mekanisme pemilahan dan distribusi

Universitas Gadjah Mada

III. MEKANISME PEMILAHAN DAN DISTRIBUSI

Protein yang disintesis, dipilah dan dikinm ke berbagai lokasi yang tepat di

dalam dan di luar sel dikenal sebsgai jalur pen-target-an protein. Elemen penting

yang terkait dengan proses sistem tersebut adalah rangkaian asam amino pada

ujung amino protein yang dinamakan rangkaian sinyal, kecuali protein yang

digunakan untuk keperluan sitoplasma.

1. PROTEIN SINYAL PENGARAH

Sinyal (signal) adalah segmen polisakarida yang terdiri atas rangkaian

asam amino yang dapat mencapai panjang 70 buah terdapat di satu atau

beberapa bagian molekul. Hampir semua protein yang ditargetkan untuk

dikirim ke RE, mitokondria atau kloroplas termasuk sinyal N-terminal yang

akan masuk dahulu ke dalam membran, kecuali N-terminal yang dilepas

sesudah protein menerobos membran. Segmen sinyal berikutnya dapat

menunjukkan apakah protein akan menyusup ke membran dan menentukan

orientasi di dalam membran. Jika protein menyusup melewati membran, sinyal

tambahan dapat mengarahkan rangkaian asam amino ke membran yang

berdekatan yang mempunyai reseptor khusus untuk menentukan sortasi

(pemilahan) dan pengarahan protein ke tujuan terakhir. Sinyal-sinyal yang

mengarahkan ke berbagai organel dijelaskan sebagai berikut:

a) Sinyal protein untuk RE, mitokondria dan kioroplas

Sinyal N-terminal yang mengarahkan protein ke RE, mitokondria

atau kloroplas terdiri atas asam amino polar dan nonpolar. Komposisi

tersebut tampaknya lebih penting dalam proses penerobosan membran

dibanding dengan keberadaan yang spesifik dan rangkaian asam amino.

Kombinasi antara lipatan dan lengkungan yang membentuk struktur

sekunder polipeptida, pola muatan dan polaritas rangkaian tersebut akan

bertindak juga sebagai sinyal. Banyak asam amino yang dapat disusupkan

pada posisi tertentu tanpa mengganggu sinyal.

Protein yang dikirim ke membran-dalam dan ruang kompertemen

mitokondria (matriks) dan kloroplas (stroma) mempunyai beberapa buah

sinyal. Sinyal tersebut lebih bervariasi dalam bentuk dibanding dengan

sinyal awal pengarah-membtran.

b) Sinyal protein inti sel dan benda-benda mikro

Protein yang ditargetkan ke dalarn inti sel mempunyai sinyal yang

terletak pada bagian dalam rantai protein, sedangkan sinyal untuk benda-


benda mikro (microbodies) berada dekat ujung C-terminal (karboksilat

terminal). Sinyal untuk protein inti sel lebih tergantung pula pada sifat

kimia asam amino dibanding dengan pengaruh rangkaian asam aminonya.

Sinyal untuk benda-benda mikro menggunakan rangkaian tiga

residu asam amino yang merupakan substituen kecil yang selalu

ditemukan dalam protein yang ditargetkan ke organel tersebut.

c) Sinyal protein untuk lisosom

Penelitian yang intensif tentang keberadaan sinyal pengarah

protein ditemukan pada retikulum endoplasmik. Protein yang diarahkan ke

lisosom mempunyai 2 buah sinyal yang masing-masing untuk menentukan

bagian protein yang tetap menempel pada membran RE dan yang lain

untuk mengarahkan protein enzimatik ke tujuan akhir di dalam lisosom.

Saat ini telah ditemukan lebih dari 100 macam sinyal protein N-terminal

sekreton pada berbagai macam sel eukariot. Rangkaian konsensus yang jelas

seperti TATA box yang memandu proses inisiasi transkripsi, tidak ditemukan

dalam sinyal pengarah protein. Rangkaian sinyal pengarah pada protein

memberikan gambaran sebagai berikut:

a) Panjang sinyal pengarah berkisar antara 13-36 residu asam amino,

b) Bagian amino-terminal dan sinyal berisi paling sedikit satu residu yang

bermuatan positif,

c) Rangkaian residu yang bersifat hidrofobik kuat dengan panjang sekitar 10-

15 residu membentuk pusat rangkaian sinyal. Asam amino Ala, Leu, Tie

dan Phe selalu ditemukan di daerah tersebut. Substitusi satu residu asam

amino yang bermuatan akan menghancurkan aktivitas pemandu rangkaian

sinyal,

d) Tapak pemotongan pada ujung COOH-terminal lebih polar dan pada pusat

hidrofobik. Residu satu asam amino sebelum tapak pemotongan (-1 dari

sisi amino terminal) dan tiga amino (-3) dari tapak pemotongan mempunyai

rantai samping sedikit netral dan biasanya adalah alanin (Ala). Asam

amino Cys, Thr, Ser dan Gly juga ditemukan pada posisi -1 dan -3.

