TM 4. KOMUNIKASI SEL (EDIT)

Tim Dosen Biologi Seluler dan Molekuler

FFS-UHAMKA

KOMUNIKASI SEL

TM - 4

1

ORGANISME

UNISELULER DAN MULTISELULER

2

Pendahuluan

3



Sel berkomunikasi untuk menyampaikan informasi



Bentuk komunikasi :



sel – sel pada orgm unisel



sel – sel pada orgm multiseluler



Pd organisme unisel  semua kegiatan yg menunjang kehidupan sel dilakukan sendiri oleh sel yang bersangkutan

berbeda

4

Pd organisme multisel  semua kegiatan tidak dilakukan sendiri

 ada kerjasama diantara sel2 tsb

Komunikasi sel menjadi hal yang sangat penting bagi organisme multisel

Organisme multisel

berkomunikasi dan bekerjasama untuk menjaga homeostasis

Komunikasi sel dilakukan dengan signaling.

Why do multi cellular organism need cell-cell communication?



Organisme membutuhkan signal terhadap perubahan2 yang terjadi di sekitarnya (internal environment), seperti temperatur, pH, tissue fluid, level of toxins, dll yang mana perubahan2 tsb dapat mempenga-ruhi efisiensi sel  need cell-cell communication



Signal tsb akan diteruskan dari satu sel ke sel yang lainnya  maintain

homeostasis.

KOMUNIKASI ANTAR SEL



Komunikasi sel akan melibatkan 2 pihak yaitu pihak yg memberikan pesan dan pihak yg menerima pesan



utk dpt menerima

pesan maka sel sasaran hrs memiliki reseptor yg akan meneruskan utk melakukan respon

Komunikasi Sel

Diperlukan utk

a)Kelangsungan hidup sel/organisme

b)Homeostasis

c)Perkembangan dan pembelahan sel

d)Perbaikan jaringan

e)Sistem imunitas

Metode Sel Berkomunikasi (Signaling)

7



Sel signaling menggunakan messenger kimiawi (protein atau steroid)



Komunikasi sel jarak dekat (local signaling)



Komunikasi sel jarak jauh (long distance signaling)

Cara Sel Melakukan Komunikasi

1.

Dengan membentuk gab junction sehingga terjadi hubungan antara sitoplasma dari ke 2 sel

2.

Dengan mengadakan kontak langsung melalui molekul khusus pd membran yg akan memberikan sinyal pd reseptor sel target

3.

Dengan pelepasan messenger (bahan kimia

mediator) yg bertindak sebagai sinyal untuk dikirim ke sel sasaran yg jauh letaknya

8

 Sel hewan dan sel tumbuhan dapat

berkomunikasi dengan kontak langsung  memiliki cell junctions yang secara langsung menghubungkan sitoplasma dengan sel

sebelahnya Plasma membranes

Plasmodesmata between plant cells Gap junctions

between animal cells

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

Cara Sel Melakukan Komunikasi

9

 Pada signaling lokal : dapat berkomunikasi melalui interaksi antara molekul-molekul yang menonjol dari permukaan sel

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

Cara Sel Hewan Melakukan Komunikasi

10

11

 factor

Receptor

Exchange of mating factors.

Each cell type secretes a mating factor that binds to receptors on the other cell type.

1

Mating. Binding of the factors to     receptors

induces changes      in the cells that     lead to their     fusion.

New a/ cell.

The nucleus of the fused cell includes all the genes from the a and a cells.

2

3

 factor

Yeast cell, mating type a

Yeast cell, mating type 





a/ a

Pa d a Y e a st

a

Cara Komunikasi Sel Multisel

12

 Sel berkomunikasi dg cara melepas mesenger (pembawa pesan)

Hello!

signaling cell target cell

Komunikasi antar sel melalui molekul signaling

 Sel yang menghasilkan molekul signaling disebut Signaling cells

 Sel yang menerima molekul signaling disebut Target cells

13

Molekul signaling dapat berupa

protein, peptide pendek, asam

amino, nukleotida, steroid, retinoid, turunan asam lemak, nitric oxide, carbon monoxide

Molekul signaling dapat berupa

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

14

Apapun bentuk signal, sel target akan merespon dengan suatu reseptor spesifik terhadap molekul signal tersebut dan menginisiasi serangkaian respon Signal ekstraseluler berikatan dengan reseptor spesifik

15

Empat bentuk signaling komunikasi antar sel

16

Signaling jarak dekat

17

1. Parakrin



Molekul signal (senyawa kimia) dikeluarkan oleh sebuah sel dan bekerja pada sel target di dekatnya.



