28/09/2016. Pendahuluan. Biologi Sel dan Molekuler 5. Sistem Endomembran. Pendahuluan. Sistem Endomembran. Jalur Transportasi Vesikula Transport

Transkripsi

1 Biologi Sel dan Molekuler 5. Sistem Endomembran Pendahuluan Sistem Endomembran disusun oleh berbagai membran yang tersuspensi di sitoplasma sel eukariotik. Membran tersebut membagi sel menjadi kompartemen yang struktural dan fungsional organel Retikulum endoplasma, Badan Golgi, Endosom, Lisosom, Vakuola Sel prokariot tidak memiliki sistem endomembran Lab. Genetika dan Biologi Molekuler Prodi Biologi FMIPA UNPAD 2016 Pendahuluan Sistem Endomembran Organel pada sistem endomembran bersifat dinamis dan membentuk suatu jejaring yang terintegrasi Berperan penting dalam sintesis (dan hidrolisis) mekromolekul di dalam sel Juga dalam memodifikasi makromolekul agar fungsional Fungsi setiap organel merupakan bagian dari unit-unit yang terkoordinasi Nukleus RE Kasar Vesikula transport dari RE Golgi apparatus Vesikula transport dari Golgi Membran Plasma RE halus Selubung inti Lisosom Vakuola Transport Materi via Sistem Endomembran Materi ditransport dari satu organel menuju organel lain menggunakan vesikula transport bermembran yang merupakan tunas dari komparteman donor bermembran Saat mencapai tujuan, vesikula dapat fusi dgn membran akseptor Vesikula transport bergerak dengan pola yang terarah, seringkali ditarik oleh protein motoris yang bekerja di jalur yang dibentuk oleh sitoskelet (mikrotubulus dan mikrofilamen) Jalur Transportasi Vesikula Transport Jalur biosintetik: Protein disintesis protein dengan bantuan ribosom di RE - dimodifikasi saat menuju dan di badan Golgi - ditransport ke berbagai tujuan, mis. ke membran plasma, lisosom atau vakuola; Dinamakan pula jalur sekretori Transportasi protein (protein terlarut yg akan dikeluarkan sel atau disimpan di kompartemen lain [mis.:enzim lisosom], protein integral di membran sel), lipid, dan polisakarida kompleks Terdiri atas dua jenis: sekresi konstitutif dan sekresi regulatif Jalur endositik: materi dari luar masuk ke dalam kompartemen sel mis.: endosom dan lisosom yang berada di sitoplasma 1

2 Transportasi Vesikula Transport via Jalur Biosintetik a) Konstitutif Materi yang dibawa vesikula, akan dibawa dari tempat sintesis dan dikeluarkan ke ruang ekstrasel secara kontinyu, mis. materi untuk matriks ekstraselular; materi untuk pembentukan dinding sel; materi untuk membran sel b) Regulatif Materi yang akan dikeluarkan dari sel disimpan dahulu dalam vesikula di dalam sel, materi akan dikeluarkan bila ada stimulus yg sesuai. mis: Sel saraf yang mengeluarkan neurotransmiter; Sel pankreas mengeluarkan enzim pencernaan; Sel endokrin melepaskan hormon Pada jalur ini, sel dapat menyimpan materi yg akan disekresikan di dalam granula sekretoris yg berukuran lebih besar dan padat Jalur Transportasi Vesikula Transport Jalur Biosintetik a) Konstitutif b) Regulatif Jalur endosistik A. Retikulum Endoplasma (RE) Struktur Membran yang terkoneksi dengan selubung inti dan menyebar di hampir keseluruhan sitoplasma Merupakan sistem berpasangan dari membran paralel yang melingkupi ruang sempit (lumen) dengan berbagai ukuran tersusun oleh jejaring saluran (tubulus) dan kantung pipih (cisternae) yang terpisah dari lingkungan sitoplasma Menyusun sekitar 50% membran pada sel eukariot A. Retikulum Endoplasma (RE) Terdiri dari: RE kasar (RER) berikatan dengan ribosom RE halus (SER) tidak berikatan dgn ribosom Studi dgn penanda radioaktif menunjukkan bahwa RE halus disintesis dari RE kasar A. Retikulum Endoplasma (RE) Struktur Komposisi dari ruang sistena atau luminal di dalam membran RE berbeda dgn ruang sitoplasma di sekitarnya Antara RE kasar dan RE halus merupakan struktur membran yang kontinyu Beberapa protein yang sama berada di keduanya(misalnya yg terlibat dalam sintesis lipid dan kolesterol), ada juga protein yg berada di salah satu RE A. Retikulum Endoplasma (RE) Fungsi: Menghasilkan membran Berperan dalam biositesis Berparan dalam penyokong mekanik dan distribusi sitoplasma Berperan dalam konduksi intraseluler impuls saraf, secara khusus disebut retikulum sarkoplasmik Berperan dalam pertukaran intraseluler dari materi dengan sitoplasma Menyediakan area permukaan yang luas untuk terjadinya reaksi kimia Tempat penyimpan sementara dan pengepakan materi 2

