehingga membatasi fluiditas. Pada rasio kolesterol:fosfolipid yang

tinggi,

suhu- suhu transisi tidak dapat dibedakan.

Fluiditas membran

memengaruhi

fungsi

membran secara bermakna. Seiring dengan meningkatnya fluiditas membran, permeabilitas membran terhadap air dan molekul

hidrofilik kecil

lainnya

juga

meningkat.

Mobilitas

lateral

protein

integral meningkat seiring dengan meningkatnya

fuiditas

membran. Jika tempat

aktif protein

integral yang berperan

dalam suatu fungsi hanya

terdapat

di

^bagian

hidrofiliknya,

perubahan

fluiditas lipid mungkin

tidak banyak berpengaruh pada aktivitas

protein;

namun,

jika protein

berperan dalam

fungsi

transpor yang komponen ffanspornya menembus membran,

efek

fase

lipid

dapat mengubah

laju

transpor secara signifikan. Reseptor insulin adalah

contoh

yang sangat

baik untuk

perubahan fungsi

akibat

perubahan

fluiditas.

Seiring dengan meningkatnya

konsentrasi asam

lemak tak-jenuh di

^{membran (dengan}

mengkuitur

sel dalam

medium

yang akan kaya molekul

ini), fuiditas

akan meningkat.

Hal ini

mengubah reseptor sehingga reseptor mengikat lebih banyak insulin.

Rokit tipid _{l.ipid Raftl, Koveol, & Tqut Erot (Tight Junctionl Adqloh Struktur Khusus Membrqn Plqsms

Membran plasma mengandung beberapa

struktur

khusus yang sifat biokimiawinya telah cukup banyak

diteliti.

R.akit

lipid (lipid rart)

adalah bagian

dinamik

lembar eksoplasmik lapisan-ganda

lipid

yang diperkaya oleh koles- terol, sfingolipid, dan protein tertentu (lihat Gambar 40-8).

Struktur ini

tampaknya berperan dalam transduksi sinyal dan proses lain. Diperkirakan bahwa pengelompokan kom- ponen-komponen tertentu sistem sinyai dapat meningkat- kan efisiensi fungsi komponen-komponen tersebut.

Kaveola (caaeolae)

mungkin

berasal

dari rakit

lipid.

Banyak struktur

ini

mengandung

kaveolin-I,

yang mungkin

berperan dalam pembentukannya dari rakit.

Dengan

mikroskop elektron, kaveola tampak

sebagai indentasi (cekungan) berbentuk vas

di

membran sel (Gambar 40-9).

Protein yang terdeteksi di kaveola antara lain adalah berbagai komponen sistem transduksi sinyal

(mis.

reseptor insulin dan sebagian protein G), reseptor folat, dan nitrogen oksida sintase endotel (eNOS). Kaveola dan rakit lemak merupakan bagian yang banyak

diteliti,

dan gagasan-gagasan mengenai keduanya serta kemungkinan peran kedua struktur tersebut dalam berbagai penyakit terus berkembang ^pesat.

Taut erat (tight junction)

adalah

struktur lain

yang ditemukan pada membran permukaan.

Struktur ini

^sering

terletak di bawah permukaan apikal ^sel epitel dan mencegah

difusi

makromolekul

di

^{antara sel.}

Thut

erat

terdiri

dari berbagai protein, termasuk

okludin,

berbagai klaudin, dan junctional adhesion molecules (molekul perekat taut).

Struktur

khusus

lain yang ditemukan di

membran permukaan antara

lain

adalah desmosom,

taut

adheren, dan

mikrovili;

sifat kimiawi dan fungsi struktur-struktur

ini

tidak dibahas di bab

ini.

Sifat taut celah (gap

junction)

akan dijelaskan di bawah.

SELEKTIVITAS MEMBRAN

MEMUNGKINKAN PENYESUAIAN KOMPOS|S| & FUNGST SEt

Jika membran plasma relatif

impermeabel, bagaimana sebagian besar

molekul

masuk

ke

dalam sel? Bagaimana

selektivitas pergerakan ini terbentuk? Jawaban

^atas pertanyaan semacam

ini penting untuk

memahami cara sel menyesuaikan

diri

terhadap lingkungan ekstrasel yang terus berubah. Organisme metazoa

juga

harus

memiliki

ff

Fosfolrpid _{PL)

q

Kolesterol

Sfingomielin (SM) Berbagai gula dalam glikosfingolipid {GSL) atau protein ierkait-GPl

Gambar 40-8. Diagram skematis suatu rakit lipid. Rakit lipid sedikit lebih tebal dibandingkan dengan bagian Iapisan- ganda lainnya. Struktur ini diperkaya oleh sfingolipid (mis. sfingomielirr), glil<os{ingolipid (mis. gangliosida CM,), fosfolipid jenr-rh, dan kolesterol. Rakit ini juga mengandung protein terkait-CPl ierlentLr (lembar luar) dan protein terasilasi serta terprenilasi ^(lembar dalam). Protein terkait-CPl dibahas pada Bab 46. Asilasi dan prenilasi adalah modifikasi pascatranslasi protein membran tertentu.