Rangkaian sinyal amino-terminal dan protein sekretori dan membran

plasma disajikan pada Tabel 8.2 dengan menggunakan simbol asam amino

satu-huruf seperti dipaparkan pada Tabel 8.3.


Tabel 8.2. Rangkaian asam amino dalam protein pengarah

Catatan : Huruf tebal - asam amino hidrofobik Huruf italik - asam amino yang selalu didepan daerah hidrofobik

Tabel 8. 3. Singkatan asam amino tiga-huruf dan satu-huruf


Tidak semua vesikel sektretori dan membran plasma berisi rangkaian

sinyal amino-terminal yang terpotong sesuai proses translokasi lewat membran

RER. Beberapa protein berisi rangkaian sinyal internal dengan peran yang

serupa.

2. HIPOTESIS SINYAL

Pada tahun 1972, C. Milstein dkk. menunjukkan adanya berbagai sinyal

yang terlihat dalam proses pemilahan dan pen-target-an protein pada sel

eukariot. Analisis tersebut berdasar pada penelitian yang menggunakan

antibodi dalam membran RE yang disekresi ke luar sel. Sebagian dari

rangkaian asam amino dalam bentuk antibodi hilang, kemungkinan rangkaian

asam amino yang merupakan bagian sinyal pengarah tertinggal dalam

membran yang lepas sebagai molekul ke sistem sekretori. Beberapa tahun

kemudian, G. Blobel, B. Dobberstein, P. Walter dick. menemukan ribosom

dalam satu sistem yang sudah tidak mengandung RE yang mensintesis protein

dengan rangkaian asam amino yang lebih panjang dari pada sintesis yang

serupa dalam sistem normal. Selisih panjang fragmen protein sekitar 15-30

asam amino dan rangkaian tersebut berada dekat dengan gugus amino-

terminal. Polipeptida tersebut lebih banyak mengandung asam amino

hidrofobik dibandingjenis asam amino yang lain.

Penelitian lanjutan yang dilakukan Walter, Blobbel dick. pada tahun

1981 menemukan berbagai kompleks protein yang berperan dalam

penempelan ribosom ke retikulum endoplasmik. Peptida sinyal yang memandu

protein ke RE terdiri atas 2 komponen ialah signal recognation particle (SRP)

dan SRP receptor (docking protein) sebagai berikut:

a) Signal recognation protein (SPY)

Signal recognation particle (SRP) merupakan ribonukleoprotein

dengan berat 325 kd yang terdiri atas RNA (7SL RNA) yang tersusun atas

sekitar 300 nukleotida dan 6 macam molekul polipeptida. Gambaran secara

skematis SRP disajikan pada Gambar 8.7. Partikel tersebut berbentuk

batang dengan dengan panjang 240 °A dan lebar 50 °A. Tulang punggung

dan molekul SRP adalah komponen RNA yang mengikat 6 macam protein

dengan berat molekul masibng-masing 9, 14, 19, 54, 68 dan 72 kd yang

membentuk 2 bagian SRP.


Domain SRP Domain yang mengikat tapak A ribosom

Gambar 8.7. Gambaran skematis signal recognation Particle (SRP).

Molekul RNA (7SL) tergambar dalam garis tebal mengikat 6 molekul protein (warna gelap). Domain SRP berikat dengan SRP domain yang lain mengikat ribosom.

Gambar 8.7 menunjukkan peran beberapa subunit protein SRP di

antaranya adalah subunit 9, 54 dan 72 kd. Subunit 9 kd akan mencegah

perakitan polipeptida, karena SRP menempel pada sinyal polipeptida yang

muncul dan ribosom. Unit 54 kd mengadakan hubungan dengan rangkaian

sinyal dan molekul protein yang akan disintesis, sedangkan subunit 72 kd

akan mengikat SRP reseptor dan mulai lagi perakitan polipeptida sesudah

SRP terikat pada reseptor.

b) Signal recognition particle receptor

Protein lain yang berperan dalam penempelan ribosom ke membran

RE adalah SRP reseptor yang sering disebut docking protein yang

merupakan bagian dari membran RE. Molekul SRP reseptor terdiri atas

suatu dimer, masing-masing adalah dimer α (69 kd) dan dimer β (30 kd).

Protein tersebut dapat mengikat SRP yang terkait rangkaian sinyal.

Kedua macam partikel (SRP dan SRP resptor) diyakini terlibat dalam

proses pengikatan ribosom pada membran RE dan GTP berperan dalam

proses pelepasan SRP setelah ribosom seolah-olah tertanam di dalam

membran RE. Bagian sitosolik dan subunit α-SRP reseptor berisi

bengkokan-bengkokan yang bermuatan positif yang memungkinkan

mengadakan interaksi dengan molekul RNA dan RSP yang bermuatan

negatif. Proses penempelan dan pelepasan SRP dilukiskan pada Gambar

8.8.