3 A1. RE Halus Banyak ditemukan di sel otot rangka, sel-sel pada tubulus ginjal, sel-sel kelenjar endokrin penghasil steroid; pada tumbuhan banyak ditemukan pada sel penghasil minyak. Peran SER: Sintesis hormon steroid dalam sel endokrin di gonad dan korteks adrenal Detoksifikasi berbagai senyawa organik di dalam sel hati Termasuk barbiturat dan alkohol -- pemakaian kronis proliferasi SER pada sel-sel hati Pembebasan glukosa dari glukosa-6-fosfat, mis. dalam sel hati Pengaturan kadar Ca 2+ dalam sitoplasma sel otot rangka dan sel otot jantung kontraksi otot Sintesis lipid minyak, fosfolipid, steroid A1. RE halus Peran RE halus dalam sintesis lipid, misalnya di sel epitel pada usus halus, yaitu RE halus menyintesis lipid dari asam lemak dan gliserol yang sebelumnya diabsorbsi melalui mikrovili, yg selanjutnta diteruskan ke badan Golgi untuk dieksport Model pembentukan badan lemak pada tumbuhan yang melibatkan peran dari retikulum endoplasma A2. RE Kasar Fungsi: Menghasilkan protein yang akan dieksport menggunakan vesikula transport Banyak ditemukan di dalam sel yang memiliki aktivitas sekresi protein yang tinggi, misalnya Sel-sel asinus pankres, sel Goblet (penghasil mukus mukoprotein) di saluran pencernaan dan respirasi, sel-sel endokrin penghasil hormon polipeptida, sel plasma penghasil antibodi, hepatosit penghasil protein serum darah Lokalisasi Produksi Polipeptida Bbrp polipeptida disekresi di ribosom yg terikat di permukaan sitosolik dari membran RE kasar Protein yang disekresikan keluar sel Protein integral di membran Protein terlarut yang disimpan dalam komparetemen lain di sistem endomembran (RE, Badan Golgi, lisosom, endosom, vesikula, vakuola) Bbrp polipeptida disintesis di ribosom bebas yg tersebar di sitoplasma, dan dilepaskan ke sitosol Protein yg tetap berada di sitosol (enzim utk glikolisis, protein penyusun sitoskelet) Protein perifer yg berada di permukaan dalam membran plasma Protein yg ditransport ke nukleus Protein yg akan bergabung pada organel peroksisom, kloroplas, dan mitokondria. Lokalisasi Produksi Polipeptida 3