$ w

_s

tt

il a {

cara

untuk berkomunikasi di

antara sel yang berdekatan

dan

berjauhan sehingga proses-proses

biologis

kompleks dapat dilaksanakan. Sinyal-sinyal

ini

harus sampai

di

dan disaiurkan

oleh

membran,

atau harus dibentuk

sebagai konsekuensi

dari

interal<si

dengan membran.

Sebagian mekanisme utama

yang

digunakan

untuk

melaksanakan berbagai tugas

ini

dicantumkan di Thbel 40-3.

I

^Membran

J

^plasma

Gambar 40-9. Diagram skematis sebuah kaveola. Kaveola adalah suatu invaginasi di membran plasma. Protein kaveolin tampaknya berperan penting dalam pembentukan kaveola, dan terdapat sebagai dimer. Setiap monomer kaveolin melekat pada ^lembar dalam membran plasma melalui tiga molekul palmitoil (tidak diperl ihatkan).

Mekonisme Fosif Memindqhkon Seiumloh Moleku! Kecil Melolui Membron

Molekul

dapat secara pasif menembus membran lapisan- ganda

lipid

dengan mengikuti penurunan gradien elektro-

kimiawi

melalui proses

fifusi

sederhana atau

difusi

ter-

fas ilitasi (fa c i

lit

^a t e d diffas i ^o n) . P er ge r akan s po n tan me n uj u keseimbangan

ini

berlawanan dengan

tr.rnspor aktif

yang memerlukan energi karena proses

ini

merupakan pergerak- an melawan suatu gradien elektrokimiawi. Gambar 40-10 memperlihatkan skema mekanisme-mekanisme ini.

Tabel

40-3. Pemindahan material dan

informasi

melalui

^membran

Protein terkait-GPl

Molekul yang

I siss

Gradien

n

elektro*imiawi

'#if,{

ffflryfi ^III I

I ll ll\l

Difusi

^Difusi

sederhana

lerfasiliiasi

*_--_---Y__-J

Transpor

pasif

Transpor ektif

Gambar 40-10. Banyak molekul kecil yang tak-bermuatan bergerak bebas melalui lapis-ganda lipid.

Molekul bermuatan, molekul tak-bermuatan berukuran besar, dan beberapa molekul kecil tak-bermuatan dipindahkan melalui kanal atau pori atau oleh protein pembawa spesifik. Transpor pasif selalu mengikuti gradien elektrokimiawi,

dan

menuju keseimbangan. Transpor

aktif

berlangsung melawan gradien elektrokimiawi dan memerlukan masukan energi, sementara transpor pasif tidak memerlukannya. (Digambar dan diproduksi ulangdengan izin dari Alberts B, etal. Molecular Biology of the Ce//. Carland, 1983).

Seperti dijelaskan di atas, sebagian zat terlarut, misalnya

gas dapat masuk ke dalam sel melalui difusi

dengan

mengikuti

gradien elektrokimiawi

melalui

membran dan tidak memerlukan energi metabolik.

Difusi

pasif sederhana suatu

zat terlarut melalui

membran dibatasi

oleh

agitasi termal molekul spesifik tersebut, oleh gradien konsentrasi

di

kedua sisi membran, dan oleh kelarutan molekul yang

bersangkutan (koefisien permeabilitas, Gambar

40-6)

di dalam inti hidrofobik

lapisan-ganda

lipid.

Kelarutan berbanding terbalik dengan

jumlah

ikatan hidrogen yang harus diputuskan agar suatu zat yang

terlarut

dalam fase

air

eksternal terserap

ke

dalam lapisan-ganda hidrofobik.

Elektrolit

yang

sulit larut

dalam

lipid, tidak

membentuk ikatan hidrogen dengan air, tetapi memperoleh selubung air

dari

hidrasi oleh interaksi elektrostatik.