Gambar 8.8. Partikel pengenal signal (SRP) dan beberapa fungsi Polipeptida

Proses penempelan dan pelepasan SRP dapat dilihat pada Gambar

8.9. Pada saat rangkaian sinyal keluar dari ribosom, SRP menempel pada

sinyal, sedangkan ribosom mengikat GTP. Sintesis protein berhenti pada

saat penempelan SRP berlangsung. Kompleks ribosom-SRP akan dikenali

dan diikat oleh SRP reseptor membran RE, sehingga ribosom benar-benar

terikat kuat pada membran RE. Rangkaian sinyal hidrofobik akan tertanam

dalam membran dengan perantaraan protein integral dalam RE yang

disebut riboforin I dan riboforin II. Setelah ribosom terikat pada kedua

macam protein tersebut, GTP akan terhidrolisis dan energinya digunakan

untuk melepas SRP.

Mekanisme penempelan SRP pada SRP reseptor disajikan pada

Gambar 8.9. Setelah proses tersebut berlangsung, sintesis protein

dilanjutkan dan polipeptida akan masuk ke dalam sisterna RE lewat

membran.


Gambar 8.9. Kerja SRP dan SRP reseptor dalam mekanisme sinyal pengarah RE. A). Sintesis Protein berlangsung sampai sinyal polipeptida menjulur keluar ribosom. b). Setelah sinyal lengkap berada di luar ribosom, SRP mengenal sinyal dan menempel bersama GTP. Sintesis poilisakarida berhenti saat SRP menempel sinyal dan terjadi perubahan konformasi dari SRP. Konformasi SRP yang berubah akan dikenal SRP reseptor dan RE. c). Pada saat ribosom terikat pada RE, GTP terhidrolisis dan SRP dilepas. Polipeptida yang disintesis akan menerobos membran RE.

Gambaran sintesis polipeptida dalam lumen RE yang terkait dengan

daur ribosom dan daur SRP disajikan path Gambar 8.10.

Molekul RNA yang mencetak bagian dan partikel pengenal sinyal

dinamakan SRP 78 scRNA. Penelitian Walter dkk. menunjukkan, bahwa

apabila RNA tersebut diambil atau dihidrolisis, maka molekul SRP tidak

akan dirakit. Diperkirakan bahwa scRNA bertindak sehagai kerangka yang

membentuk SRP.

Fungsi SRP tidak hanya tergantung pada peran scRNA sebagai

pemersatu partikel, tetapi ikatan antara SRP dengan ribosom sinyal dan

docking protein tergantung pada komponen protein partikel.


Gambar 8.10. Partikel pengenal sinyal (SRP) berperan dalam

pengiriman ribosom ke RE. Rangkaian sinyal yang bebas

polipeptida dikenali SRP. Kompleks yang terdiri atas SRP,

peptida sinyal dan ribosom akan menempel pada SRP reseptor

dan membran RE. Ribosom kemudian ditransfer ke riboforin

dan proses translokasi benlangsung, sehingga rantai

polipeptida berada di dalam lumen RE. Reseptor akan melepas

SRP dan partikel tersebut akan mengulang fungsinya dengan

menempelkan din pada rangkaian sinyal berikutnya.

3. PENYUSUPAN KOTRANSLASIONAL DAN

PASCA TRANSLASIONAL PROTEIN

Hipotyesis sinyal pada awalnya diperkirakan, bahwa rantai polipeptida

baru yang dibentuk didorong keluar dan ribosom dengan kekuatan yang cukup

untuk menembus membran retikulum endoplasmik. Persyaratan penting yang

diperlukan agar mekanisme tersebut dapat berlangsung adalah sintesis protein

dan penyusunan protein lewat membran terjadi secara simultan.

Dengan kata lain, transfer molekul polipeptida lewat membran hams

berlangsung secara kotranslasional.

Gagasan tersebut berubah setelah ditemukan banyak protein yang

dapat masuk ke membran RE secara post-translational (pasca translasional)

sesudah sebagian besar atau seluruh proses sintesis berakhir. Proses


penyusupan protein secara pasca translasional banyak berlangsung dalam sd

bakteri dengan menggunakan sinyal yang menempelkan ribosom ke

permukaan sitoplasmik membran plasma.

Beberapa macam sel eukariot yang biasa menyusup melalui membran

RE secara kotranslasional, mampu melintas secara pasca translasional.

Contohnya adalah protein yang masuk ke dalam mitokondria adalah protein

pasca translasional pada sel normal maupun pada sel dalam kondisi

eksperimental. Protein yang masuk secara pasca translasional umumnya

dalam keadaan sedikit melipat. Gambaran secara skematis proses tersebut

disajikan pada Gambar 8.11.

Energi yang diperlukan untuk mendorong masuknya protein pasca

translasional adalah energi hasil hidrolisis ATP yang bekerja sama dengan dua

atau lebih protein terlarut dalam sitoplasma. Protein-protein tersebut bertindak

sebagai chaperones (pengantar) yang berperan untuk stabilisasi molekul yang

lewat membran dalam keadaan tidak melipat atau bekerja sebagai unfoldases

dengan menggunakan energi hasil hidrolisis ATP atau GTP agar protein

membran membuka. Fungsi SRP kemungkinan untuk memelihara sinyal agar

selalu dalam keadaan tidak melipat, sehingga dapat menerobos membran RE.

Molekul protein yang mengalami “ ehaperonisasi” akan masuk atau lewat

membran dan melipat menjadi bentuk yang lebih kompak (padat). Energi bebas

yang dilepaskan selama proses pemadatan dimanfaatkan untuk mendorong

protein melewati membran.