Molekul pengatur lokal dilepas ke

cairan ekstraseluler (contoh: nitric oxide, histamine,

prostaglandin)

Local regulator diffuses through extracellular fluid

Target cell

Secretory vesicle

Mediator Parakrin



Sifatnya :



tdk stabil, cepat rusak



mudah diterima oleh sel sasaran



Contoh mediator : sitokin



Jika mediator

diterima oleh sel penghasil mediator maka disebut

autokrin

18

Signaling jarak dekat

19

2. Sinaptik



Sel saraf

melepaskan molekul kimia

neurotransmiter ke dalam sinapsis.



Neurotransmitter berdiffusi di daerah sinaps, hingga sel target terstimulasi

Electrical signal along nerve cell triggers release of neurotransmitter

Neurotransmitter diffuses across

synapse

Target cell is stimulated

Neurotransmitter dan Sinaps



Sinaps adalah celah pada neuron dg neuron atau dg sel lain



Neurotransmitter (NT) : senyawa kimia pembawa pesan pada celah sinaps



Mediator ini akan dikeluarkan oleh akson

 terdifusi dalam matrik di celah sinaps

 akan ditangkap oleh reseptor pd membran sel target



Respon : akan mengubah membran sel target pd kegiatan potensial/merubah voltase membran (sinyal kimia  sinyal listrik)

20

Signaling jarak jauh

21

1. Endokrin



Hormonal  Sel endokrin

mensekresi

hormon ke cairan tubuh seringkali ke dalam darah



Hal tersebut

memung-kinkan hormon menca-

pai seluruh bagian sel tubuh.

Hormone travels in bloodstream to target cells

Blood vessel

Target cell Endocrine cell

Mediator Melalui Peredaran Darah



Mediator nya dikenal sbg hormon



Macam hormon : golongan protein atau steroid



Hormon Steroid : mudah dalam

menyampaikan pesan karena mudah melalui lapisan lipid dari membran bilayer shg TIDAK PERLU RESEPTOR khusus di permukaan sel.

Tetapi mediator steroid mengalami kesulitan dalam pengangkutannya melalui darah



Hormon protein : mudah diangkut dalam darah, NAMUN perlu reseptor di permukaan sel target utk mengenalinya.



Sbg first messenger

22

Hormon Protein

 Reseptor utk hormon protein pd membran sel target bertindak sbg transducer dg cara

mengatur enzim atau pembukaan gerbang ion

 Reseptor hormon protein berada di permukaan sel target

 Sebagai first messenger  setelah ada ikatan antara Hormon dg Receptor maka pesan akan diteruskan oleh second messenger

 Second messenger bekerja dalam sel yang akan mengubah perilaku sel sebagai bentuk dari

respon

 Ada 3 jenis reseptor pd sel target yang dapat membangkitkan sinyal intraseluler (=second messenger)

23

Macam Reseptor

 Terdapat 3 tipe

resep-tor membran yg mem-bantu

proses komunikasi sel

1. Reseptor yang berkaitan dengan Protein G

2. Reseptor yang berkaitan dengan Tyrosine kinases

3. Reseptor yang berkaitan dengan Ion channel

24



Nama lain : G-protein linked receptor (GPLR)



G-protein pd reseptor sebagai molekul intermediat



Ketika ligan berikatan dg reseptor akan membentuk reseptor kompleks



G - protein kemudian diaktifkan dan selanjutnya berikatan dengan efektor (enzim) yg ada dalam sel

