II. LOKASI UTAMA PEMILAHAN DAN DISTRIBUSI PROTEIN Banyak sitem pemilahan dan distribusi protein berlangsung di dalam RE dan kompleks Golgi. Berbagai macam molekul protein memulai perjalanan dengan masuk ke dalam membran atau ruang-dalam RE, kemudian lepas dan RE dan masuk ke dalam kompleks Golgi. Setelah protein mengalami modifikasi secara kimiawi di dalam organel tersebut, kemudian terbentuk vesikel yang akan mengangkutnya ke tujuan akhir.
1. RETIKULUM ENDOPLASMIK Retikulum endoplasmik merupakan organel tunggal yang terdapat dalarn Sel eukariot, dibentuk oleh sekelompok tubuli membranous, vesikel dan kantong pipih. Organel tersebut membentang ke seluruh bagian sel tanpa putus, sehingga terbentuk bangunan seperti jaring (retikulum) dengan membentuk ruang internal tunggal. Pada sel hati, luas membran RE mencapai 51% dan membran plasma beserta membran semua organel di dalam sitoplasma, sedangkan luas membran RE sel eksokrin pankreas mencapai 60%. Perbandingan luas membran RE sel hari dan sel eksokrin pankreas disajikan pada Tabel 8.1 di bawah ini. Tabel 8.1. Luas relatif membran plasma dan membran organel sel hati dan sel eksokrin pankreas
Ruang-ruang yang terbentuk dinamakan lumen retikulum endoplasmik atau ruang sisternal RE yang volumenya dapat mencapai 10% dan volume seluruh sel. Retikulum endoplasmik dikenal dengan 2 macam bentuk ialah rough endoplasmic reticulum (retikulum endoplasmik kasar) dengan banyak ribosom yang menempel pada permukaan luar (menghadap ke sitoplasma).
Universitas Gadjah Mada
Bentuk lain dari retikulum adalah smooth endoplasmic reticulum (RE halus) adalah bagian dari retikulum tanpa tempelan ribosom. Retikulum endoplasmik halus terutama membentuk kantong-kantong tubuler yang umumnya lebih kecil dibanding RE kasar. Pada beberapa tempat tampak hubungan antara RE halus dengan RE kasar yang membentuk kanal-kanal yang berkesinambungan. Perbedaan antara kedua RE tersebut dapat diketahui dengan mikroskop elektron seperti tampak pada Gambar 8.2. Lebar ruang sisterna RE halus mencapai 30-60 nm, sedangkan ruang sisterna RE kasar lebih kecil ialah 20-30 nm. Semua sel eukariot mempunyai kedua macam RE dengan perbandingan yang bervariasi, misalnya hampir seluruh RE sel pankreas berupa RE kasar, sedangkan pada sel epitel kebanyakan adalah RE halus. Sitoplasma pada beberapa sel misalnya sel pankreas, membran RE mengisi hampir seluruh ruang sitoplasma, sedangkan RE pada sel tanaman tampak terpencar-pencar.
Gambar 8.2. Bentuk tiga-dimensi daerah RE kasar dan RE halus sel hati. Retikulum endoplasmik memainkan peran penting dalam proses biosintesis di dalam sel Biosintesis protein dan lipid transmembran dari RE, Golgi, lisosom dan membran plasma terkait dengan membran retikulum endoplasmik. Membran RE merupakan pemasok utama protein membran mitokondria dan peroksisom. Semua protein yang baru yang mengisi lumen RE, Golgi, lisosom dan protein yang diekspor ke luar sel, diawali dengan
Universitas Gadjah Mada
biosintesis oleh ribosom dalam RE kasar, masuk ke dalam lumen RE kemudian diteruskan ke organel tersebut atau dikeluarkan dan sel. Retikulum Endoplasmik Kasar Ribosom menempel pada permukaan RE dan juga pada membran luar bungkus inti sel yang berfungsi mensintesis protein untuk ruang perinuklear. Membran luar perinuklear tidak hanya berperan sebagai bungkus inti sel, tetapi juga mrupakan sambungan dari membran RE, sehingga diperkirakan membran luar inti merupakan pengembangan dari RE yang mengelilingi inti sel. Ribosom yang menempel pada RE kasar (REK) akan menghasilkan 2 macam protein ialah protein transmembran dan protein terlarut. Sebagian protein transmembran menerobos membran RE dan yang lain tertanam dalam membran, yang dipersiapkan menempati membran plasma atau membran organel lain, sedangkan protein terlarut akan mengalami translokasi dan dilepas ke dalam lumen.
