IKHLAS M. JENIE
MEMBRAN SEL
Tersusun atas dua lapis lipid (lipid bilayer) yang terlihat jelas melalui mikroskup elektron, dengan protein di
antaranya
Molekul lipid membran sel bersifat amphiphilik :
memiliki bagian hidrofilik (polar) dan bagian hidrofobik (non polar)
Protein membran sel terdiri dari protein integral dan protein perifer
Fluid-mosaic model
Lapisan fosfolipid membran sel berkonsistensi cair (fluid)
Protein tersusun mosaik di antaranya.
Dengan demikian, kombinasi lipid dan
protein memberikan ciri fluid-mosaic
model pada membran sel
Fluid-mosaic model
TRANSPORT SOLUTE MELALUI MEMBRAN SEL
Lapisan lipid bilayer membran sel dapat dilewati (permeable) oleh molekul-molekul hidrofobik (non polar), contohnya gas O2, CO2, N2 dan hormon
golongan steroid
Permeabel : bila suatu membran dapat melewatkan suatu zat
Impermeabel : bila suatu membran tidak dapat dilewati suatu zat
Permeabel selektif : beberapa molekul
dapat melintasinya, tetapi yang lain tidak
Permeabilitas membran bervariasi dan dapat diubah dengan cara mengubah protein dan lipid membran
Susunan lipd dan protein membran
menentukan jenis molekul yang akan
masuk atau keluar sel
Membran sel tidak mudah dilewati (impermeable) terhadap ion-ion yang bermuatan, misalnya H+, Na+, HCO3-, K+, Ca2+, Cl-, Mg2+
Permeabilitas membran sel berkurang berturut-turut terhadap:
•molekul-molekul hidrofilik (polar) tidak bermuatan yang berukuran kecil, seperti air (H2O), urea, dan gliserol
•molekul-molekul hidrofilik tidak bermuatan yang berukuran besar, antara lain glukosa dan sukrosa
Difusi
Transpor pasif melewati membran menggunakan energi kinetik yang terdapat dalam molekul
Perpindahan molekul dari tempat
dengan konsentrasi molekul yang lebih tinggi ke tempat dengan konsentrasi
molekul yang lebih rendah
Difusi
Bersifat pasif : tidak memerlukan energi dari sumber luar
Molekul bergerak berdasarkan gradien kimia (gradien konsentrasi) -- >
menentukan kecepatan difusi
Hukum Difusi Fick
Kecepatan difusi = luas permukaan x gradien konsentrasi x permebalitas membran
Kecepatan difusi/luas permukaan membran = gradien kosentrasi x permeabilitas membran
Fluks = gradien kosentrasi x permeabilitas membran
Hukum Difusi Fick
Permeabilitas membran :
Ukuran molekul
Tingkat kelarutan molekul dalam lipid
Susunan dwilapis lipid
Difusi
Kecepatan difusi juga dipengaruhi :
Jarak (ketebalan membran)
Suhu
Perpindahan molekul terjadi hingga konsentrasinya sama di kedua
kompartemen
Protein Transport pada Membran Sel
Membran sel dilengkapi dengan protein integral sebagai alat transport melewati membran
Terdapat dua macam protein transport membran, yaitu transporter dan saluran (channel)
Semua saluran dan kebanyakan transporter membawa solute melewati membran secara difusi terfasilitasi
Proses ini berlangsung pasif karena solute berpindah dari tempat dengan konsentrasi tinggi ke tempat
dengan konsentrasi rendah (downhill)
Dengan demikian, perbedaan konsentrasi mendorong arah transport pasif
Selain itu, membran sel juga memerlukan protein
transport yang secara aktif memompa solute melewati membran sel berlawanan arah dengan perbedaan
elektrokimiawi, artinya bergerak dari tempat dengan
konsentrasi rendah ke tempat dengan konsentrasi tinggi (uphill)