Reseptor yg berkaitan dengan Protein G

25

26



Reseptor tirosine kinase merupakan reseptor untuk faktor pertumbuhan



Reseptor kinase juga merupakan

reseptor membran yang melekatkan fosfat ke tirosin protein

2. Reseptor Tirosin Kinase

27

Signal molecule

Signal-binding sit

CYTOPLASM Tyrosines

Signal molecule

Helix in the Membrane

Tyr Tyr Tyr

Tyr Tyr

Tyr Tyr

Tyr Tyr

Tyr Tyr Tyr

Tyr Tyr Tyr

Tyr Tyr

Tyr Tyr

Tyr Tyr

Tyr Tyr Tyr

Tyr Tyr Tyr

Tyr Tyr Tyr

Dimer Receptor tyrosine

kinase proteins (inactive monomers)

P P P

P P

P Tyr

Tyr Tyr

Tyr Tyr P Tyr P P

P P

P Cellular

response 1

Inactive relay proteins

Activated relay proteins

Cellular response 2 Activated tyrosine-

kinase regions (unphosphorylated dimer)

Fully activated receptor tyrosine-kinase

(phosphorylated dimer)

6 ATP 6 ADP

Tirosin Kinase

28



Reseptor permukaan yg akan

membuka/ menutup pintu gerbang ion dalam membran sel yang akan membangkitkan sinyal intraseluler



Membuka atau menutup secara singkat sebagai respon atas

pengikatan suatu neurotransmitter

3. Reseptor yang berkaitan dengan Ion channel

29

Cellular response Gate open

Gate close Ligand-gated

ion channel receptor Plasma Membrane Signal

molecule (ligand)

Gate closed Ions

Ion Channel

30

Hormon Steroid



Bersifat hidrofobik, memiliki BM yang sangat rendah



Setelah masuk sel setiap hormon steroid akan terikat erat ( tetapi reversible) dg

protein reseptor-nya



akan menyebabkan perubahan alosterik dlm konformasi reseptor



meningkatkan kemampuannya dalam mengikat DNA



Ikatan antara Receptor – Hormon



akan mengatur transkripsi DNA pd gena tertentu yg akan memulai perubahan perilaku sel sesuai dg pesanan

31

Hormon Steroid



dpt masuk sel dg cara difusi sederhana.



Terikat pada reseptor

intraseluler (berada dlm sitoplasma)

Hormone

(testosterone) EXTRACELLULAR FLUID

Receptor protein

DNA mRNA

NUCLEUS

CYTOPLASM

Plasma membrane

Hormone- receptor complex

New protein

The steroid1

hormone testosterone passes through the plasma membrane.

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

4

The mRNA is translated into a specific protein.

5

Testosterone binds to a receptor protein in the cytoplasm, activating it.

2

The hormone- receptor complex enters the nucleus and binds to specific genes.

3

32

Proses Komunikasi Seluler



Terdiri dari 3 tahap 1. Penerimaan

2. Transduksi 3. Respon

33

Tahapan Komunikasi Seluler (1)

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

2. Transduksi

 Pengikatan molekul sinyal akan mengubah protein reseptor  mengawali proses transduksi

 Reseptor bersifat sangat spesifik

 Intracellular receptors  sitoplasma atau protein nukleus

 Molekul sinyal yg menggunakan reseptor ini adalah yg kecil atau hidrofobik & dapat

langsung melewati plasma membran

 Reseptor pada membran plasma

3. Respon = Sinyal yg ditransduksi memicu respon selular spesifik

34

Tahapan Komunikasi Sel Jalur Transduksi Signal

35

EXTRACELLULAR FLUID

Receptor

Signal molecule

Relay molecules in a signal transduction pathway Plasma membrane

CYTOPLASM

Activation of cellular response Reception

1 ² Transduction ³ Response

Primary Messenger

Secondary Messengers

Target Enzymes

Cascade Effect

Lintasan Transduksi Sinyal



Kemampuan suatu sel



Sinyal kimia akan dikonversi dari satu tipe sinyal menjadi sinyal lain untuk menghasilkan respon

molekular



Perubahan sinyal membutuhkan langkah enzimatik

A  B  C dst



All organisms require signaling pathways to live

36

1.