Retikulum endoplasmik halus Retikulum endoplasmik halus sangat sedikit atau sama sekali tidak mengikat ribosom. Kebanyakan sel eukariot mengandung sedikit RE halus (REH) dan sering di antara REK terdapat sedikit daerah yang halus yang disebut elemen transisional, dimana di daerah tersebut akan dilepas vesikel transpor (vesikel sekretori) yang membawa protein dan lipid ke kompleks (apparatus) Golgi. Apabila eukariot mengandung REH dalam jumlah banyak, kemungkinan sel tersebut tidak hanya berperan dalam biosintesis protein, tetapi juga berperan dalam pembentukan lipid (pada sel yang khusus menangani metabolisme lipid). Sel-sel yang mensintsis hormon steroid dan kholesterol mempuyai kompartemen REH yang mengembang untuk menyimpan enzimenzim yang diperlukan dalam proses tersebut. Sel hati mempunyai fungsi sebagai tempat produksi partikel lipoprotein yang diekspor. Di dalam REH sel tersebut juga berisi enzim yang diperlukan dalam proses detoksifikasi obat yang larut dalam lipid. dan racun yang dihasilkan dalam proses metabolisme. Reaksi detoksifikasi yang banyak dipelajari adalah reaksi yang dikatalisis oleh enzim-enzim yang bekerja pada sitokhrom P-450. Apabila banyak senyawa beracun yang masuk ke dalam sel hati, misalnya fenobarbital,
Universitas Gadjah Mada
maka enzim yang berperan dalam proses detoksifikasi diproduksi dalam jumlah yang berlipat dan tampak permukaan REH menjadi lebih luas dua kali atau lebih dalam beberapa hari. Apabila kandungan racun hilang dari sel tersebut, maka daerah REH berkurang akibat terjadinya proses autofagosom dan sel menjadi normal setelah 5 hari. Sel otot skelet (seran lintang) mempunyai organel khusus seperti REH yang dikenal dengan nama retikulum sarkoplasmik yang berperan dalam mengambil ion Ca2+ dari sitosol. Di samping proses detoksifikasi senyawa beracun berlangsung dalam REH, oksidasi lipid diawali dalam REH dan REK. Di dalam REH juga diketahui berisi enzim-enzim yang bertanggung jawab pada oksidasi asam lemak dan metabolisme glikogen.
2. KOMPLEKS GOLGI Nama kompleks Golgi diambil dan Camilio Golgi, penemu organel tersebut pada tahun 1800-an dan kemudian dinamakan apparatus Golgi. Secara individual setiap lapis atau kantong Golgi dinamakan sisterna. Kompleks Golgi terbagi atas tiga kelompok ialah sis-Golgi (sis-sisterna) atau formingface adalah sisterna yang berdekatan dengan RE. Bagian tengah disebut medial Golgi (medial sisterna) dan trans-Golgi (trans sisterna) dan disebut juga maturing face yang siap melepas vesikel ke lisosom atau diekspor ke luar sel. Beberapa ahli tanaman menggunakan nama lain ialah diktiosom (dycti berarti jala) untuk satu lapis membran Golgi. Jumlah kompleks Golgi per sel eukariot sangat bervariasi tergantung pada jaringan atau spesiesnya, tetapi rata-rata sekitar 20 buah pada sel hewan dan manusia dan pada sel tanaman jumlahnya jauh lebih banyak dan pada sel organisme tersebut. Sel pada ujung akar jagung berisi beberapa ratus kompleks Golgi dan ditemukan organel tersebut lebih dari 25.000 buah pada Chara (termasuk ganggang hijau). Kompleks Golgi di dalam sel tanaman terserak di dalam sitoplasma, sedangkan pada sel hewan dan manusia terkumpul dekat RE atau sekitar inti sel. Struktur kompleks Golgi secara skematis pada sel hewan dan manusia dengan peran sebagai pusat pemilahan disajikan pada Gambar 8.3. Ruang antara RE dengan kompleks Golgi terdapat banyak vesikel dengan lapisan tipis dan pelipatan ke dalam membran RE. Vesikel tersebut dinamakan vesikel transisi yang membawa protein dan RE ke Golgi yang
Universitas Gadjah Mada
dapat mencapai garis tengah 500 °A.. Trans Golgi akan menggelembungdan menjadi retikulum tubuler yang dikenal dengan nama trans Golgi network (TGN).