Menurut R.J. Ellis, istilah chaperons dalam bidang biokimia adalah

mencegah interaksi yang salah antar permukaan yang komplementer dan


memisah hubungan yang tidak tepat., Proses melipatnya molekul protein

didorong oleh protein yang bekerja sebagai faktor pembatas terhadap

terjadinya beberapa tingkat konformasi. Faktor tersebut dinamakan chaperones

yang kemungkinan bekerja mencegah konformasi yang salah atau memperkuat

konformasi yang sudah tepat. Diperkirakan chaperons berikatan dengan protein

eksentrik yang menonjol akibat terjadinya pembengkokan atau perlipatan yang

membatasi terjadinya pelengkungan yang berlebihan dan konfrmasi yang

sudah tepat.

4. SINYAL PENGARUH RETIKULUM ENDOPLASMIK

Sinyal pengarah-RE sering disebut peptida transit, rangkaian pemandu

atau presekuen yang terdiri atas kombinasi dan asam-asam amino yang

membentuk 3 subdaerah seperti terlihat pada Gambar 8.11. Sinyal ujung N-

terminal dan asam amino pertama sampai ke 7 adalah daerah polar yang

biasanya residu ke 1 sampai ke 3 adalah lisin. Segmen yang bermuatan positif

tersebut kemungkinan akan mendorong terjadinya penempelan awal dari sinyal

ke permukaan membran RE yang bermuatan negatif. Banyak molekul fosfolipid

dalam membran RE yang bermuatan negatif pada ujung polarnya.

Di belakang daerah yang bermuatan positif tersebut terdapat teras

hidrofobik yang terdiri atas sekitar 6 sampai 12 asam amino atau Iebih. Molekul

asam amino di daerah tersebut mampu membentuk bangunan α-heliks atau

untai beta yang panjang untuk merentang bagian dalam membran yang bersifat

hidrofobik. Teras berperan dalam mendorong penyusupan sinyal ke bagian

dalam membran. Setelah terjadi penyusupan, porus (lubang) hidrofobik dapat

membuka untuk pelintasan rangkaian asam amino.

Daerah berikutnya (ke tiga) termasuk tempat terpotongnya sinyal

sesudah protein menyusup ke membran. Pada kebanyakan sinyal, daerah

tersebut berisi asam amino yang kecil, rantai samping tidak bermuatan pada

posisi ke 1 dan ke 3 ke arah N-terminal dan titik tempat pemotongan.


Ditemukan juga asam amino yang besar serta polar atau rantai sampingnya

bermuatan pada posisi ke 2 ke hulu dan titik potong. Pengaturan posisi rantai

asam amino yang akan dipotong dilukiskan pada Gambar 8.13. Gambaran

struktural molekul tersebut diperkirakan mampu dikenal oleh enzim pelepas

sinyal.

5. SINYAL PEPTIDASE

Aktivitas sinyal peptidase dalam melepas sinyal merupakan persyaratan

untuk keberhasilan transfer dan kebanyakan protein terarahkan-RE. Apabila

aktivitas enzim sinyal peptidase dihambat, maka transfer protein biasanya tidak

sempurna. Protein yang secara normal lewat membran RE seperti protein

sekresi akan macet di dalam membran, jika aktivitas enzim sinyal peptidase

terganggu.

Keberadaan sinyal peptidase dapat diketahui dari isolat pemotongan

membran RE, meskipun posisi yang tepat belum ditemukan. Posisi tersebut

kemungkinan terdapat pada bagian membran sisterna RE yang menghadap ke

dalam atau karena molekul enzim tersebut sangat hidrofobik, diperkirakan

terdapat dalam membran interior.

Sinyal peptidase pada sel prokariot ekuivalen dengan sel eukariot,

sinyal peptidase I dengan aktivitas yang sifatnya universal, dapat mengenal dan

memotong sinyal N-terminal dan berbagai sumber baik dan sel prokariot

maupun sel eukariot. Pada bakteri Escherichia coli, protein sinyal dipotong oleh

2 peptidase ialah sinyal peptidase I dan sinyal peptidase II. Sinyal peptidase I

mempunyai berat molekul 37.000 dalton yang terdapat di dalam dan di luar


membran. Enzim tersebut memotong sinyal N-terminal dan semua protein

terarah-membran, kecuali lipoprotein yang tidak biasa ditemukan pada bagian

luar membran bakteri Gram-negatif. Sinyal peptidase II terdapat dalam

membran plasma dengan peran melepas sinyal N-terminal dan lipoprotein.

