MEMBRAN SEL DAN BIOKIMIA JARINGAN
Tujuan Instruksional Umum Mahasiswa FK USU Sem. 2 akan dapat menjelaskan fungsi membran dalam sistem transport, absorbsi dan kontraksi di sel otot dan sel lainnya.
Khusus Mahasiswa akan dapat : 1. Menjelaskan struktur, sifat dan fungsi membran sel biologis 2. Menggambarkan struktur membran eritrosit 3. Menjelaskan fungsi struktur pada membran eritrosit 4. Menjelaskan sistem transport pada membran
5. Menjelaskan fungsi protein integral dan protein perifer pada membran dan hubungannya dengan reseptor 6. Menjelaskan struktur dan gambaran otot serat lintang 7. Menjelaskan interaksi miosin, aktin dan ATP dalam kontraksi otot 8. Menginterpretasikan fungsi sistem Troponin dan Tropomyosin 9. Menjelaskan peranan ion Ca2+ dan Creatin fosfat pada proses kontraksi otot 10. Menjelaskan perbedaan sistem kontraksi otot polos dan otot serat lintang 11. Menjelaskan fungsi dan struktur Cytoskelet, Cilia, Mikrotubuli dan Mikrofilament dalam kaitannya dengan fungsi dan pergerakan sel 12. Membedakan kelainan yang dijumpai sebagai gangguan dalam kontraksi otot
PENDAHULUAN Retikulum Endoplasma Mitokondria Membran Nukleus
Lisosom
Sitoplasma
Membran Plasma Badan Golgi
MEMBRAN Sifat Membran Biologi : 1. Struktur lembaran tipis, 6 – 10 nm 2. Terdiri dari lipid, protein dan sedikit karbo hidrat yang terikat pada lipid/protein 3. Sebagai larutan dengan dua dimensi yg punya kerja timbal balik 4. Struktur sangat viskus tetapi elastis, tertutup, asimetris dengan dua permukaan (bilayer)
MEMBRAN PLASMA Membentuk ruang tertutup di sekeliling protoplasma sel → individualitas sel Permeabilitas yang selektif → adanya saluran dan pompa ion/ substrat serta adanya reseptor spesifik sawar/ barrier untuk mempertahankan perbedaan komposisi fisiologis ion/ substrat di intra dan ekstra sel
Model Na+ Channel
MEMBRAN PLASMA Pertukaran bahan → adanya daerah khusus (gap junction)
Model Gap Junction
MEMBRAN PLASMA Mengadakan internalisasi dan kompartementalisasi air di dalam tubuh → cairan intra dan ekstra sel
Memiliki reseptor utk molekul tertentu yg mengatur informasi antar sel dan sekitarnya Membran mitokondria sbg tempat proses pembentukan energi (energy transducer) yg menghasilkan ATP (proses fosforilasi oksidatif)
MEMBRAN SEL Pengertian membran tidak sebatas sebagai struktur yang membatasi/ memisahkan satu sel dengan sel yang lainnya Membran juga membentuk ruang/ kompartemen khusus di dalam sel itu sendiri → Membran intrasel/ eukariotik mitokondria, retikulum endoplasma, badan golgi, granula sekresi, lisosom dan membran nukleus
Struktur Sel Retikulum Endoplasma
Mitokondria Membran Nukleus Lisosom
Sitoplasma
Membran Plasma
Badan Golgi
STRUKTUR MEMBRAN
STRUKTUR MEMBRAN Membran tersusun dari beberapa unsur : 1
A
Fosfolipid
a Fosfogliserida
b Sfingomielin
LIPID 2 Glikosfingolipid 3 Sterol
B
PROTEIN
C
KARBOHIDRAT Klik salah satu dari komponen di atas
a Fosfogliserida Unsur yg paling banyak, punya rangka gliserin, mengikat dua asam lemak dengan ikatan ester pada C1 dan C2. Bisa juga mengikat alkohol terfosforilasi (serin, etanolamin, kolin, inositol).