4 Sintesis protein sekretoris, lisosomal, vakuolaris pada ribosom terikat membran RE Sintesis protein sekretoris, lisosomal, vakuolaris pada ribosom terikat membran RE 1. Sintesis polipeptida dimulai di ribosom sesaat setelah mrna terikat. Pada saat sekuens sinyal (merah) berupa residu 6-15 aa hidrifobik keluar dari ribosom, maka akan terikat pada SRP (Signal Recognation Particle) Partikel pengenalan sinyal, yg akan menghentikan translasi hingga kompleks SRP-ribosom-sekuens sinyal kontak dgn membran RE via reseptor SRP (2) yg diperlukan utk penempatan polipeptida di lumen RE 3. Perlekatan kompleks dgn reseptor SRP menyebabkan pelepasan SRP dan penggabungan ribosom dgn translocon (protein channel) di membran RE. 4. Peptida sinyal berikatan dgn bagian interior translocon, menggeser sumbat dari saluran di protein channel, shg bagian sisa polipeptida ditranslokasikan melalui membran masuk ke lumen RE peptida sinyal dipotong oleh protein membran (peptidase) protein akan dilipat oleh chapeon (misal BiP) untuk diproses lebih lanjut. Sintesis protein integral membran Terjadi dalam RE Mengandung satu atau lebih segmen transmembran yang hidrofobik Proses hampir serupa dengan sintesis protein yang akan disekresikan, tetapi terdapat urutan asam amino yang bersifat hidrofobik yang akan berikatan dengan protein hidrofobik pada membran RE. Sintesis protein integral membran Biosintesis membran terjadi di dalam RE Membran sel tidak dihasilkan secara de novo, Membran baru dihasilkan dari membran yg sudah ada Membran tumbuh saat protein dan lipid yg baru disintesis mengalami insersi pada membran yg sudah ada di RE. Komponen membran ditransport dari RE ke kompartemen lain di sel protein dan lipid dimodifikasi oleh enzim yang terdapat di orgenel yg dituju Sintesis lipid untuk membran Lipid untuk membran pada umumnya disintesis di RE Fosfolipid disintesis di RE Sfingomielin dan glikolipid disintesis di RE dan dilengkapi di badan Golgi Enzim yang terlibat dalam sintesis fosfolipid merupakan protein integral di membran RE dgn sisi aktifnya menghadap sitosol. Fosfolipid yg baru disintesis diinsersi ke bagian membran yg menghadap sitosol Pada saat biosintesis membran, dapat terjadi pergerakan fosfolipid dengan cara flipflop (bantuan enzim flippase) untuk mengubah posisi fosfolipid Lipid dibawa dari ER ke Golgi dan membran plasma dalam bentuk bagian daripada bilayer yang membangun membran vesikula transport. 4

5 Sintesis lipid untuk membran Dua molekul asam lemak akan ditambahkan pd gliserol-3- fosfat untuk menghasilkan asam fosfatidat (acyl transferase) Hal ini terjadi untuk memperluas lipid bilayer Fosfatese dan fosfotransferase melekat pada gugus kepala (gugus fosfat) Menentukan sifat kimia dari membran lipid Lipid dapat didistribusikan di dalam sel melalui berbagai cara, yaitu: (a) difusi lateral terjadi antara RE dan selubung inti; (b) vesikula transport terjadi di antara membran dalam sistem endomembran; dan (c) Protein penukar lipid dapat meneransfer lipid di antara dua membran, seperti antara RE dan mitokondria Glikosolasi di RE kasar Hampir semua protein yg dihasilkan di ribosom terikat membran RE merupakan glikoprotein Gugus karbohidrat berperan penting sebagai sisi pengikatan antara protein dgn makromolekul lain; juga dalam pelipatan protein agar fungsional Sekuens gula yg ditambahkan pada oligosakarida yg membentuk glikoprotein sangat spesifik Penambahan gugus gula pada rantai oligosakarida dikatalisis oleh enzim glikosiltransferase mentrasfer monosakarida spesifik dari rantai gula nukleotida, misalnya GDP-mannose atau UDP-Nastilglukosamin Urutan monomoner gula yg ditransfer saat pembentukan oligosakarida bergantung pd sekuens glikosiltransferase yg terlibat Macam-macam Glikosolasi di RE kasar N-linked -- glikan terikat pada gugus amina di aspargin dlm RE O-linked monosakarida terikat ke gugus hidroksil dari serin atau treonin dlm RE, Golgi, sitosol, dan inti Glypiation -- Glikan terikat ke fosfolipid dan protein C-linked -- mannosa terikat ke cincin indol dari triptofan Phosphoglycosylation glikan terikat ke serin via ikatan fosfodiester Glikosilasi di RE kasar Transport ke Golgi Pasca glikosilasi, protein dikeluarkan dar RE dgn membentuk vesikula transport Pada tempat keluar dari sisterna RE kasar tidak ribosom Setelah terbantuk tunas dari membran RE, terjadi fusi antar vesikula transport hingga membentuk vesikla yg lebih besar dan tubulus yg saling terkoneksi di ruang antara RE dan Golgi ERGIC (endoplasmic reticulum Golgi intermediate compartment) B. Apparatus Golgi Struktur Terutama disusun oleh kantung membran yang pipih cisternae yang tersusun bertumpuk dan membengkok, serta tubulustubulus Ø cisternae : 0,5-1,0 µm, dgn jumlah lapisan 8 dalam satu tumpukan Dalam satu sel terdapat bbrp hingga ribuan tumpukan kantung Gologi Terdiri atas dua muka: cis menerima materi dgn cara fusi dgn vesikula transport trans bagian yg melakukan pengiriman dan membentuk tunas vesikula transport 5