6. SINYAL TRANSFER-STOP

Protein yang diarahkan ke RE oleh sinyal N-terminal kemungkinan akan

tetap berada dalam membran atau menerobos membran dan masuk ke

sisterna RE. Gambar 8.14 menunjukkan topologi translokasi protein melintas

membran RE. Penahanan protein dalam membran tergantung pada sinyal

transfer-stop yang akan menghentikan satu segmen atau lebih dari rantai asam

amino baru yang melewati membran. Contohya adalah protein viral yang

tertanam dalam membran plasma yang terdiri dan untai asam amino hidrofobik

atau asam amino netral dengan panjang untai antara 20-24 residu yang

terdapat dalam ujung C-terminal dari suatu protein. Segmen protein yang

tertanam adalah sinyal transfer-stop yang menahan majunya protein lewat

membran RE selama sintesis awal. Protein yang disusupkan ke membran oleh

sinyal N-terminal dilanjutkan lewat membran sampai ditemukannya sinyal

transfer-stop

Pada titik tersebut, rantai hidrofobik akan terkunci dalam membran RE

dan segmen berikutnya dapat melewati membran diikuti dengan rangkaian

transfer-stop tambahan. Rangkaian transfer-stop diperkirakan akan melepas

segmen rantai asam amino dan kanal hidrofobik dan tertanam dalam membran.

Pengaturan tersebut akan menghasilkan segmen-segmen yang melengkung

balik dan seterusnya melewati membran. Secara umum, jumlah sinyal transfer-


stop menunjukkan jumlah segmen padat-membran dan satu molekul protein

dan berapa kali rantai asam amino silang menyilang.

Apabila dalam molekul polipeptida terdapat satu sinyal peptida dan satu

sinyal transfer-stop, maka transfer polipeptida akan berhenti pada saat sinyal

transfer-stop masuk ke kanal dalam membran RE. Pada saat tersebut sintesis

protein masih berlangsung di dalam ruang sitosolik, meskipun telah terjadi

pemotongan sinyal peptida, sehingga pada akhir sintesis ditemukan satu untai

polipeptida di dalam lumen (ruang sisterna) dan yang lain dalam ruang sitosol.

Pembentukan segmen protein yang berada di dalam lumen RE (ruang sitema)

dan di dalam ruang sitosol dapat dilihat pada Gambar 8.15.

Penyusupan polipeptida lewat mebran RE yang berisi 2 segmen

hidrofobik (satu sinyal peptida dan yang lain sinyal transfer-stop) berlangsung

dengan mekanisme seperti terdapat dalam Gambar 8.16. Sinyal transfer-stop

umumnya lebih berisfat hidrofobik dibanding sinyal peptida, tetapi molekul

tersebut dapat bertindak sebagai sinyal peptida, jika lokasinya & protein

berubah.


dapat diamati dan amino-terminal ke segmen pertama (antara sinyal

peptida dan sinyal transfer-stop), dilanjutkan dengan sintesis polipeptida

berikutnya.

Proses penyusupan dilanjutkan yang dimulai lagi dengan penggunaaan

sinyal peptida yang berada di belakang sinyal transfer-stop sebelumnya.

Proses tersebut berlangsung terus, sehingga diperoleh gambaran seperti

terlihat pada Gambar 8.16 di atas.

Lumen RE terutama terisi protein transit dalam proses melipat,

sedangkan di dalam sitoplasma terdapat protein yang sudah dalam bentuk

lipatan. Pada saat protein melipat terjadi teras hidrofobik internal, tetapi

sebelum proses tersebut berlangsung, residu hidrofobik dikelilingi oleh air.

Rantai polipeptida yang tidak melipat meskipun dalam konsentrasi sangat

rendah, mempunyai kecenderungan untuk berkumpul dengan molekul lainnya

untuk menyembunyikan gugus hidrofobiknya, sehingga terbentuk presipitat.

Dalam campuran kompleks protein yang tidak melipat seperti dalam lumen RE,

kemungkinan akan terjadi presipitat amorf atau heterogenous. Di dalam lumen


RE terdapat protein yang disebut binding protein (BIP) dalam konsentrasi yang

sangat tinggi yang mampu mengenal kesalahan lipatan suatu protein. Molekul

BIP tampaknya mampu mengenal permukaan hidrofobik sehingga molekul

tersebut dapat memperbaiki bentuk lipatan. Molekul IP berisi peptida sinyal dan

empat asam amino pada C-terminal yang bertanggung jawab agar. protein

tetap berada dalam lumen RE. Apabila BIP mengikat protein yang tidak

melipat,. molekul tersebut membantu agar protein dalam RE tetap tidak rapi.

Topologi protein membran dengan sinyal yang berselang-seling disajikan pada

Gambar 8. 17.

7. SINYAL PEPTIDA PASCA PENYUSUPAN

Sesudah polipeptida berada dalam membran RE atau di dalam sisterna

RE tanpa sinyal transfer-stop, maka kemungkinan protein baru yang disintesis

akan menjadi komponen permanen tetap di lokasi tersebut atau dikirim lewat

jalur RE — kompleks Golgi –membran plasma.


Arahan ke lokasi tersebut tergantung pada ada atau tidaknya post-

insertion singnal (sinyal pasca penyusupan) yang memandu protein ke tujuan

akhir di RE, kompleks Golgi, lisosom, vesikel penyimpanan, membran plasma

atau vakuola netral pada sel tanaman.