Ukuran

selubung berbanding lurus dengan densitas muatan (charge density) elektrolit. Elektrolit dengan densitas muatan besar

memiliki

selubung hidrasi yang

lebih

besar sehingga

laju

difusinya lebih lambat. Na-, contohnya,

memiliki

rapat muatan yang

lebih

besar dibandingkan dengan

K-.

_Jadi,

Na-

terhidrasi lebih besar dibandingkan dengan

K-

terhidrasi; oleh sebab

itu, K.

terhidrasi cenderung bergerak

lebih

mudah

untuk

menembus membran.

Faktor berikut memengaruhi

difusi

netto suatu zat:

(l)

Gradien konsentrasinya di kedua sisi membran .

Zat rcrlarrt

berpindah dari konsentrasi tinggi ke konsentrasi rendah. (2) Potensial listrik di kedua sisi membran. Zat terlarrt bergerak ke arah larutan yang

memiliki

muatan berlawanan. Bagian dalam sel biasanya

memiliki

muatan negatif.

(3)

_Koefisien permeabilitas zat terhadap membran.

(4)

Gradien tekanan

hidrostatik di

kedua sisi membran. Peningkatan tekanan akan meningkatkan

laju

dan mendorong tumbukan antara molekul dan membran.

(5)

Suhu. Peningkatan suhu akan

meningkatkan

gerakan

partikel

sehingga meningkatkan frekuensi tumbukan antara partikel eksternal dan membran.

Selain itu, terdapat beragam kanal di membran yang menjadi

pintu

masuk ion ke dalam sel.

Kqnql lon Adqloh Protein Trqnsmembrqn yqng Memungkinkqn Mosuknyo Berbogoi lon Secqro Selektif

Membran alami

mengandung kanal-kanal transmembran

atau struktur mirip-pori dan terdiri dari protein

^yang

membentuk kanal ion selektif, Kanal

konduktif-kation

memiliki

garis tengah rerata sekitar

5-8

nm. Permeabilitas suatu kanal bergantung pada ukuran,

tingkat

hidrasi, dan

tingkat

densitas muatan suatu

ion. Kanal spesifik untuk Na-, K-,

Ca2.,

dan Cl

telah berhasil diidentifikasi; salah satu kanal

ini

diperlihatkan pada Gambar 40-11. Kanal

ini

tl

Kanal Na+

otak tikus

Gamhar 40-l

l.

Diagram struktur kanal ion (kanal Na' pada otak tikus). Angka Romawi menunjukkan empat subunit kanal dan angka biasa menunjukkan domain-domain transmembran a-heliks masing-masing subunit. Pori-pori sebenarnya yang dile1vati oleh ion ^(Na-) tidak diperlihatkan, tetapi clibentuk oleh aposisi berbagai subunit. Bagian-bagian_spesifik dari subunit yang berperan dalam menutup dan membuka kanal juga tidak diperlihatkan (Berdasarkan WK Catterall.

Dimodifikasi dan diproduksi ulang dari Hall ZW. An lntroduction fo Molecular Neurobiology. Sinauer, ^-l 992).

tampak

terdiri

dari empat subunit. Masing-masing subunit terdiri dari enam domain transmembran heliks-ct' Terminal karboksil

amino

terletak

di

sitoplasma, dengan lengkung ekstrasel

dan intrasel. Pori-pori di kanal yang

dilewati

oleh ion tidak

diperlihatkan. Sebuah

pori

tersusun oleh suatu

struktur inti

(garis tengahnya kira-kira 5-8 nm) yang terbentuk oleh aposisi berbagai subunit. Kanai

ion

bersifat sangat

selektif, yang umumnya hanya

memungkinkan lewatnya satu jenis

ion (Nat,

Ca2-, dstnya). Banyak variasi ditemukan pada struktur di atas, tetapi pada dasarnya semua kanal

ion terdiri dari

subunit-subunit transmembran yang menyatu membentuk ^sebuah pori di tengah tempat lewatnya ion secara selektif.

Membran sel saraf mengandung kanal

ion

yang telah

terbukti berperan dalam pembentukan potensial

^aksi.

Aktivitas sebagian kanai

ini dikontrol

oleh neurotransmiterl oleh karena

itu,

aktivitasnya dapat

diatur.

Kanal

ion

terbuka secara transien sehingga "memiliki pintu/gerbang" (Sotrd. Gerbang

ini

dapat dikontrol dengan membuka atau menutupnya. Pada kanal bergerbang ligan (ligand-gated cbannels), suatu molekul spesifik berikatan dengan reseptor

dan

membuka

kanal' Kanal

bergerbang- tegangan (uobage-gated channel) membuka ^(atau menutup) sebagai respons terhadap perubahan potensial membran.