6 B. Apparatus Golgi cis face ( receiving side of Golgi apparatus) Pemerosesan protein di apparatus Golgi Selama mengalami transport dari area cis ke trans, produk dari RE dimodifikasi untuk membentuk struktur akhir. Mater diberi kode tanda, disortir, dan dikemas hingga membentuk vesikula transport 1 Vesicles move 2 Vesicles coalesce to 6 Vesicles also from ER to Golgi form new cis Golgi cisternae transport certain proteins back to ER Cisternae 3 Cisternal maturation: Golgi cisternae move in a cisto-trans direction 4 Vesicles form and leave Golgi, carrying specific proteins to other locations or to the plasma membrane for secretion 5 Vesicles transport specific trans face proteins backward to newer ( shipping side of Golgi cisternae Golgi apparatus) µm Peran : Menerima dan memodifikasi hasil dari RE dan meneruskannya ke organel lain atau ke membra sel Pemilahan, penyelesaian dan transport produk dari sel Tempat terjadi glikosilasi Sintesis polisakarida, termasuk rantai glikosaminoglikan dari proteoglikan, serta pektin dan hemiselulosa yg mrpkn komponen dinding sel tumbuhan Pemerosesan protein di apparatus Golgi B. Apparatus Golgi Glikosilasi Kompleks Golgi berperan dalam merangkai komponen karbohidrat dari glikoprotein dan glikolipid. Di RE, saat sintesis rantai karbohidrat terikat gugus N, residu glukosa dihilangkan dari pusat oligosakarida Di Golgi, saat melalui cisterna cis dan medial, residu mannosa juga dihilangkan, namu ditambahkan bbrp gula lain oleh glycosyltransferase. Modifikasi protein di Apparatus Golgi 6

7 28/09/2016 C. Vesikula Transport C. Vesikula Transport Tipe vesikula transport: Vesikula terbungkus COPII dari RE menuju ERGIC & Golgi Vesikula terbungkus COPI arah retrograde dari ERGIC dan Golgi menuju RE Vesikula terbungkus clathrin dari Golgi menuju endosom, lisosom dan vakuola D. Lisosom Kantung/vesikula berisi enzim pencernaan ±50 enzim yang akan menghidrolisis makromolekul D. Lisosom Enzim dan membran penyusun lisosom disintesis di RE kasar dan ditransportasikan ke Golgi Enzim dapat aktif pada ph rendah (~5) : protein di membarn lisosom memompa ion H+ dari sitosol ke internal lisosom Terbentuk dari pertunasan trans badan Golgi Ukuran nm -- 1µm. Hanya ditemukan pada sel hewan Membran lisosom sangat ter-glikosolasi gugus KH membantuk lapisan proteksi dari serangan enzim yg dikandungnya Enzim pada lisosom Mencerna makanan Menghancurkan patogen recycle organel yang rusak Berperan dalam perkembangan embrio pada hewan Peran Lisosom: Fusi dgn organel atau makromolekul di sitosol untuk recycle materi Nucleus 1 µm Lysosome containing two damaged organelles 1µm Mitochondrion fragment Peroxisome fragment Lysosome Lysosome contains active hydrolytic enzymes Food vacuole fuses with lysosome Hydrolytic enzymes digest food particles Lysosome fuses with vesicle containing damaged organelle Hydrolytic enzymes digest organelle components Digestive enzymes Lysosome Plasma membrane Lysosome Digestion Food vacuole (a) Phagocytosis: lysosome digesting food Vesicle containing damaged mitochondrion Digestion (b) Autophagy: lysosome breaking down damaged organelle 7