Tonjolan-tonjolan
pada
trans
Golgi
merupakan
proses
awal
pembentukan vesikel dan vesikel-vesikel tersebut akan bergabung menjadi bentuk yang lebih besar. Di dalam kompleks Golgi dan ruang antar sisterna tidak ditemukan nbosom.
Gambar 8.3. Kompleks Golgi sebagai pusat pemilahan protein yang dikirim ke lisosom, vesikel sekretori dan membran plasma. Sis Golgi (sis sisterna) menerima vesikel dan RE dan trans Golgi (trans sisterna) mengirim vesikel ke tapak target tujuan. Vesikel juga mentransfer protein dan kompleks Golgi ke kompartemen lain. Sekresi mukus lewat permukaan apikal
Universitas Gadjah Mada
Fungsi kompleks Golgi tampak jelas pada sel goblet dan epitel intestinum yang mensintesis mukus dalam jumlah besar. Bentuk Golgi dan vesikel sekreton pada sel goblet disajikan pada Gambar 8.4. Pada sel semacam ini, bentuk vesikel yang sangat besar dari trans Golgi yang menempatkan membran plasma ke arah lumen usus sebagai tempat sekresi cairan. Sekresi utama berupa mukus yang bercampur dengan glikoprotein dan proteoglikan yang disintesis dalam RE dan kompleks Golgi. Mikrotubulus yang terdapat di dalam sitoplasma bertindak sebagai sitoskeleton yang mendukung RE dan kompleks Golgi tetap pada posisinya. Rusaknya jaring-jaring mikroskeleton akibat agen kimia seperti kolkhisin akan menyebabkan kedua organel tersebut kehilangan orientasinya di dalam sitoplasma. Gerakan vesikel dan Golgi ke membran plasma kemungkinan menggunakan mikrotubulus sebagai sarana untuk orientasi. Gerakan tersebut tampaknya didorong oleh “motor” seperti dinein, kinein dan dinamin yang menggunakan energi hasil hidrolisis ATP untuk mendorong vesikel sepanjang mikrotubulus.
3. SISTEM PERJALANAN PROTEIN Perjalanan protein lewat RE ke kompleks Golgi diteliti dengan berbagai teknik di antaranya adalah penggunaan radioisotop, dilihat di bawah
Universitas Gadjah Mada
mikroskop, mengamati gerakan vewsikel transpor dan menggunaan mutan “ Chinase hamster”. Penggunaan radioisotop Teknik perunut yang dikembangkan oleh L.G. Karo dan G.D. Palade menggunakan
asam
amino
radioisotop
pada
sel
pancreas
yang
divisualisasikan secara autoradiografis. Palade menerima hadiah Nobel dalam merintis kerja merunut jalur distribuisi selular. Perjalanan protein berradioisotop dan REK ke kompleks Golgi dapat diikuti pada Gambar 8.5. Dan penelitian tersebut dan penelitian berikutnya diketahui bahwa label pertama kali tampak pada membran REK (retikulum endoplasmik kasar) dan hanya dalam beberapa menit telah masuk ke dalam ke REK dan sisterna.
Gambar 8.5. Perjalanan protein radioisotop dan REK dan Golgi. a). Dalam 3 menit sesudah pemberian, label hanya tampak pada REK. b). Setelah 17 menit diberi media tidak berlabel dan tampak label tersebar mulai dan REK, kompleks Golgi sampai vesikel sekretori. c). Tiga menit sesudah pemberian label diikuti pengamatan dalam waktu 117 menit, tampak semua label sudah berada dalam vesikel sekretori. Dalam waktu 10 sampai 30 menit, label tampak pada vesikel transisi dan sis-sisterna kompleks Golgi. Label berikutnya tampak dalam medial Golgi, trans-Golgi dan dalam vesikel antara kompleks Golgi dan membran plasma. Akhirnya dalam waktu satu sampai 4 jam setelah pemberian label, tampak radioisotop telah berada dalam luarng ekstraselular. Pengamatan di bawah mikroskop Gerakan protein dan molekul-molekul lain yang diberi marker melalui REK dan kompleks Golgi diikuti pengamatan di bawah mikroskop elektron.
Universitas Gadjah Mada
Logam berat biasanya dipakai sebagai marker untuk mikroskop elektron sedangkan
untuk
mikroskop
cahaya
biasnya
digunakan
cat
yang
mengeluarkan fluoresens. Kombinasi antara antibodi dengan logam berat atau cat menunjukkan bahwa protein yang disintesis oleh ribosom menempel pada membran pembungkus inti dan elemen-elemen lain dalam sistem distribusi. Dengan cara yang serupa juga diteliti arah gerakan protein dengan arah yang berlawanan, dan membran plasma atau dan luar sel dengan cara endositosis.