Sisi dalam membran sel bermuatan lebih negatif dibandingkan sisi luar membran sel
Perbedaan potensi listrik tersebut mendorong
masuknya (influks) ion bermuatan positif, akan tetapi menghambat masuknya ion bermuatan negatif
Apabila solute bermuatan maka potensial membran, yaitu perbedaan muatan elektrik pada dua sisi
membran (sisi dalam dan sisi luar), mempengaruhi transport pasif
Kombinasi perbedaan konsentrasi dan elektrik menghasilkan perbedaan elektrokimiawi, yang
berperan sebagai kekuatan pendorong transport pasif
Transporter dan Transport Membran Aktif
Hubungan transporter dengan solute menyerupai hubungan enzim dengan substrat
Artinya, tiap transporter mempunyai satu atau lebih tempat ikatan spesifik terhadap suatu solute
Akan tetapi, transporter tidak memodifikasi solute sebagaimana enzim mengubah substrat
Transporter membawa solute melewati membran sel tanpa mengubah solute
Dalam proses transport aktif, laju transport mencapai maksimal (Vmax) apabila transporter sudah mengalami saturasi atau kejenuhan, artinya tidak tersisa lagi
tempat ikatan solute pada transporter
Selain laju maksimal, dikenal afinitas transporter (Km), yang merupakan konsentrasi solute ketika laju transport mencapai ½ Vmax
Seperti enzim, transporter dapat diblok oleh inhibitor kompetitif maupun inhibitor non kompetitif
Inhibitor kompetitif apabila agen penghambat tersebut bersaing dengan solute pada tempat ikatan spesifik
pada transporter
Tidak setiap inhibitor kompetitif dibawa oleh transporter melewati membran sel
Inhibitor non kompetitif apabila agen penghambat berikatan dengan transporter pada tempat lain selain tempat ikatan spesifik solute dan secara spesifik
mempengaruhi struktur transporter
1
Transport aktif yang menyertai transport pasif (COUPLED TRANSPORTER)2
Transport aktif yang didorong oleh hidrolisis ATP (POMPA ATP)3
Transport aktif yang diaktifkan oleh cahaya (light driven)Transport aktif memerlukan sumber energi. Terdapat tiga model transport aktif, yaitu:
Uniporter
Transporter yang membawa suatu molekul melewati membran sel tanpa disertai dengan molekul lain
Contoh: glukosa transporter (GLUT), yang ekspresinya dipicu oleh hormon insulin
Ambilan Glukosa pada Otot Skelet dan Adiposa
Kadar glukosa darah >> insulin >> aktivasi reseptor Insulin pada membran sel aktivasi PI3K GLUT4 >> absorbsi glukosa >>
Diabetes Mellitus Tipe 2
Kondisi hiperglikemia yang disebabkan oleh penurunan sekresi insulin atau
resistensi insulin.
Resistensi insulin terjadi karena defek reseptor insulin sehingga terjadi
gangguan signalling down stream
receptor.
Protein Pembawa
Glukosa
Transporter yang membawa suatu molekul melewati membran sel, yang menyertai molekul lain (biasanya ion) atau second solute yang juga berpindah melewati membran sel tersebut secara pasif berdasarkan
perbedaan elektrokimiawi Coupled transporter
Pada simporter atau cotransporter, perpindahan molekul melewati membran sel searah dengan perpindahan second solute yang disertainya
Pada antiporter atau exchanger, perpindahan molekul melewati membran sel berlawanan arah dengan
perpindahan second solute yang disertainya
Ion natrium merupakan ion co-transporter yang dominan pada sel eukariot.