Klik di sini
b Sfingomielin mempunyai rangka sfingosin (derivat amino alkohol, mengikat satu asam lemak dengan ikatan amida → unsur dalam selubung mielin
Klik di sini
2 GLIKOSFINGOLIPID Merupakan lipid yg mengandung gula, seperti : - Serebrosida : mengandung ikatan heksosa tunggal, glukosa atau galaktosa - Gangliosida : mengandung ikatan gula yg lebih kompleks
Klik di sini
3 STEROL Sterol yang lazim dijumpai → Kolesterol - Komponen utama dalam membran plasma, sedikit di badan golgi, mitokondria dan nukleus. - Tersisip diantara fosfolipid, berperan dalam menentukan tingkat fluiditas membran.
Lipid membran mempunyai bagian hidrofob dan hidrofil sifat amfipatik Klik di sini
PROTEIN MEMBRAN Bersifat amfipatik
Tersisip dalam lapisan bilayer amfipatik fosfolipid Lebih dari 100 jenis protein, dengan banyak fungsi : enzym, prot.Carrier, prot.Struktural, reseptor dsb.
PROTEIN MEMBRAN Berdasarkan posisi pada membran Protein Integral Protein Perifer 1. Prot. Integral : globular, amfipatik dengan dua ujung hidrofil yang dipisahkan regio hidrofob dalam lapisan bilayer lipid 2. Prot. Peripher : terikat lemah pada bagian hidrofil prot.Integral
MEMBRAN ERITROSIT Membran eritrosit tersusun atas beberapa komponen : - protein transmembran band 3 - protein glikoforin - spektrin - aktin - protein band 4
MEMBRAN ERITROSIT
Fluidity of the Lipid Bilayer
Membrane Disruption by Detergent
TRANSPORT MATERI PADA MEMBRAN 1. Mekanisme pasif Difusi sederhana Difusi difasilitasi
2. Mekanisme aktif Transport aktif/ pump
3. EndWindows Explorerositosis dan Eksositosis
TRANSPORT MATERI PADA MEMBRAN 1. Mekanisme passive a. Diffusi sederhana - Mengikuti gradient elektrokimia - Diffusi sederhana dipengaruhi oleh : agitasi thermal molekul spesifik, gradient konsentrasi, dan kelarutan materi tersebut.
TRANSPORT MATERI PADA MEMBRAN b. Diffusi difasilitasi, memerlukan : - Prot. Carrier (dapat jenuh v-max) - Tempat ikatan spesifik pada solut - Spesifisitas terhadap ion, gula serta asam amino - Konstanta pengikatan solut pada sistem - Molekul serupa menjadi inhibitor kompetitif
Diffusi difasilitasi berlangsung dengan mekanisme pingpong
TRANSPORT MATERI PADA MEMBRAN 2. Mekanisme aktif - Transport aktif/ pump - Menjauhi keseimbangan termodinamika, melawan gradien elektrokimia - Butuh energi (ATP) dan protein carrier
TRANSPORT MATERI PADA MEMBRAN • Transport aktif primer : Na-K ATP-ase , dll • Transport aktif sekunder : symport Naglukosa , dll. • Sistem transport mengatur fungsional jumlah dan arah pergerakan molekul : - uniport - Symport - Antiport
TRANSPORT MATERI PADA MEMBRAN 3. Endositosis dan Eksositosis - Transport makromolekol (polisakarida, protein, polinukleotida, dll) - Menggunakan pembentukan vesikel dari atau dengan membran plasma - Endositosis untuk internalisasi - Eksositosis untuk eksternalisasi
ENDOSITOSIS Proses : invaginasi vesikel fusi kemembran organella transfer isi. Butuh energi, ca++, dan sistem mikrofilament Ada dua type : fagositosis dan pinositosis FAGOSITOSIS : untuk sel-sel makrofag dan granulosit.