Vesiket ulang-alik (shuttle) Para ahli biologi sel menunjukkan, bahwa posisi sisterna Golgi relatif tetap, sedangkan yang bergerak adalah protein dan glikoprotein dan satu sisterna ke sisterna berikutnya. Mekanisme tersebut diketengahkan oleh M.G. Farquhar yang menyatakan, bahwa tonjolan yang berasal dari satu sisterna bergerak dengan jarak tertentu, kemudian mengadakan fusi dengan tonjolan dari sisterna lain yang terdapat dalam satu garis. Akhirnya protein dan glikoprotein akan mencapai permukaan trans dan sisterna. Pada tempat ini, tonjolan sisterna akan membentuk vesikel sekretori, lisosom atau veikel penyimpanan.
Gambar 8.6. Faktor-faktor yang terlibat dalam gerakan vesikel ulangalik dalam komplek Golgi damn dari RE ke kompleks Golgi. Tonjolan RE atau sisterna Golgi mengambil mantel protein dan vesikel yang sudah bermantel bergerak ke sisterna target. Sesaat sebelum
Universitas Gadjah Mada
vesikel mengadakan fusi dengan sisterna target, vesikel melepas mantel protein dengan menggunakan energi dan hasil hidrolisis GTP. Mantel protein Penelitian dari laboratorium Rothman menunjukkan, bahwa mekanisme ulang-alik memerlukan protein-protein yang membentuk mantel di sekeliling vesikel. Mantel akan dilepas sebelum vesikel mengadakan fusi dengan sisterna berikutnya. Dalam proses pelepasan mantel diperlukan protein pengikat-GTP yang menggunakan energi hasil hidrolisis GTP. Gambar 8.6. menunjukkan cara vesikel bermantel protein dan pelepasannya dalam proses membawa material dan sisterna satu ke sistema berikutnya.
Koordinasi
proses
reaksi
antara
retikulum
endoplasmik
dengan
kompleks Golgi Beberapa senyawa anorganik dan organik dapat ditambahkan atau dilepas dari protein yang terdapat di dalam RE atau kompleks Golgi. Perubahan yang berlangsung di dalam kedua organel tersebut dapat dikelompokkan seperti di bawah ini. 1. Dari penelitian dengan menggunakan gula berlabel diyakinkan, bahwa tambahan gugus karbohidrat dikoordinasi di dalam RE dan kompleks Golgi. Peneliti C.P. Leblond dkk. dapat menunjukkan molekul manosa berlabel yang terikat pada awal struktur inti gula yang terdapat di dalam glikoprotein di dalam RE. Gula berlabel seperti fukosa yang ditambahkan, ditemukan dalam kompleks Golgi pada bagian ujung dan gugus karbohidrat. Penelitian berikutnya menggunakan antibodi dan enzim yang bertanggung jawab pada penambahan gula menunjukkan, bahwa beberapa enzim yang mengkatalisis penambahan gula terminal terdapat di dalam sisterna yang berlainan pada kompleks Golgi. Gula yang ditambahkan akan mengalami aktivasi dengan mengikatkan diri pada nukleotida. 2. Panambahan gugus kompleks karbohidrat pada proteoglikan, gugus karbohidrat pada glikolipid, glikoprotein asetilat dan glikogen sulfat, serta oleh RE dan kompleks Golgi. Gugus sulfat yang ditransfer ke molekul glikoprotein dan proteoglikan berlangsung sesudah aktivasi gugus sulfat oleh nukleotida; rangkaian reaksi yang terjadi serupa dengan aktivasi dan
Universitas Gadjah Mada
transfer unit gula. Gugus asetil yang digunakan dalam proses asetilasi diperoleh dari asetil-KoA. 3. Enzim-enzim proteolitik dalam kompleks Golgi yang bertanggung jawab pada pelepasan segmen asam amino akan merubah protein tertentu dalam bentuk proenzim menjadi bentuk aktif. Hormon-hormon peptida seperti insulin dan glukagon, disintesis di dalam RE dalam bentuk polipeptida yang belum aktif. Molekul hormon tersebut berisi asam amino dalam jumlah yang lebih banyak dibanding dengan bentuk aktifnya. Beberapa proenzim mengalami aktivasi oleh enzim hidrolitik yang berlangsung di dalam vesikel sesudah molekul protein meninggalkan kompleks Golgi.
Universitas Gadjah Mada