Pembentukan rangkaian atau struktur sinyal pasca penyusupan untuk

protein terarah-RE sangat sulit dibuktikan. Kebanyakan sinyal tersebut hanya

merupakan sesuatu yang belum diketahui, baik lokasi maupun rangaian asam

amino penyusunnya. Kemungkinan sinyal tersebut terdiri atas 3 macam model

mekanisme operasional:

a. Sinyal retensi retikulum endoplasmik

Rangkaian asam amino yang menahan protein dalam retikulum

endoplasmik.

b. Sinyal pengarah protein enzimatik ke lisosom

Adanya unit karbohidrat yang mengalami modifikasi yang mengarahkan

glikoprotein yang baru yang disintesis ke lisosom.

c. Sinyal terarah-RE ke lokasi bukan lisosom

a. Sinyal Retensi Retikulum Endoplasmik

Di antara berbagai protein yang berath secara permanen di dalam

kompartemen RE adalah BiP (binding protein) suatu protein terlarut yang

mengembangkan pembentukan lipatan dan perakitan antibodi serta

polipeptida lain menjadi protein multisubunit.

Protein lain yang merupakan komponen tetap dalam RE adalah PDI

(Protein Disuif ide Isomerase), suatu enzim yang mengkatalisis pengaturan

kembali ikatan disulfida yang terdapat di dalam protein yang baru

disintesis. Dua orang peneliti, S. Monro dan H.R.B. Pelham menemukan

rangkaian 4 asam amino yang ujung C-terminalnya sdari kedua protein di

atas dan protein lain yang ditinggal dalam RE ialah Lys-Asp-Glu-Leu

dengan singkatan asam amino satu huruf KDEL. Beberapa substitusi yang

terjadi secara alami untuk sinyal retensi RE dalam beberapa protein adalah

Arg untuk asam amino pertama, sehingga ke-4 asam amino tersebut

menjadi RDEL. Bentuk standar sinyal retensi RE dada yeast menggunakan

histidin sebagai asam amino pertama dan diperoleh rangkaian HDEL.

Munro dan Pelham mengadakan penelitian dengan mengambil rangkaian

ke empat asam amino dan sinyal retensi RE yang menyebabkan protein


tersebut ikut dalam sekret yang dikeluarkan dari RE. Sebaliknya

penambahan KDEL sinyal ke ujung C-terminal pada protein nonretensi

menyebabkan terjadinya penahanan protein tersebut di dalam RE.

Identifikasi reseptor untuk sinyal KDEL dilakukan oleh D. Vaux dkk.

yang menggunakan antibodi anti-ideotype dan kemungkinan mekanisme

bagaimana cara reseptor bekerja, antibodi yang pertama kali

dikembangkan untuk melawan sinyal KDEL. Apabila membran reseptor

mengenal dan mengikat sinyal KDEL sebagai bagian dari mekanisme

retensi, diperkirakan kemungkinan satu antibodi anti-KDEL atau lebih,

mempunyai tapak akhir serupa dengan reseptor KDEL. Berikutnya adalah

penggunaan antibodi anti-KDEL sebagai antigen untuk mengebangkan

“second generation antibodies” yang dapat mengenal tapak pengikat-

KDEL. Antibodi tersebut kemudian digunakan sebagai probe untuk reseptor

KDEL dalam RE atau membran sekitarnya. Antibodi dicoba untuk mengikat

protein membran integral yang terdapat terutama dalam vesikel yang dekat

dengan RE atau dalam sis-sistema Golgi.

Penemuan tersebut memperkuat hipotesis penyelamatan dari retensi

dan protein penghuni RE yang telah diteliti oleh Moro dan Pelham. Menurut

pemikiran para peneliti tersebut, protein yang terdapat dalam RE dapat

lepas dengan jalan masuk ke dalam tonjolan membran RE yang kemudian

menjadi vesikel transisi. Vesikel tersebut akan mengadakan fusi dengan

membran kompleks Golgi sepanjang protein tersebut dialamatkan ke tapak

dan jalur terarah-RE. Protein RE yang masuk ke dalam vesikel transisi

akan diikat oleh reseptor KDEL dan membran vesikel. Vesikel tersebut

akan mengadakan fusi dengan sis-sisterna kompleks Golgi dan reseptor

KDEL dengan protein RE yang terikat, mengalami pemilahan dan

ditempatkan dalam vesikel yang menonjol dari Golgi untuk dikirim kembali

ke RE. Setelah vesikel mengadakan fusi dengan membran RE, kemudian

reseptor KDEL melepas protein RE. Daur pembebasan dan penyelamatan

protein RE akan dimulai lagi dengan cara yang sama. Mekanisme

penyelamatan protein penghuni RE disajikan pada Gambar 8.18


Enzim yang mempercepat perbaikan ikatan disulfida dalam RE adalah

protein disulfida isoinerase (PDI). Di dalam sitosol terdapat campuran agen

pereduksi berisi thiol yang mencegah terjadinya ikatan -S-S (ikatan

disulfida) dengan mempertahankan bentuk asam amino sistein dalam

keadaan tereduksi (-SH). Lumen RE tidak berisi agen tersebut, sehingga

memungkinkan terbentuknya ikatan disulfida antar sistein dalam satu

molekul protein. Gambar 8.19 menunjukkan perbaikan ikatan disulfida

dalam satu molekul protein. Gugus thiol dan PDI yang menempel pada

bagian dalam RE akan mengikat salah satu gugus thiol dan sistein dan

dapat memperbaiki ikatan-ikatan -S-S yang salah.


b. Sinyal Pengarah Protein Enzimatik ke Lisosom

Lisosom adalah kantong terbungkus membran yang berisi campuran

enzim hidrolitik yang mampu memecah kebanyakan substansi biologik.