PINOSITOSIS : pada semua sel Fase cairan : non selektif, proporsional dengan konsentrasi. 2. Fase absorptif : selektif, terbatas pada reseptor tertentu, vesikel terbungkus klatrin 1.
EKSOSITOSIS Molekul yang dilepas digolongkan dalam: 1. 2. 3.
Molekul yang terikat pada permukaan sel Molekul yang menjadi bagian dari matriks ekstra sel. Molekul yang diekstra sel menjadi sinyal bagi sel lain.
MUTASI GEN Akondroplasia : mutasi gen pembentuk fibroblast Fibrosis kistik : mutasi gen pengangkut ClPenyakit wilson : mutasi gen ATP-ase-Cu Sferositosis herediter : mutasi gen spektrin Hiperkolesterol familial : mutasi gen reseptor LDL
OTOT Merupakan jaringan tunggal terbesar Bekerja menarik dilawan oleh daya kerja otot lain atau gaya berat Macam tipe : skeletal, cardiac, dan smooth muscle. - Striated → skeletal dan cardiac muscle Nonstriated → smooth muscle - Voluntary → skeletal muscle Unvoluntary → cardiac dan smooth muscle
Sebagai transducer biokimia merubah energi kimia menjadi energi mekanik
OTOT Syarat : 1.Ada supply energi 2.Ada cara pengaturan aktivitas 3.Ada hubungan dengan operator 4.Dapat kembali ke keadaan semula
STRUKTUR SECARA MIKROSKOPIS Striated muscle Terdiri dari sel serabut otot berinti banyak Membran plasma sarkolemma Sarkoplasma yang kaya creatin fosfat, glikogen, ATP dan enzym – enzym glikolisis Terdapat miofibril tersusun paralel dalam sarkoplasma
MIOFIBRIL Miofibril dengan mikroskop elektron : - pita A (gelap) dan pita I (terang ) - zona H (bahagian tengah pita A) kurang padat - Garis Z (membagi pita I) sangat padat - Sarkomer (regio antara dua garis Z) unit fungsional otot
MIOFIBRIL • Secara Biokimia, miofibril pada potongan melintang dibentuk dua filamen longitudinal : - filamen tebal (pita A ; >>> protein miosin) → membentuk 55 % protein otot - filamen tipis (pita I s/d pita A ; >>> protein aktin, tropomiosin dan troponin) → membentuk 25 % protein otot
PROTEIN OTOT Berperan pada gerakan tingkat organ > 20% massa fibril otot Aktin : globular (aktin-G), dengan adanya ion Mg2+ polimerisasi menjadi aktin-F Alfa aktinin :pada garis Z , terikat pada aktin menstabilkan filamen aktin Tropomiosin : fibrosa , terdiri dari dua rantai yang terikat pada aktin-F
PROTEIN OTOT Troponin : terdiri dari tiga polipeptida terpisah ( TpI, TpC, TpT ) Miosin : membentuk 55% protein otot - Molekul heksamer asimetrik sepasang rantai berat (H-chain) dan dua pasang rantai ringan (L-chain). - Ekor fibrosa dua heliks yang membelit masing-masing dgn caput globuler
PROTEIN OTOT Aktivitas ATP ase + → Miosin mengikat aktin - Dengan tripsin dua fragmen meromiosin (LMM dan HMM) - Heavy meromiosin : larut , terikat pada aktin-F dengan aktivitas ATP-ase, Dengan papain dua sub fragmen (S1 dan S2)
PROTEIN OTOT Titin : dari Z s/d M line membantu relaksasi otot Nebulin : sepanjang filamen aktin mengatur pembentukan dan panjang filamen aktin. Desmin : melekat pada plasmalemma Distrofin : melekat pada plasmalemma Kalmodulin :protein pengikat Ca 2+ Kaldesmon : terikat pada tropomiosin dan aktin otot polos membantu pengikatan miosin pada aktin.