8 Enzim yang terdapat di Lisosom 5. Vakuola Organel multifungsi merupakan fusi berbagai vesikula Pada sel dewasa suatu kompartemen besar, mengisi hampir 90% volume sel Memiliki membran tunggal tonoplas, yang mengandung sistem transport aktif Vakuola memiliki berbagai fungsi dan karakter, tergantung pada tipe sel 5. Vakuola Dimiliki oleh sel tumbuhan atau fungi dan protista Terdiri dari: Vakuola makanan dibentuk melalui fagositosis Vakuola kontraktil (pada protista) memompa kelebihan air keluar dari sel Vakuola sentral (sel tumbuhan) pemyimpanan molekul organik Central vacuole dan air Cytosol Vakuola makanan dan vakuola kontraktil pada Paramecium Contractile Vacuole Paramecium feeds mainly on bacteria. Paramecium, like other freshwater Rows of cilia along a funnel-shaped oral protists, constantly takes in water groove move food into the cell mouth, by osmosis from the hypotonic environment. where the food is engulfed into food Bladderlike contractile vacuoles accumulate vacuoles by phagocytosis. excess water from radial canals and periodically expel it through the plasma membrane. Oral groove Cell mouth Thousands of cilia cover 50 µm the surface of Paramecium. Food vacuoles combine with lysosomes. As the food is digested, the vacuoles follow a looping path Micronucleus through the cell. Macronucleus Nucleus Cell wall Chloroplast Tonoplast Central vacuole 5 µm The undigested contents of food vacuoles are released when the vacuoles fuse with a specialized region of the plasma membrane that functions as an anal pore. Peran vakuola Kompartemen yang aktif secara osmotik Air masuk secara osmosis ph dalam vakuola rendah pompa H+ATPase dalam tonoplas yang memompa proton ke dalam carian vakuola Pada tumbuhan CAM ph cairan dalam vakuola berfluktuasi di malam hari terjadi akumulasi asam malat Berfungsi seperti lisosom tempat penghancuran senyawa tertentu oleh enzim hidrolase Peran vakuola Tempat penyimpanan cadangan makanan senyawa dan makromolekul sementara, mis. protein, enzim untuk pencernaan Tempat penyimpanan senyawa metabolit sekunder Alkaloid; vinblastin, nikotin; pigmen Kristal komponen bersifat toksik menyimpan hasil samping metabolisme. 8

9 Hubungan antar organel penyusun sistem endomembran 1Membran inti terhubung dengan RE kasar, yang berlanjut dengan RE halus Nucleus Rough ER Membran dan protein yang dihasilkan oleh RE ditransportasikan dalam bentuk vesikula trasnport menuju apparatus Golgi Smooth ER Nuclear envelop cis Golgi Vesikula 3 transport dihasilkan kembali oleh Apparatus Golgi, selain itu dibentuk pula Vesikula lain yg berkembang menjadi lisiosom dan Vakuola trans Golgi Plasma membrane 4 Lysosom dapat fusi 5 Vesikula transport 6 Membran plasma meluas karena ada fusi Vesikula lain untuk membawa protein menuju Vesikula, protein disekresikan ke luar sel Proses digesti intrasel membran plasma untuk disekresikan. 9