Pada sel eukariot, konsentrasi ion natrium atau sodium lebih tinggi pada sisi luar membran sel (ruang
ekstraselular) daripada sisi dalam membran sel (ruang intraselular atau sitosol)
Ion natrium bermuatan positif, sedangkan sisi dalam
membran sel bermuatan lebih negatif dibandingkan sisi luar membran sel
Dengan demikian, terdapat perbedaan elektrokimiawi ion natrium antara sisi luar dan sisi dalam membran sel Perbedaan elektrokimiawi tersebut mendorong
berpindahnya ion natrium dari ruang ekstraselular ke ruang intraselular (influks) secara pasif terfasilitasi
Energi yang dihasilkan dari influks ion natrium ini dapat dimanfaatkan oleh transporter untuk membawa secara aktif suatu molekul melewati membran sel dengan
melawan perbedaan elektrokimiawi
Transport aktif sekunder (secondary active transport)
Contoh transport aktif sekunder adalah simporter yang melekat pada membran sel epitel usus (enterosit), yang membantu masuknya glukosa dan asam amino ke
dalam enterosit melawan perbedaan elektrokimiawi, dengan influks ion natrium secara pasif sebagai sumber energi
Laju transport glukosa dan asam amino pada enterosit ditentukan oleh perbedaan elektrokimiawi ion natrium
Semakin besar perbedaan elektrokimiawi ion natrium, semakin cepat laju transport glukosa dan asam amino ke dalam enterosit
Simporter glukosa yang tergantung ion natrium tersebut terdistribusi secara tidak merata, yakni dominan pada sisi apikal (menghadap lumen usus) enterosit daripada sisi basal dan lateral (keduanya menghadap ruang
ekstraselular) enterosit
Absorbsi Karbohidrat pada
Epitel Usus
Karbohidrat diabsorbsi oleh usus dalam bentuk monosakharida
Glukosa
Galaktosa
Fruktosa
Absorbsi Glukosa pada Epitel Usus
Absorbsi glukosa dan galaktosa melalui
SGLT1 atau
Sodium/Glucose Transporter1
SGLT1 mengangkut 1 molekul glukosa
bersama (coupled) dengan 2 molekul Na+ atau sodium dari lumen usus ke dalam enterosit melewati membran
apikal enterosit
Membran apikal
Membran basolateral
Absorbsi Glukosa pada Epitel Usus
Absorbsi glukosa tersebut melawan gradien konsentrasi glukosa
[glucose]i > [glucose]e
Membran apikal
Membran basolateral
Absorbsi Glukosa pada Epitel Usus
Energi untuk absorbsi glukosa tersebut
didapatkan dari difusi Na+ dari lumen usus ke intraenterosit
Difusi Na+ tersebut berlangsung searah gradien konsentrasi dan gradien elektrik.
Membran apikal
Membran basolateral
Absorbsi Glukosa pada Epitel Usus
Glukosa pada enterosit akan dibawa melewati membran basolateral epitel usus dari
konsentrasi tinggi di
intraepitel ke konsentrasi yang lebih rendah di ruang interstisial oleh Glucose Transporter2 (GLUT2)
Gradien konsentrasi Na+ dipertahankan oleh pompa Na+/K+ pada membran
basolateral
Membran apikal
Membran basolateral
Oralit
Oral Rehydration Salts (ORS)
Terapi rehidrasi per oral mengandung:
Glukosa 111
Sodium 90
Potassium 20
Chlorida 80
Citrate 10 Satuan mmol/L
Malabsorbsi Glukosa- Galaktosa (GGM)
Pasien diare; studi molekular menunjukkan mutasi SGLT1.
Penderita tidak dapat mengkonsumsi
karbohidrat/gula.
Diare diperparah apabila terdapat penurunan
konsentrasi Na+ pada usus.
Diare terjadi karena penurunan absorbsi air sekaligus
peningkatan osmosis air ke arah lumen usus.
Absorbsi Fruktosa pada Epitel Usus
Fruktosa diabsorbsi dengan Glucose
Transporter5 (GLUT5)
pada membran apikal dan Glucose Transporter2
(GLUT2) pada membran basolateral.
Setelah melewati
membran basolateral, monosakharida akan menuju dinding kapiler dan masuk ke sirkulasi portal.