FUNGSI MOLEKULER OTOT Siklus kontraksi otot : pengikatan dan pelepasan kaput miosin dengan filamen aktin Kontraksi : kaput miosin berotasi menjangkau aktin-F pelepasan produk hidrolisa ATP (power stroke) ekor miosin menarik aktin kearah sarkomer filamen aktin melewati filamen miosin sliding filament model Molekul ATP baru akan terikat pada kaput miosin aktin-F dilepas relaksasi Relaksasi : kaput miosin menghidrolisa ATP ADP + Pi.
RELAKSASI
MIOSIN
ATP → ADP + Pi MIOSIN + ADP + Pi FIL. AKTIN
Mempunyai afinitas tinggi untuk berikatan dengan filamen aktin
Caput Miosin berhasil menggapai fil.aktin MIOSIN
Pi terlepas FIL. AKTIN
Power Stroke
MIOSIN
ADP terlepas FIL. AKTIN
Caput Miosin menarik fil.aktin
Kontraksi
MIOSIN
ATP baru masuk FIL. AKTIN
MIOSIN + ATP Mempunyai afinitas sangat rendah terhadap fil.aktin
MIOSIN
Fil.aktin akan terlepas FIL. AKTIN
Relaksasi
FUNGSI MOLEKULER OTOT Kontraksi pada otot striated Eksitasi sarkomer Ca 2+ masuk sarkoplasma (dengan carrier kalsequestrin) tp C . 4 Ca ikatan troponin – tropomiosin – aktin F berubah active site aktin-F terbuka miosin mengikat aktin kontraksi
FUNGSI MOLEKULER OTOT Kontraksi pada otot non striated - Tidak terdapat sistem troponin
- Rantai ringan-p miosin otot polos menghambat interaksi miosin-aktin sebelum difosforilasi. - Eksitasi sarkomer Ca 2+ masuk sarkoplasma kalmodulin . 4 Ca aktivasi enzym kinase fosforilasi rantai ringan-p miosin mengikat aktin kontraksi
METABOLISME ATP OTOT ATP dibentuk melalui proses : Glikolisis Glikogen glikogenolisis glukosa glikolisis asam Piruvat netto 2 ATP Fosforilasi oksidatif Supply O2 otot terutama dalam mioglobin Kreatin fosfat Dibentuk saat otot relaksasi ~p + ATP ATP Dua molekul ADP ADP + ADP ATP + AMP (dengan enzym mioadenilat kinase )
SITOSKLETON Struktur filamen intrasel yang tersusun ekstensif Melakukan fungsi seluler / kerja mekanis antara lain : membentuk energi, morfogenesis, mitosis, endositosis eksositosis, transport intrasel dll Pada sel eukaryotik 3 tipe struktur filamen : 1. Filamen aktin 2. Mikrotubulus 3. Filamen intermediate
Filamen Aktin Diisolasi dari sel bukan otot Mengandung residu metilhistidil Polimerisasi spontan dengan adanya MgCl2 dan KCl menjadi utas rangkap (seperti aktin-F otot) Stress fiber gambaran mikrofilamen sel aktin yang mencolok dibawah membran plasma
Filamen Aktin Protein-protein khusus yang mempengaruhi fungsi aktin : 1. profilin : menghambat polimerisasi 2. filamin : pembentukan mikrofilamen 3. tropomiosin : pembentukan mikrofilamen 4. aktinin : perlekatan mikrofilamen ke membran, ke substratum dan organella sel 5. sitokalasin : memecah mikrofilamen dan menghambat polimerisasi
Mikrotubulus • Terdiri dari tabung-tabung di sitoplasma berdiameter 25 nm • Protein-protein kinesin, dinein, dinamin dan miosin sebagai motor molekuler tidak adanya dinein silia dan flagella tidak bergerak (penyebab kemandulan pria dan penyakit paru obstruktif menahun (COPD) • Berfungsi pada pembentukan dan kerja spindle mitosis
Mikrotubulus • Bertanggung jawab untuk gerakan intrasel • Komponen utama silia dan flagella, akson dan dendrit • Pembentukannya dihambat oleh alkaloid tertentu antara lain : colchicine dan derivatnya, demekolsin (terapi gout arthritis), vinblastin (anti kanker) dan griseofulvin (anti jamur)