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

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

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

perilaku seluler

4. Target protein : nukleus dan sitoplasma 5. Respon : dapat berupa gerakan, sintesa

protein dan pembelahan

Komponen Komunikasi Sel

37

Second

Messenger

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

(berada di luar sel)

 Akibat aktivasi dari Reseptor akan

dihasilkan molekul sinyal lain yg dpt terdifusi di dalam sel yg akan memicu aktivitas dalam sel

 second messenger

38

Penyampaian Sinyal oleh Second Messenger

 Komunikasi yg menggunakan sinyal mediator yg bersifat hidrofilik hanya dapat mencapai

reseptor permukaan sel & tidak dapat mencapai langsung subtansi genetik shg belum dapat

mengubah perilaku sel target  sehingga diperlukan second messenger

 Perilaku sel target : metabolisme / pembelahan sel / lainnya

 Untuk melanjutkan sinyal first messenger dapat berlang-sung serangkaian proses yg akan

sampai pd second masseger

 Rangkaian proses tsb adalah aktivasi enzim adenilil siklase

 Second messenger : 1) Protein G dan 2) Ion Ca⁺

+

39

40

41

Protein G

42

 ikatan Receptor (R) – Hormon (H) tdk langsung mengaktivasi adenilil siklase tetapi memerlukan protein G (GTP binding protein)

 Pd kondisi istirahat : Protein G mengikat GDP

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

 Pd saat H berikatan dg R  protein G bergeser mendekati R dan terjadi ikatan dg bagian R  protein G melepaskan GDP dan diganti dg molekul GTP

 Ikatan GTP ini mengaktivasi sub unit  dr pro- tein G  sub unit  yg telah aktif melepaskan diri dan berpindah utk berikatan dg efektor

(adenilil siklase) yg berada dalam membran sel

43

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

 sub unit α yg terikat oleh GDP menjadi inaktif &

akan melepaskan diri dr efektor utk bergabung dg sub unit lain

 Adenilil siklase yg telah diaktifkan akan

mengubah ATP dalam sitoplasma mjd cAMP yg akan bertindak sbg second messenger

 cAMP akan mengatur reaksi2 dalam sel prokariota dan eukariota tetapi cAMP tdk diperlukan dalam proses pembelahan sel.

 Mediator tsb berefek pd sel hewan melalui

aktivasi enzim kinase (cAMP dependent protein kinase)

44

 enzim kinase menjadi katalisator dalam

pemindahan gugus fosfat dr ATP ke protein lain

 protein penerima gugus fosfat akan mjd aktif

 Contoh perubahan perilaku sel :

 otot rangka setelah mendapat rangsangan dr hormon epinefrin akan menyebabkan

serangkaian reaksi yg berakhir dg pemecahan glikogen yg diikuti oleh glikolisis

 Otot jantung setelah dapat rangsangan dr

sinyal norepinefrin akan membuat otot jantung berkontraksi

 Otot jantung setelah dapat rangsangan dr

sinyal asetilkolin akan menghambat kontraksi otot jantung

45

 First messenger terikat pd G protein linked receptor α akan mengaktifkan G-proteins α

mengaktif-kan adenilil siklase α memicu

pembentukan cAMP, yang

kemudian berlaku sebagai second messenger dalam lintasan seluler

ATP GTP

cAMP

Protein kinase A Cellular responses G-protein-linked

receptor

Adenylyl cyclase G protein

First messenger (signal molecule such as epinephrine)

Molekul kecil dan Ion sebagai Second Messenger

46

 Second messengers : mediator intraseluler yg berukuran kecil, non-protein, molekul larut dalam air atau berupa ion, dapat berdifusi kedalam sitosol

 Mediator intraseluler yg berukuran besar disebut protein intraseluler signaling  meneruskan signal dg

mengaktifkan protein target atau menghasilkan mediator lain dalam sel Cyclic AMP (cAMP)  terbuat dari ATP

O

–O O

O

N

O O

O O^

P P P

P P P

O O^

O O

O

OH CH2

NH2 NH₂ NH2

N N N

N N

N N

N N N O N

O O^

ATP

Ch2 CH₂

O

OH OH P

O^ O^

H₂O

Adenylyl cyclase PhoshodiesteraseHO Pyrophosphate

Cyclic AMP AMP

OHOH O

i

Ion Ca ++ sebagai second messenger

47



Ion Ca

²⁺

dpt menjadi second messenger utk molekul sinyal tertentu



Peran ion Ca

²⁺

:



