Gambar 4 Delapan fitur sistem transduksi sinyal
1. Specificity, transduksi sinyal bersifat spesifik sesuai dengan reseptornya.
2. Sensitivity, memiliki afinitas yang tinggi
3. Amplification, ketika enzim mengaktivasi enzim lain, maka jumlah molekul akan meningkat
4. Modularity, protein dengan afinitas multivalen membentuk kompleks pensinyalan yang beragam dari bagian yang dapat dipertukarkan.
fosforilasi memberikan titik interaksi yang dapat dibalik.
5. Desensitization/adaptation, aktivasi reseptor memicu sirkuit umpan balik yang mematikan reseptor atau menghilangkannya dari permukaan sel 6. Integration, ketika dua sinyal memiliki efek berlawanan pada karakteristik
metabolik seperti konsentrasi pembawa pesan kedua X, atau potensial membran Vm, hasil regulasi dihasilkan dari input terintegrasi dari kedua reseptor.
7. Divergence, ketika reseptor diaktifkan oleh sinyal, ia mengaktifkan dua atau lebih jalur dengan efek akhir yang berbeda
8. Localized response, ketika enzim yang menghancurkan pesan intraseluler berkumpul dengan produsen pesan, pesan terdegradasi sebelum dapat menyebar ke titik yang jauh, sehingga responsnya hanya lokal dan singkat.
Terdapat 4 jenis umum transduksi sinyal seperti pada Gambar …
1. Reseptor berpasangan protein G mengaktifkan enzim yang menghasilkan utusan kedua intraseluler. Contohnya reseptor β-adregenik merespon epinerfin dan sistem penglihatan, penciuman, dan pengecapan
2. Enzim reseptor di membran plasma memiliki aktivitas enzimatik di sisi sitoplasma dipicu oleh pengikatan ligan di sisi ekstraseluler
3. Saluran ion berpagar dari membran plasma yang membuka dan menutup sebagai respons terhadap pengikatan ligan kimia atau perubahan potensial transmembran
4. Reseptor nuklir yang mengikat ligan spesifik dan mengubah kecepatan transkripsi gen spesifik dan translasi menjadi protein seluler.
Gambar 5 Jenis transduksi sinyal
The β-Adrenergic Receptor Acts Through The Second Messenger cAMP (Chapter 12.2.1)
Epinerfin dihasilkan oleh kelenjar adrenal mirip seperti alarm yang bunyi ketika ada bahaya atau ancaman yang membuat organisme untuk memobilisasi penghasil energi menandakan seseorang harus memilih kondisi fight or flee (memilih atau melarikan diri). Epinerfin mengatur metabolisme penghasil energi di otot, hati, dan jaringana adiposa. Reseptor adrenergik terdiri dari empat jenis umum α1, α2, β1, and β2, yang ditentukan oleh perbedaan dalam afinitas dan responnya terhadap kelompok Agonis (molekul yang mengikat reseptor dan menghasilkan efek ligan alami) dan antagonis (analog yang mengikat reseptor tanpa memicu efek normal dan disaat yang sama memblokir efek agonis termasuk ligan alami).
Mekanisme pengikatan epinerfin ke reseptornya dapat dilihat pada Gambar 6 Pertama epinerfin menempel pada reseptor kemudian mentransfer sinyal melalui GTP yang membuat GSα aktif . Setelah itu sinyal mengaktifkan adenilat siklase yang akan mensintesis ATP menjadi cAMP lalu cAMP mengaktifkan PKA. Forforilasi protein seluler oleh PKA menyebabkan respons seluler terhadap epinerfin dan cAMP terdegradasi membalikan aktivasi PKA.
Gambar 6 Mekanisme pengikatan epinerfin ke reseptornya
Cyclic AMP Acts as a Second Messenger for Many Regulatory Molecules (Chapter 12.2.2)
Mekanisme pensinyalan epinefrin dan norepinefrin sama, yakni dengan pengikatan ligan pada reseptor spesifik yang mengaktivasi G protein–coupled receptors (GPCRs). Epinefrin dikenali oleh reseptor reseptor βadrenergik-protein kinase. Kemudian menginduksi sintesis second messenger cAMP dari ATP.
Second messengercAMP akan mengaktifkan enzim protein kinase A (PKA) yang bertugas mengaktifkan dan deaktivasi enzim lainnya dengan fosforilasi dan defosforilasi.