Filamen Intermediate Merupakan molekul fibrosa kaput terminal amino dan ekor terminal karboksil Relatif stabil tidak dibentuk dan diurai secepat mikrotubulus Penyebarannya : keratin (sel epitel, rambut dan kuku ), desmin (otot), vimentin (sel-sel messenchym), neurofilamen (sel neuron), filamen glia (sel glia)
JARINGAN IKAT Matriks ekstrasel sebagai jaringan penyangga untuk sel-sel disekitarnya Disusun oleh 3 biomolekul utama : - protein struktural : kolagen, elastin, fibrilin - protein khusus : fibronektin, laminin - proteoglikan
Jaringan ikat yang mengalami spesialisasi : tulang dan kartilago
Kollagen Salah satu protein struktural yang terdapat dalam matriks ekstrasel (connective tissue) Molekul triple heliks (utas tiga) terdiri dari tiga subunit polipeptida yang berhubungan dalam fibril Tiap unit polipeptida (rantai alfa) tiap putaran heliksnya mengandung tiga residu (glisin – prolin / aa lain – hidroksiprolin / aa lain
Kollagen Disintesa diribosom (pre kolagen) retikulum endoplasma (hidroksilasi dan glikosilasi membentuk triple heliks) apparatus golgi (modifikasi ekstensif menjadi kolagen matur) sekresi ke ekstrasel (tersusun menjadi serat kolagen) Dilisiskan bila kebutuhan asam amino meningkat (kelaparan dan proses inflamasi)
Kelainan Struktur Kolagen Syndroma Ehler Danlos - kerusakan kolagen tipe IV, III, VI, VII - klinis : hipersensitivitas kulit, fragilitas jaringan, peninggian mobilitas sendi Syndroma Alport - kerusakan kolagen tipe IV membrana basalis - terangkai kromosom X - klinis : haematuria GGK
Kelainan Struktur Kolagen Epidermolisis Bullosa - kerusakan kolagen tipe VII - klinis : kulit pecah dan lepuh
Scorbut / Scurvy - kerusakan kolagen karena defisiensi kofaktor pada prolil dan lisil hidroksilase (asam ascorbut) - klinis : perdarahan pada gusi dan sub kutan, luka susah sembuh
Elastin • Struktur yang dapat meregang dan kembali keukuran semula • Terdapat dalam jumlah besar pada jaringan yang memerlukan keelastisan (paru, pemb.darah, ligamentum) • Jaringan tiga dimensi yang dibentuk dari polipeptida-polipeptida yang “cross linked”
• Beberapa rantai samping lisin-nya (dari beberapa elastin) saling berikatan kovalen desmosin cross-linked (sangat elastis)
Elastin • Sangat tidak larut, stabil, didegradasi oleh protease “neutrofil elastase” • Pada paru, alveoli terpapar kronis oleh neutrofil elastase yang dilepas dari pengaktifan dan perusakan sel-sel neutrofil kerusakan elastin alveolar emfisema • Normal, 1 anti tripsin terdapat dalam cairan tubuh menghambat sejumlah kerja protease • 1 anti tripsin disintesa dihati, monosit dan makrofag alveolar
Kelainan pada Elastin Sindroma Williams : tidak ada gen pembentukannya, kelainan perkembangan jaringan ikat (stenosis aorta) dan SSP Skleroderma : penumpukan elastin pada kulit Emfisema pulmoner Kutis laxa Penuaan kulit
Beda kolagen dan elastin Kolagen Tipe genetis banyak Heliks triplet Struktur berulang gli-x-y Ada proses hidroksilasi Mengandung karbohidrat Ikatan silang “aldol”
Elastin Satu tipe genetis Gelungan acak Tidak ada Tidak ada Tidak ada Ikatan silang ”desmosin”