Beberapa sifat kanal

ion

dicantumkan pada Tabel 40-4;

aspek-aspek lain kanal ion dibahas secara singkat

di

Bab 48.

Tabel

40-4.

Beberapa

ciri ^kanal

^ion

'Beberapa penyakit 1'ang disebabkan oleh mutasi kanal ion dibahas secara singkat di Bab 48.

PENELITIAN TERINCI TERHADAP KANAI K- & ^KANAT BERGERBANG.TEGANGAN MEMBERIKAN BANYAK PEMAHAMAN MENGENAI KERJA KANAT-KANAI INI

Terdapat sedikitnya empat ciri kanai ion yang harus diteliti:

(1) struktur keseluruhannya;

(2)

carakanal

ini

menyalurkan

'

;.

Kanal Regio heliks

Gambar 40-12. Diagram skematis struktur sebuah kanal K- (KvAP)

dari Streptomyces lividans. Diperlihatkan sebuah

ion

K- dalam rongga besar berisi

air di

dalam interior membran. Dua regio hel i ks protein ka nal terorientasi dengan ujung-uj u ng karboksi latnya menunjuk ke arah lokasi K*. Kanal ini dilapisi oleh oksigen karboksil (Dimodi{ikasi dari Dovle DA, etal. Science 1998;280:60. Hak cipta (c) 1988 AAAS. Diadaptasi dengan izin).

ion dengan

sedemikian

cepat; (3)

selektivitasnya; dan

(4) sifat-sifat

pintu/gerbangnya. Seperti

yang

dijeiaskan kemudian, telah banyak dicapai kemajuan dalam menjawab masalah-masalah sulir ini.

Kemajuan khusus telah dicapai oleh

MacKinnon

dan rekan-rekannya yang berhasil mengungkapkan struktur dan fungsi kanal

K

^(KvAP)

di

Streptomyces liuidans. Berbagai

teknik digunakan, termasuk

site-directed mutagenesis

dan

kristalografi sinar-X.

Kanal ini

adalah suatu protein membran integral yang

terdiri

dari empat subunit identik, masing-masing dengan

dua

segmen transmembran, yang membentuk sebuah

struktur

kemah

terbalik

(Gambar 40-

l2).

Bagian kanal yang menentukan selektivitas

ion ^(filter selektivitas) berukuran panjang 12 A ^(relatif

pendek sehingga K- tidak harus berjalan jauh menembus membran) dan terletak

di ujung

lebar kemah terbalik. Rongga besar terisi air dan

dipol

heliks yang diperlihatkan pada Gambar 40-12 membantu mengatasi energi elektrostatik yang

relatif

besar dan menghalangi kation menembus membran.

Filter selektivitas

dilapisi oleh atom oksigen karbonil (diberikan oleh sekuens

TVGYG),

membentuk beberapa bagian yang

dapat

berinteraksi dengan

K.. Ion K. yang

mengalami dehidrasi sewaktu memasuki

filter

selekdvitas yang sempir tersebut, masuk pas ke dalam filter, sedangkan

Na.

terlalu kecil

untuk

berinteraksi secara benar dengan atom oksigen karbonil sehingga ditoiak. _{Jika dua}

ion K.

berdekaran saru sama

lain di filter

akan saling tolak-menolak. Penolakan

ini

mengatasi

interalsi

antara

K*

dan

molekul protein di

sekitarnya sehingga K- dapat lewat dengan cepat dan dengan selektivitas yang tinggi.

Studi-studi lain terhadap kanal ion

bergerbang-

tegangan (HvAP) pada Aero?yruffi ?ernix

^berhasil

mengungkapkan

banyak ciri

mekanismenya.

Kanal ini

dibentuk oleh empat subunit, masing-masing dengan enam segmen transmembran. Salah satu

dari

enam segmen ^(S4 dan sebagian

53)

adalah sensor tegangan. Segmen-segmen

ini

berperilaku seperti

dayrng

bermuatan (charged paddle) (Gambar 40-13),

yaitu

segmen

ini

dapat bergerak melalui interior membran yang memindahkan empat muatan

positif

(karena

4

residu

Arg di

masing-masing subunit)

dari

satu permukaan membran

ke

permukaan

lain

sebagai respons

terhadap perubahan

tegangan.