Banyak enzim yang masuk ke lisosom diberi tanda dengan sinyal pemilah

pasca penyusupan (post-insertion sorting signal) yang terdiri atas manosa

dan gugus fosfat pada atom karbon-6. Sinyal manosa-6-P ditemukan oleh

S. Kornfeld dan kawan-kawan.

Protein yang bertindak sebagai reseptor untuk sinyal lisosom diteliti oleh

W.J. Brown dan Farquhar. Vesikel lisosom dengan membran bagian dalam

yang aktif mengikat sinyal manosa-6-P (pH 7) bergerak mendekati sis-

sisterna komleks Golgi yang berisi reseptor yang terdapat dalam membran

bagian dalam. Mekanisme pemilahan protein lisosomal disajikan pada

Gambar 8.20. Trans-sisterna kompleks Golgi mempunyai pH yang sedikit

asam yang menyebabkan enzim hidrolitik dengan sinyal manosa-6-P

terikat


sangat kuat dengan bagian dalam membran yang berisi reseptor. Segmen-

segmen membran tersebut akan lepas menjadi vesikel yang bergerak ke

lisosom. Di bagian dalam vesikel, pH internal menurun karena aktivitas

pompa W-ATP dalam membran vesikel. Akibat penurunan pH tersebut,

reseptor akan kehilangan afinitasnya terhadap enzim lisosomal dan

membebaskannya ke vesikel. Brown dan Farquhar melakukan penelitian

dengan menggunakan amonium sulfat ion yang ditambahkan pada sel,

maka senyawa tersebut akan mengganggu proses pemilahan lisosom.

Masuknya ion amonium ke dalam lisosom akan menaikkan pH dengan

akibat timbulnya ketidakmampuan reseptor manosa-6-P melepas enzim

hidrolitik dan membiarkan tetap terikat pada lisosom. Keterikatan tersebut

mengakibatkan tidak ada daur ulang vesikel ke kompleks Golgi.

Pada pH normal, enzim-enzim lisosomal yang disekresi terikat kuat

pada reseptor manosa-6-P dan dikembalikan ke sel lewat vesikel endositik.

Kebanyakan vesikel mengadakan fusi degan lisosom atau dengan

kompleks Golgi yang secara otomatis akan mengembalikan enzim

lisosomal dan pengembaraannya ke jalur distribusi normal. Sekitar 5-10%

dan enzim di dalam lisosom diperkirakan mengalami proses dengan


mekanisme seperti di atas. Proses ulang-alik reseptor manosa-6-P

berlangsung akibat berubahnya pH ruang dalam endolisosom.

Enzim lisosomal mengalami disosiasi dan protein reseptor manosa-6-P

di dalam endolisosom dan mencerna material yang berada di dalamnya.

Setelah enzim dilepas, reseptor akan kembali ke membran trans-Golgi

network (TGN) dengan menggunakan vesikel berselubung. Proses daur

ulang dan endolisosom ke kompleks Golgi serupa dengan mekanisme daur

antara endosom dengan membran plasma. Transpor enzim hidrolase

termediasi-reseptor dan kompleks Golgi ke endolisosom analog dengan

endositosi melekul ekstra selular dan membran plasma ke endosom.

Kedua proses tersebut masuk ke dalam kluster dan clathrin-coated yang

dikenal sebagai coated-pit. Daerah tersebut akan menonjol dan akan

menjadi vesikel terlapis pis-klatrin yang mengangkut ligan ke kompartemen

kedua yang bersifat asam, kemuadian reseptor akan kembali ke membran

plasma. Transpor enzim hidrolase lisosom ke lisosom disajikan pada

Gambar 8.21.

Proenzim hidrolase lisosom akan mengikat manosa-6-P dalam sis-Golgi

dan terpisah dan berbagai jenis protein lain dalam TGN. Pemisahan terjadi

karena vesikel terlapis-klatrin membentuk tonjolan (budding) pada TGN

yang banyak mengandung reseptor manosa-6-P yang mengikat hidrolase.

Vesikel terbungkus akan kehilangan lapisannya dan mengadakan fusi

dengan endolisosom. Endolisosom dengan pH rendah akan menyebabkan

hidrolase lepas dari reseptor yang kemudian masuk daur ulang ke

kompleks Golgi untuk menjalankan proses serupa berikutnya. Hilangnya

gugus fosfat dan manosa akan mengurangi kesempatan kembalinya

hidrolase ke kompleks Golgi bersama reseptomya. Meskipun reseptor


glikoprotein manosa-6-P berbeda ukurannya, tetapi rangkaian asam amino

tertentu tampaknya mempunyai fungsi yang serupa.