Membran apikal
Membran basolateral
Untuk mengembalikan ion natrium ke luar sel diperlukan pompa Na+-K+-ATPase
Transport aktif sekunder menyebabkan influks ion natrium (masuk ke dalam sel)
Transport Aktif yang Didorong oleh Hidrolisis ATP (Pompa ATP)
Pompa tersebut membawa tiga molekul ion natrium dari dalam sel ke luar sel dan memompa dua molekul ion kalium (potasium) dari luar sel ke dalam sel, dengan melawan perbedaan elektrokimiawi
Sumber tenaga pompa Na+-K+-ATPase didapat secara langsung dari hidrolisis ATP
Transport aktif primer (primary active transport)
Transport aktif primer oleh pompa Na+-K+-ATPase secara tidak langsung membantu transport aktif sekunder
karena mempertahankan perbedaan konsentrasi ion natrium antara ruang ekstraselular dan ruang
intraselular
Selain itu, pompa Na+-K+-ATPase berkontribusi
mempertahankan osmolaritas sel darah merah atau eritrosit
Ion natrium pada cairan ekstraselular (bersama ion klorida) berperan sebagai penyeimbang
(counterbalance) perbedaan osmotik yang ditimbulkan oleh anion intraselular terfiksasi
Disfungsi pompa Na+-K+-ATPase pada membran eritrosit
• Volume eritrosit akan meningkat dan kemudian eritrosit lisis pada lingkungan cairan hipotonik
• Eritrosit akan mengecil/mengkerut dalam lingkungan cairan hipertonik eritrosit
Pada sitosol, pH optimum adalah pH netral (pH 7,2) Enzim-enzim di dalam sel perlu bekerja dalam pH optimum
Pengaturan pH Intraseluler oleh Transporter
Penurunan pH intraselular (karena metabolism sel) memicu bekerjanya beberapa transporter yang
bertujuan untuk mengeluarkan ion hidrogen dan menetralisir pH asam
Transporter ini membawa ion hidrogen (dan ion klorida) keluar dari sel dengan ditukar ion natrium dan ion
karbonat (HCO3-) yang masuk ke dalam sel
Transporter utama ketika pH intraselular menurun adalah Na+-driven Cl--HCO3- exchanger
Ion HCO3- yang masuk ke dalam sel akan menetralkan suasana asam di dalam sel melalui reaksi HCO3- + H+ H20 + CO2
Transporter lainnya yang berperan membawa ion hidrogen ke luar sel adalah Na+-H+ exchanger
Dengan demikian, kedua simporter tersebut
menjalankan transport aktif yang berpasangan dengan perbedaan konsentrasi ion natrium
Transporter ini membawa ion hidrogen keluar dari sel ditukar dengan ion natrium yang masuk ke dalam sel
Apabila suasana sel menjadi basa maka sel
mengaktifkan Na+-independent Cl--HCO3- exchanger, yang membawa ion karbonat keluar dari sel (sesuai dengan perbedaan elektrokimiawi) dan ion klorida masuk ke dalam sel
Transporter lainnya yang mengatur pH intraselular adalah ATP-driven H+ pumps yang membawa ion hidrogen dari sitosol masuk ke dalam organela- organela, seperti lisosom, endosom, dan vesikel sekretoris
Transporter ini aktif pada membran eritrosit pada saat eritrosit berada pada kapiler paru, yang membantu
pengeluaran CO2 dari eritrosit ke alveoli
Transporter ini diperlukan karena enzim-enzim lisosom berfungsi optimal pada pH asam (pH 5)
Sel mengandung lebih sedikit ion kalsium dibandingkan cairan ekstraselular
Pompa Kalsium
Masuknya ion kalsium dari CES atau sumber kalsium intraselular, seperti retikulum endoplasmikum, ke dalam sitosol dengan menuruni perbedaan
elektrokimiawi adalah salah satu metode penjalaran sinyal
Dikenal dua macam pompa kalsium, yaitu pompa Ca2+- ATPase dan antiporter Na+-Ca2+ exchanger
Oleh sebab itu, diperlukan pompa kalsium yang
mempertahankan kadar kalsium yang rendah pada sitosol
Pompa Ca2+-ATPase terletak pada retikulum
endoplasmikum, sedangkan antiporter Na+-Ca2+
exchanger terdapat pada membran sel
Pompa ATP dengan dua domain pengikat ATP yang identik
Transporter ABC
Ikatan dengan ATP mendorong dimerisasi dua domain tersebut, sedangkan hidrolisis ATP memicu disosiasi