Terdapat empat

sensor tegangan

di

masing-masing kanal yang berkaitan dengan pintu/gerbang. Bagian

pintu

kanal terbentuk dari heiiks 56 (satu dari masing-masing subunit). Pergerakan bagian kanal

ini

sebagai respons terhadap perubahan tegangan secara efektif menutup kanal atau membukanya kembali sehingga memungkinkan arus ion untuk lewat.

lonofor Adqlqh Molekul yqng Berfungsi Sebogoi Pengongkuf Ulong-Alik Membron bogi Berogom lon

Mikroba tertentu menyintesis molekul organik

kecil,

ionofor, yang berfungsi

sebagai pengangkut ulang-alik

untuk

pergerakan

ion menembus membran.

Ionofor

ini

mengandung

inti hidrofilik yang berikatan

dengan

ion

spesifik

dan dikelilingi oleh

regio

hidrofobik

perifer;

susunan

ini

memungkinkan molekul

larut

secara efektif

di

membran dan berdifusi menembus membran. Ionofor lain, seperti polipeptida gramisidin yang

telah

banyak

diteliti,

membentuk kanal.

Toksin mikroba, misalnya toksin di{leri dan

komponen komplemen serum

yang telah

aktif

dapat menimbulkan

Sensor tegangan

Gerbang tertutup

Interior set

T\

E

\"

\ qi

_K*

Gambar 40-13. Diagram skematis kanal K. bergerbang-tegangan pada Aeorpyrum pernix. Sensor tegangan berperilaku seperti dayung bermuatan yang bergerak melalui interior membran. Empat sensor tegangan (hanya dua yang diperlihatkan di sini) terhubung secara mekanis dengan pintu/gerbang kanal. Masing-masing sensor memiliki empat muatan positif yang dihasilkan oleh residu arginin (Dimodifikasi dari Sigworth FJ. Nature 2OQ3;423:21. Hak cipta O 2003.

Diadaptasi dengan izin dari Macmillan Publishers Ltd.).

Membran

iubang-lubang besar di membran sel sehingga makromolekul

memiliki

akses langsung ke lingkungan internal sel.

Akuoporin Adoloh Protein yqng

Membentuk Konol Air di Membron Terlentu

Pada

sel tertentu (mis. sel darah merah, sel

duktulus koligentes ginjal), perpindahan air melalui difusi sederhana diperkuat oleh perpindahan melewati kanal

air.

Kanal

ini terdiri dari

protein-protein transmembran tetramerik yang

dinamai

akuaporin. Sekitar

10

akuaporin berbeda

(AP-l

sampai

AP-l0)

^telah berhasil diidentifikasi. Mutasi

di

gen yang mengode AP-2

telah dibuktikan

menjadi penyebab salah satu tipe diabetes insipidus nefrogenik.

ME'YIBRAN PLASMA BERPERAN DALAM DtFUSt TERFAS|UTAS|, TRANSPOR AKTID

& PROSES IAIN

Sistem transpor dapat dijelaskan secara

fungsional berdasarkan

jumlah molekul

yang dipindahkan

dan

arah perpindahan (Gambar 40-14) atau berdasarkan perpindahan tersebut mendekati atau

menjauhi

keseimbangan. Sistem

unipor (uniport) memindakan satu jenis molekul

ke kedua arah. Pada sistem

kotranspor,

pemindahan satu zat terlarut bergantung pada pemindahan stoikiometrik ^(secara bersamaan atau berurutan) ^zat terlarut lai n. Simpor (simport)

memindahkan dua zat terlarut dalam arah yang

sama.

Contohnya adalah transporter proton-gula pada bakteri serta transporter Na--gula (untuk glukosa dan gula tertentu lain) dan transporter Na*-asam amino pada sel mamalia. Sistem

antipor (antiport)

memindahkan dua molekul dalam arah yang berlawanan (mis. Na. masuk dan Ca2- keluar).

Unipor Simpor Antipor

---Y-'--- Kontranspor

Gamhar 40-14. Cambaran skematis jenis-jenis sistem transpor.

Transporter dapat diklasifikasikan berdasarkan arah pergerakan/

perpindahan dan apakah terdapat satu atau lebih molekul yang dipindahkan. Unipor

juga

dapat memungkinkan perpindahan dalam arah berlawanan, bergantung pada konsentrasi molekul yang bersangkutan di bagian dalam dan luar sel lDigambar dan diproduksi ulang dengan ijin dari Alberts B, et al. Molecular Biology of the Cel/. Carland,

1 9B3).