Several Mechanisms Cause Termination of The β-Adrenergic Response (Chapter 12.2.3)
Respon terhadap stimulasi β-adrenergik akan berakhir ketika konsentrasi ligan (epinefrin) dalam darah turun di bawah Kd untuk reseptornya. Epinefrin kemudian berdisosiasi dari reseptor, dan yang terakhir mengambil kembali konformasi tidak aktifnya, di mana ia tidak dapat lagi mengaktifkan Gs.
Gambar 7 Ephinefrin Cascade
Epinefrin memicu serangkaian reaksi di hepatosit di mana katalis mengaktifkan katalis, menghasilkan amplifikasi besar dari sinyal hormon asli.
Pengikatan satu molekul epinefrin ke satu reseptor β-adrenergik pada permukaan sel mengaktifkan banyak protein G, yang masing-masing melanjutkan untuk mengaktifkan molekul enzim adenylyl cyclase. Adenylyl cyclase bekerja secara katalitik, menghasilkan banyak molekul cAMP untuk setiap adenylyl cyclase yang diaktifkan. Karena dua molekul cAMP diperlukan untuk mengaktifkan satu subunit katalitik PKA.
Cara kedua untuk mengakhiri respons adalah dengan hidrolisis GTP yang terikat pada subunit Gα yang dikatalisis oleh aktivitas GTPase dari protein G.
Konversi GTP ke GDP mendukung pengembalian Gα dengan konformasi di mana ia mengikat subunit Gβγ, yaitu konformasi di mana protein G tidak dapat berinteraksi dengan adenilat siklase. Ini mengakhiri produksi cAMP. Tingkat inaktivasi Gs tergantung pada aktivitas GTPase. Namun, Protein aktivator GTPase (GAPs) sangat merangsang aktivitas GTPase ini, sehingga menyebabkan inaktivasi protein G yang lebih cepat. GAP sendiri dapat diatur oleh faktor lain, memberikan penyesuaian respons terhadap stimulasi β-adrenergik. Mekanisme ketiga untuk menghentikan respons adalah dengan menghilangkan second messenger, yaitu cAMP dihidrolisis menjadi 5’-AMP (second messenger yang tidak aktif) oleh nukleotida siklik fosfodiesterase.
Gambar 8 Faktor yang mengatur aktivitas protein G
Protein G dalam bentuk tidak aktif, baik protein G kecil seperti Ras maupun protein G heterotrimerik seperti Gs, berinteraksi dengan faktor pertukaran GTP-GDP (merah). Pada faktor pertukaran ini diaktifkan reseptor seperti rhodopsin (Rh) dan reseptor β-adrenergik (AR). Protein G diaktifkan oleh pengikatan GTP, dan dalam bentuk ikatan GTP, mengaktifkan enzim efektor (biru), seperti cGMP fosfodiesterase (PDE), adenilil siklase (AC), dan Raf.
Dengan memodulasi aktivitas GTPase protein G, protein aktivator GTPase (GAP, dalam kasus protein G kecil) dan pengatur sinyal G-protein (RGS) (kuning), menentukan berapa lama protein G akan tetap aktif.
The β-Adrenergic Receptor Is Desensitized by Phosphorylation and by Association with Arrestin (Chapter 12.2.4)
Ketika reseptor tetap ditempati oleh epinefrin, reseptor β-adrenergik kinase, atau β-ARK (umumnya disebut dengan GRK2) memfosforilasi beberapa residu Ser di dekat ujung karboksil reseptor, yang berada di sisi sitoplasma membran plasma. Kemudian, PKA diaktifkan oleh peningkatan [c-AMP] sebagai respons terhadap sinyal awal epinefrin. β-ARK ditarik ke membran plasma melalui hubungannya dengan subunit Gsβγ dan dengan demikian diposisikan untuk memfosforilasi reseptor. Fosforilasi reseptor menciptakan situs pengikatan
untuk protein β-arrestin , atau β-arr (juga disebut arrestin 2), dan pengikatan β-arrestin memblokir situs di reseptor yang berinteraksi dengan protein G.