Pada eukariot, termasuk dalam transporter ABC adalah protein multidrug resistance (MDR)
Protein ini akan memompa obat-obat hidrofobik keluar dari sel
Ekspresi yang berlebihan protein MDR pada sel-sel
kanker memicu resistensi terhadap obat-obat sitotoksik Contoh lain adalah ekspresi transporter ABC pada
parasit penyebab malaria, yaitu Plasmodium falcifarum, yang menyebabkan ketahanan parasit tersebut
terhadap obat chloroquin
Pori hidrofilik transmembran yang berfungsi
memfasilitasi difusi pasif ion-ion inorganik, seperti Na+, K+, Ca2+, dan Cl-, melewati membran sel secara cepat
dengan menuruni (downhill) perbedaan elektrokimiawi Saluran (channel)
Saluran ion bersifat selektif, artinya hanya dapat dilalui oleh satu macam ion, karena saluran berukuran sempit sehingga hanya ion dengan ukuran dan muatan tertentu saja yang dapat melaluinya
Terdapat bagian yang tersempit pada saluran ion, yang berfungsi sebagai filter, yang membatasi laju transport ion
Laju transport ion meningkat secara proporsional
dengan meningkatnya konsentrasi ion, akan tetapi laju transport ion mencapai maksimum ketika tercapai
saturasi
Saluran ion tidak membuka setiap saat karena adanya gerbang, yang menutup saluran ketika tidak terdapat
stimulus dan membuka saluran ketika terdapat stimulus (spesifik)
1 perubahan voltase (voltage-gated channels)
2 stress mekanik (mechanically gated channels) 3 ikatan ligand (ligand-gated channels)
Stimuli membukanya gerbang saluran ion adalah :
• Mediator ekstraselular:
• Neurotransmitter (transmitter-gated channels)
• Mediator intraselular:
• Ion (ion-gated channels)
• Nukleotida (nucleotide-gated channels)
Dikenal sel yang dapat dirangsang secara elektris, yaitu sel saraf (neuron), sel otot, sel endokrin, dan sel telur (ovum)
Voltage-gated Channels
Sel eksitabel tersebut mempunyai voltage gated
channels pada membran sel, yang bertanggung jawab atas timbulnya potensial aksi, yaitu perubahan
potensial membran untuk penjalaran impuls
Saluran ion ini dijumpai pada membran pasca sinaps Transmitter-gated Ion Channels
Sesuai dengan namanya, gerbang saluran ion ini
terbuka dengan adanya neurotransmitter pada celah sinaps
Dengan membukanya saluran ion maka terjadi perubahan potensial membran
Apabila potensial membran berubah menjadi lebih positif, maka neurotransmitter yang menyebabkan perubahan tersebut merupakan neurotransmitter eksitatoris
Apabila potensial membran berubah menjadi lebih negatif, maka neurotransmitter yang menyebabkan perubahan tersebut merupakan neurotransmitter inhibitoris
Contoh neurotransmitter eksitatoris:
•Asetilkolin
•Glutamate
•Serotonin
Contoh neurotransmitter inhibitoris:
•GABA
•Glisin
Neurotransmiter eksitatoris menyebabkan pembukaan gerbang saluran ion natrium
Neurotransmitter inhibitoris menimbulkan pembukaan gerbang saluran ion kalium dan ion klorida
Asetilkolin dan Reseptor Asetilkolin dan Reseptor
Nikotinik
Nikotinik
Asetilkolin dan Reseptor Asetilkolin dan Reseptor
Muskarinik
Muskarinik
Voltage-gated Channel pada Syaraf
Saluran kalsium
pada akhiran akson akan terbuka apabila terjadi perubahan
potensial elektrik (positif).
Influks kalsium
diperlukan untuk fusi vesikel sekretori
pada membran pre sinaps.
Aksi Asetilkholin pada Ligand-gated Channel
Ach
mengaktif kan
reseptor yang
berbeda pada otot skelet &
jantung
Saluran yang dibuka pun berbeda pada otot skelet dan jantung.
Efek yang
ditimbulkan juga berbeda.
Curare
Curare mempunyai afinitas yang tinggi terhadap Ach R
Curare menghambat aksi Ach.
Curare
menyebabkan paralisis otot dan
kegagalan respirasi.
Norepinefrin
TERIMA KASIH
Sumber pustaka: Alberts dkk. Molecular Biology of the Cell.
Fifth Edition. 2008. Garland Science