Molekul yang tidak

dapat menembus

sendiri

secara leluasa lapisan-ganda

lipid

dapat melakukannya bersama dengan protein pembawa.

Hal ini

melibatkan dua

proses- difusi terfasilitast (facilitated difinion) dan

^transpor

aktif-dan

sistem transpor yang sangat spesifik.

Difusi

terfasilitasi dan transpor

aktif memiiiki

banyak kesamaan. Keduanya melibatkan

protein

pembawa, dan memperlihatkan spesifisitas

untuk ion, gula, dan

asam

amino. Mutasi di bakteri dan sel mamalia

(termasuk sebagian mutasi yang menyebabkan penyakit pada manusia) mendukung kesimpulan

ini.

Difusi terfasilitasi dan transpor

aktif mirip

dengan

suatu

reaftsi substrat-enzim kecuali bahwa

tidak terjadi

interaksi kovalen.

Hal-hal

yang sama

di

antara kedua proses tersebut adalah sebagai berikut: ⁽¹⁾ Terdapat tempat pengikatan spesifik

bagi

zar.

terlarut.

⁽²⁾ Pembawa dapat mengalami kejenuhan sehingga

memiliki

laju transpor maksimal (7-,u.; Gambar 40-15). (3) Terdapat konstanta pengikatan

(d)

untuk zat terlarut sehingga sistem keseluruhan

memiliki K-

^(Gambar

40-15). (4) Inhibitor kompetitif yang strukturnya

serupa

dapat

menghambat transpof.

Perbedaan utama adalah sebagai

berikut: (1)

Difusi terfasilitasi dapat terjadi

di

kedua arah, sementara transpor

aktif

biasaya satu

arah. (2) tanspor aktif

^{selalu bekerja}

melawan gradien

listrik

atau

kimia

sehingga memerlukan energi.

Difusi Terfosilitosi

Beberapa zat terlarut berdifusi mengikuti

gradien elektrokimia

di

kedua sisi membran

lebih

cepat daripada yang diperhitungkan

dari

ukuran, muatan, atau koefisien

Km

Konsentrasi zat tedarut

Camhar 40-15. Perbandingan kinetik di{usi yang diperantarai oleh pembawa (difusi terfasilitasi) dengan difusi pasif. Laju perpindahan difusi pasif berbanding lurus dengan konsentrasi

zat

terlaru!

sementara jika melibatkan pembawa, proses perpindahan dapat mengalami penjenuhan. Konsentrasi pada kecepatan separuh maksimal sama dengan konstanta pengikatan (K*) pembawa untuk zat terlarut (V-,0., laju maksimal).

o ot ^o

A\1II

$tt[( i ]$ifit[{ ii ]$ifit}i ⁱ il$tfi }r**

TAIL

%@#" a

^P'ng

T[il@@il] _@@

Gambar40-16.Model "ping-pong" untukdifusiterfasilitasi. Sebuah protein pembawa (strukturabu-abu) di lapisan-ganda lipid berikatan dengan zat terlarut dalam konsentrasi tinggi di salah satu sisi membran. Kemudian terjadi perubahan konformasi ("pong" men;idi "ping"), dan zatterlarut dilepaskan di sisi yang mendorong terjadinya keseimbangan baru. Pembawa yang kosong kemudian kembali ke bentuk semula ("ping" men.iadi "pong") untuk menyelesaikan siklus;

a>-\

Ping

ffi;\

partisinya.

Difusi

terfasilitasi

ini

memperlihatkan sifat-sifat yang berbeda dengan difusi sederhana. Laju difusi terfasilitasi, suatu sistem unipor, dapat mengalami kejenuhan; yi. jumiah tempat pengikatan yang

terlibat

dalam

difusi zat

terlarut spesifik tampak terbatas. Banyak sistem

difusi

terfasilitasi bersifat stereospesifik, tetapi seperti difusi sederhana, tidak memerlukan energi.

Difusi

terfasilitasi dapat dijelaskan dengan mekanisme

"ping-pong:'

(Gambar 40-16). Dalam model

ini,

^protein

pembawa berada dalam dua konformasi/bentuk utama' ^Pada keadaan

"pong", protein ini

terpajan dengan konsentrasi zat terlarut yang

tinggi,

dan molekul zat terlarut berikatan dengan bagian spesifik di protein pembawa. Tianspor terjadi jika perubahan konformasi menyebabkan protein pembawa terpajan

oleh

konsentrasi zat

terlarut yang lebih

rendah (keadaan

"ping").