Kontraksi otot



Sekresi hormon



Sekresi enzim pencernaan



Pelepasan Neurotransmitter



Pengangkutan garam dan air melintasi epitel usus



Pengaturan metabolisme glikogen dalam

hati

48



Sel akan memiliki seperangkat mekanisme utk mengatur kadar ion Ca

⁺⁺

dlm sel yaitu mengatur gerakan ion Ca

⁺⁺

melewati 3

membran yi membran sel, inner membran pd mitokondria dan membran yg

membatasi ruangan utk persediaan ion Ca

⁺

+



Perputaran ion Ca

⁺⁺

melintasi membran

plasma diperlukan utk membangkitkan

respon yg terpeli-hara oleh sel terhadap

rangsangan (co : sekresi insulin, kontraksi

otot polos pd dinding pembuluh darah)

49



Kadar ion Ca

⁺⁺

dlm sel sgt kecil



sel akan sgt peka thd perubahan kadar ion Ca

⁺⁺

yg sgt kecil



utk mempertahankan perbedaan kadar antara dalam dan luar sel maka

membran sel akan mengandalkan

permeabilitas yg rendah thd ion Ca

⁺⁺

dan

“pompa” yg mendorong ion Ca

⁺⁺

keluar sel, co :



Pd pelepasan neurotransmiter



kadar ion dalam sitosol yg tinggi menyebabkan

terjadi ikatan ion dg protein reseptor dlm sitosol (mengawali proses)



protein

reseptor akan berinteraksi dg protein lain utk melakukan reaksi berikutnya



Bila kadar ion Ca

⁺⁺

turun



maka ion Ca

⁺⁺

akan lepas dr protein reseptor



mengakhiri proses

Sinyal dan Tanggapan Sel Target

50

 Setiap sel diprogram utk menanggapi sinyal yg berikatan dg resptor

 Sel yg mendapat sinyal akan menanggapi secara selektif

 Sel yg berbeda jenisnya dapat memberikan tanggapan yg berbeda thd sinyal kimia yg sama, co :

 asetilkolin pd otot rangka  kontraksi

 asetilkolin pd otot jantung  mengurangi kekuatan kontraksi

 Asetilkolin pd kelenjar  merangsang sekresi

Signal Transduksi

51

52

 Signal transduction (ST) adalah proses suatu sel untuk mengubah satu jenis signal atau stimulus (rangsang) menjadi signal yg lain

 ST seringkali melibatkan sekuens yg berurutan dari suatu reaksi biokimia di dalam sel yg

dilakukan oleh enzim, diaktivasi oleh mesenger kedua sehingga menghasilkan suatu pathway yang dikenal sebagai "signal trandusction

pathway".

 Proses ST terjadi secara cepat, bahkan dalam tingkat seperseribu detik (milliseconds) misalnya pada ion flux; atau dalam hitungan menit

misalnya pada aktivasi enzim kinase yang

dimediasi protein dan lemak ; atau dalam waktu jam dan hari misalnya pada ekspresi gen.

53



Pada proses ST jumlah protein dan molekul lain yang terlibat akan meningkat sejalan dengan meningkatnya stimulus, sehingga menimbulkan suatu "signal cascade“.



Seringkali kejadian itu disebabkan oleh suatu stimulus yang kecil namun menghasilkan

respon yang besar. Ini yang disebut sebagai Amplifikasi signal.



Pada bakteri dan organisme satu sel lainnya, terjadinya ST dapat bermacam-macam

tergantung pada stimulus yang diterima dari

lingkungannya.

54



Pada organisme multiseluler, multitude dari ST yg berbeda diperlukan untuk mengkoordinasikan behavior dari sel untuk mendukung fungsinya pd

organisme tsb



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



Penyakit yang timbul akibat ST yang

rusak (gagal) adalah diabetes, penyakit

jantung, autoimmunity and kanker.

Video animasi (Youtube)

55

 Insulin Signaling (Signal Pathway) = NDSU Virtual Cell Animations Project animation 'Insulin Signaling'. For more information please see

http://vcell.ndsu.edu/animations.

 G Protein Signaling

 Calsium as a second messenger

 Receptors and Second Messenger system; G-protein, Enzyme linked and Ligand gated ion channels

56