Pengikatan β-arrestin juga memfasilitasi penyerapan molekul reseptor dan pemindahannya dari membran plasma melalui endositosis ke dalam vesikel intraseluler kecil (endosom). Kompleks reseptor arrestin merekrut clathrin dan protein lain yang terlibat dalam pembentukan vesikel, yang memulai invaginasi membran, yang mengarah pada pembentukan endosom yang mengandung reseptor adrenergik. Dalam keadaan ini, reseptor tidak dapat diakses oleh epinefrin dan karena itu tidak aktif. Molekul reseptor ini akhirnya mengalami defosforilasi dan dikembalikan ke membran plasma, melengkapi sirkuit dan membuat sistem peka terhadap epinefrin. β-Adrenergik receptor kinase adalah anggota dari keluarga G protein-coupled receptor kinases (GRKs), yang semuanya memfosforilasi GPCR pada domain sitoplasmik terminal karboksil dan memainkan peran yang mirip dengan ARK dalam desensitisasi dan resensitisasi reseptor mereka.
Tujuh GRK dan empat arestin berbeda dikodekan dalam genom manusia;
setiap GRK mampu mendesensitisasi subset tertentu dari GPCR, dan setiap arrestin dapat berinteraksi dengan berbagai jenis fosfreseptor. Berikut merupakan gambar yang menjelaskan tentang desensitisasi reseptor β-adrenergik dengan adanya epinefrin, dimana proses tersebut dimediasi oleh dua protein, yaitu β-protein kinase adrenergic (β-ARK dan β-arrestin /arrestin 2:
Gambar 9 Desensitisasi reseptor β-adrenergik dengan adanya epinefrin
Berdasarkan gambar diatas, pada (a) yang merupakan kompleks reseptor β-adrenergik dengan protein G trimeriknya, Gs. Dan pada gambar (b) yang merupakan kompleks β-arrestin dengan rhodopsin. Perbandingan dua struktur tersebut memperjelas bahwa pengikatan arrestin menghalangi pengikatan protein G dan dengan demikian mencegah aktivasi lebih lanjut dari protein G, yang secara efektif mengakhiri respons terhadap sinyal awal epinefrin.
Adenine Nucleotides Play Special Roles In Metabolic Regulation (Chapter 13.5)
Jika [ATP] turun secara signifikan, enzim-enzim ini akan kurang dari sepenuhnya jenuh oleh substratnya (ATP), dan tingkat ratusan reaksi yang melibatkan ATP akan menurun. Ada juga efek yang penting dari penurunan [ATP]
karen ATP diubah menjadi ADP atau AMP ketika “dihabiskan” untuk menyelesaikan kerja seluler, rasio [ATP]/[ADP] sangat mempengaruhi semua reaksi yang menggunakan kofaktor ini. Hal yang sama berlaku untuk kofaktor penting lainnya, seperti NADH/NAD+dan NADPH/NADP+.
Organisme telah berevolusi di bawah tekanan kuat untuk mengembangkan mekanisme regulasi yang responsif terhadap rasio [ATP]/[ADP]. Konsentrasi AMP adalah indikator yang lebih sensitif dari keadaan energi sel daripada [ATP].
Biasanya, sel memiliki konsentrasi ATP yang jauh lebih tinggi (5 hingga 10 mM) daripada AMP (<0,1 mM). Ketika beberapa proses (misalnya, kontraksi otot) mengkonsumsi ATP, AMP diproduksi dalam dua langkah. Pertama, hidrolisis ATP menghasilkan ADP, kemudian reaksi yang dikatalisis oleh adenilat kinase menghasilkan AMP
Jika ATP dikonsumsi sedemikian rupa sehingga konsentrasinya turun 10%, peningkatan relatif [AMP] jauh lebih besar daripada [ADP] sehingga tidak mengherankan bahwa banyak proses regulasi menjadi kunci untuk perubahan di [AMP]. Mungkin mediator regulasi yang paling penting oleh AMP adalah AMPactivated protein kinase (AMPK), yang merespons peningkatan [AMP]
dengan memfosforilasi protein kunci dan dengan demikian mengatur aktivitasnya.
Peningkatan [AMP] mungkin disebabkan oleh berkurangnya suplai nutrisi atau karena peningkatan olahraga. AMP mengaktifkan AMPK secara alosterik, menyebabkan perubahan konformasi yang membuat AMPK menjadi substrat yang baik untuk fosforilasi oleh protein kinase lain, LKB1. Fosforilasi residu Thr spesifik oleh LKB1 mengaktifkan AMPK berkali-kali lipat. LKB1 sendiri diatur oleh banyak faktor, termasuk stres metabolik. Aktivitas AMPK meningkatkan transpor glukosa dan mengaktifkan glikolisis dan oksidasi asam lemak, sementara menekan proses yang membutuhkan energi seperti sintesis glikogen, asam lemak, kolesterol, dan protein.