Proses

ini

bersifat reversibel

total,

^dan

aliran netto

yang menembus membran bergantung pada gradien konsentrasi.

Laju

zat terlarut memasuki sel melalui difusi terfasilitasi ditentukan oleh faktor-faktor berikut: ⁽¹⁾ Gradien konsentrasi

di

kedua sisi membran.

(2)

_Jumlah pembawa yang tersedia

(ini

adalah tahap

kontroi

utama).

(3)

Kecepatan interaksi antara zat

terlarut

dan pembawa.

(4) Kecepatan perubahan konformasi protein pembawa baik dalam keadaan 'terisi' maupun 'kosong'.

Hormon

mengatur difusi terfasilitasi dengan mengubah

jumlah

pengangkut yang tersedia.

Insulin

meningkatkan

transpor

glukosa

di lemak dan otot

^{dengan merekrut}

transporter dari cadangan intrasei. Insulin juga meningkatkan transpor asam amino

di ^hati

dan jaringan

lain.

Salah satu kerja terpadu hormon

glukokortikoid

^adalah meningkatkan transpor asam

amino ke

dalam

hati,

tempat asam amino kemudian berfungsi ^sebagai substrat untuk glukoneogenesis.

Hormon

pertumbuhan meningkatkan transpor ^asam amino di semua sel, dan estrogen melakukannya di uterus. Pada sel hewan, terdapat paiing sedikit

lima

sistem pembawa yang

berbeda

untuk

asam amino. Masing-masing sistem bersifat spesifik

untuk

satu kelompok asam amino yang berikatan erat,dan sebagian besar bekerja sebagai sistem Na--simpor (Gambar 40-14).

Tronspor Aktif

Proses transpor

aktif

berbeda dengan

difusi' yaitu

bahwa

molekul

diangkut menjauhi keseimbangan termodinamik;

oleh karena itu,

dibutuhkan

energi. Energi

ini

dapat berasal

dari

hidrolisis

AIP, dari

perpindahan

elektron,

atau dari cahaya. Pemeliharaan gradien elektrokimiawi dalam sistem biologis sedemikian pentingnya sehingga pemeliharaan

ini

menghabiskan sekitar 30olo

dari

pengeluaran energi total sebuah sel.

Secara

umum, sel

mempertahankan konsentrasi ^Na*

intrasel yang rendah dan konsentrasi K- intrasel yang tinggi (Tabel 40-1), dengan potensial listrik netto negatifdi bagian dalam se1. Pompa yang mempertahankan gradien

ini

adalah suatu ATPase yang

diaktifkan oleh Nat dan Kt

^(Na--K-

,AT'Pase;

lihat

Gambar 40-17). ATPase adalah suatu protein membran integrai

dan

memerlukan

fosfolipid

agar dapat beraktivitas.

AIPase memiliki

pusat-pusat katalisis bagi

ATP

dan

Na. di

sisi sitoplasmik membran,

tetapi

tempat pengikatan

K-

terletak

di

sisi ekstrasel membran. Ouabain dan

digitalis

menghambat ATPase

ini

dengan cara berikatan dengan

domain MPase

ekstrasel.

Inhibisi

^{ATPase oleh}

ouabain dapat dilawan oleh

K'

ekstrasel.

lmpuls Sqrof Disolurkqn Ke Atqs &

Ke Bowqh Melcrlui Membrqn

Membran yartg membentuk ^permukaan sel

^neuron

mempertahankan suatu asimetri voltase (tegangan) bagian

luar

serta

bagian dalam

(potensial

listrik) dan

^mudah

se $t{} _!t

i)

ss iltt

3 Na*

Gambar 40-17. Sloikiometri pompa NarK ATPase. Pompa ini memindahkan tiga ion Na* dari bagian dalam sel ke luar dengan membawa masuk dua ion K* dari luar ke dalam sel untuk setiap moiekul ATP yang dihidrolisis menjadi ADP oleh ATPase terkait- membran. Ouabain dan glikosida jantung lainnya menghambat pompa

ini

dengan bekerja pada permukaan ekstrasel membran.

(Sumbangan R. Post).

tereksitasi

oleh listrik. _Jika

dirangsang secara

tepat

oleh suatu sinyal

kimiawi

yang diperantarai oleh suatu reseptor membran sinaps spesifik (lihat pembahasan tentang transmisi sinyal biokimia, di bawah),

pintu-pintu

di membran terbuka sehingga memungkinkan terjadinya influks cepat Na* atau Ca2- (dengan atau tanpa efluks K-) sehingga perbedaan voltase segera berkurang dan segmen membran yang bersangkutan mengalami depolarisasi. Namun, berkat kerja pompa ion di membran, gradien

listrik

tersebut segera dipulihkan.

Jika

^sejumlah besar area membran mengaiami depo-

larisasi

dengan cara

ini,

gangguan elektrokimia

ini

akan

menjalar seperti

gelombang

merambati membran,

dan

menghasilkan impuls saraf. Selubung mielin

yang dibentuk oleh sel Schwann, membungkus serabut saraf dan membentuk insulator listrik yang mengelilingi sebagian besar saraf dan sangat mempercepat penjalaran gelombang (sinyal) dengan membiarkan

ion

mengalir keluar-masuk membran hanya di bagian membran yang ^bebas dari insulasi. Membran

mielin terdiri

dari fosfolipid, koiesterol, protein, dan GSL.

Protein

di

membran

mielin

relatif sedikit; protein yang ada tampaknya berfungsi menyatukan berbagai lapisan-ganda membran

untuk

membentuk

struktur

insulator

hidrofobik

yang impermeabel terhadap ion dan air. Penyakit tertentu, misalnya sklerosis

multipel dan sindrom

Guiilain-Barrd, ditandai oleh demielinasi dan gangguan hantaran ^saraf.

Tronspor Glukosq Melibqrkqn Beberopo Mekqnisme

Pembahasan tentang transpor glukosa meringkaskan banyak

dari

pokok-pokok bahasan yang disebutkan

di

dalam bab ini. Glukosa harus masuk ke dalam sel sebagai tahap pertama pemakaian energi.

Di dalam adiposit dan otot,

glukosa

masuk melalui sistem transpor spesifik yang ditingkatkan

oleh insulin.

^Perubahan

transpor terutama

disebabkan

oleh perubahan 7-"*, (diperkirakan

karena peningkatan atau penurunan transporter

aktif),

tetapi perubahan pada

Km

juga

mungkin

berperan. Tlanspor glukosa melibatkan berbagai aspek

dari

prinsip-prinsip transpor yang dibahas sebelumnya. Glukosa dan Na- berikatan dengan pengangkut glukosa

di

tempat yang berbeda.

Nat

berpindah ke dalam sel mengikuti gradien elektrokimia dan "menyeret" glukosa bersamanya (Gambar 40-18). Jadi, semakin besar gradien

Na.,

semakin banyak glukosa yang masuk; dan

jika Na.

di cairan ekstrasel rendah, pengangkutan glukosa akan terhenti.

Untuk

mempertahankan gradien Na- yang curam, simpor Na--glukosa

ini

bergantung pada gradien yang diciptakan oleh Na--K ATPase, yang mempertahankan konsentrasi Na.

intrasel tetap rendah. Mekanisme serupa digunakan untuk memindahkan gula lain serta asam amino.

Perpindahan transelular gula melibatkan satu komponen tambahan: suatu unipor (Gambar 40- ¹ 8) yang memungkinkan glukosa yang terakumulasi

di

dalam sel berpindah melalui permukaan

yang

berbeda

menuju

keseimbangan baru;

contohnya, hal

ini

terjadi

di

dalam sel usus, dan melibatkan pengangkut glukosa ^(glucose tr/znsporter, GLUT2).

Penanganan diare berat (seperti yang terjadi ^pada kolera) memanfaatkan informasi

di

atas. Pada kolera, dapat terjadi pengeluaran cairan dalam

jumlah

besar sebagai

tinja

^cair

SIIVIPOR

NATRIUM-GLUKOSA

LUMEN

Glukosa

CAIRAN EKSTRASEL

Gambar 40-IB. Perpindahan transelular glukosa di dalam sebuah

sel

usus. Clukosa mengikuti Na* menembus membran ^epitel luminal. Cradien Na* yang mendorong simpor ini diciptakan ^oleh pertukaran NarK*, yang terjadi di membran basal dan berhadapan dengan kompartemen cairan ekstrasel melalui kerja Na*-K*ATPase.

Clukosa dengan konsentrasi tinggi

di

dalam sel dipindahkan ke cairan ektrasel oleh di{usi terfasilitasi (suatu mekanisme unipor) melalui CLUT2 (suatu pengangkut glukosa). Simpor ^natrium- glukosa sebenarnya mengangkut 2 Na* untuk setiap glukosa.