Perjalanan reseptor manosa-6-P dalam proses daur ulang diamati

dengan menggunakan antibodi spesifik ke tempat protein dalam sel.

Reseptor secara normal ditemukan dalam kompleks Golgi dan

endolisosom, tetapi tidak ditemukan dalam lisosom dewasa. Dalam kultur

sel yang ditambah asam lemah seperti amonia atau chloroquine, reseptor

manosa-6-P yang biasanya tertimbun dalam organela yang asam, pH-nya

akan menjadi netral. Reseptor akan hilang dan kompleks Golgi dan

terkumpul dalam endolisosom. Kembalinya reseptor ke Golgi dapat dipicu

dengan cara menghilangkan basa lemah tersebut atau mempertinggi

konsentrasi manosa-6-P di dalam media. Hasil penelitian tersebut

memberikan gambaran bahwa pengembalian reseptor ke kompleks Golgi

dipermudah dengan perubahan konformasi molekul reseptor yang terjadi

pada saat lepas dan enzim hidrolase.

Klatrin pembungkus yang terbentuk pada saat terjadinya vesikel

tampakya bertindak sebagai “saringan molekul” yang memisahkan reseptor

dan ligan ke vesikel, tetapi tidak bertanggungjawab pada spesifitas tujuan

vesikel, karena pembungkus akan segera hilang setelah vesikel terbentuk.


Gambaran skematis tentang mekanisme pengarahan transpor vesikel

terlapis-klatrin dari dan ke membran spesifik dapat dilihat pada Gambar

8.22.

Apabila sel diberi tunicamycine, suatu antibiotik a yang rnenghambat

pembentukan gugus karbohidrat pada glikoprotein, kecuali untuk enzim-

enzim lisosom, masih dapat mencapai tujuan di dalam sel. Dapat

dikatakan, bahwa untuk glikoprotein non-lisosomal yang mayoritas

merupakan glikoprotein yang dipilah dan didistribusi di dalam sel, gugus

karbohidrat tidak merupakan bagian yang menentukan dalam proses

pemilahan. Kemungkinan molekul glikoprotein tersebut tidak berisi sinyal

yang esensial untuk mengikuti jalur tertentu.

Pada tanaman dan fungi, vauola sentral mempunyai fungsi yang serupa

dengan lisosom pada hewan. Vakuola juga berisi enzim-enzim yang

mampu menghidrolisis banyak molekul biologik terutama polisakarida.

Enzim dan lain-lain protein termasuk protein yang disimpan dalam vakuola

umbi dan akar, masuk ke dalam vakuola setelah disintesis dalam RE. Dua

orang peneliti B.W. Tague dan M.J. Chrispeel menunjukkan, bahwa

fitohemaglutinin, suatu protein yang masuk ke dalam vakuola tanaman

akan mengikuti jalur ke vakuola pada yeast apabila dimasukkan ke dalam

organisme tersebut. Dalam sel ragi dan sel tanaman terlihat adanya

mekanisme pemilahan dan reseptor yang mengarahkan protein ke vakuola

sentral. Percobaan dengan melepas segmen polisakarida tidak mempunyai

pengaruh terhadap jalur pengiriman ke vakuola sentral, sehingga

diperkirakan molekul tersebut tidak ditandai oleh sinyal manosa-6-P.

Penelitian lain menunjukkan bahwa pengarah-vakuola terdapat di dalam

molekul polipeptida yang biasanya merupakan rangkaian asam amino (50

buah) pertama sesudah sinyal pengarah-RE.

c. Sinyal Terarah-RE ke Lokasi Bukan Lisosom

Beberapa protein yang masuk ke dalam RE menjadi elemen integral

dan kompleks Golgi, membran plasma atau membran pembungkus

nukleus. Jalur terpanjang dan paling intensif yang diikuti peneliti adalah

arahan protein ke membran plasma. Protein yang ditujukan ke lokasi

tersebut masuk ke RE dan kemudian bergerak melewati membran vesikel

transisi, ke kompleks Golgi dan ke vesikel sekretori sampai pada tujuan


akhir. Di antara molekul-molekul yang mengambil jalur terseut akan lewat

membran dengan cara transpor pasif dan aktif dan juga menggunakan

reseptor permukaan sel.

Dalam beberapa membran seperti pemukaan epitel yang membungkus

rongga badan, mekanisme pemilahan dan distribusi menempatkan protein-

protein yang berbeda pada tempat-tempat yang tepat dalam membran

plasma. Protein yang membawa gula dan asam amino dapat ditemukan

pada sel epitel intestinum, misalnya molekul yang akan didistribusi ke

daerah membran plasma yang menghadap ke ruang intestinum.

Protein dengan tujuan akhir kompleks Golgi akan mengikuti jalur yang

sama yang dikirim ke membran plasma, tetapi berhenti setelah mencapai

sisterna Golgi. Protein-protein tersebut termasuk berbagai macam enzim

transferase, proteinase, fosforilase dan sulfatase. Kemungkinan protein-

protein tersebut mengadakan interaksi dengan reseptor apabila proses

pembentukan molekul enzim tersebut sudah selesai. Beberapa protein RE

kemungkinan akan mengikuti perjalanan yang sama seperti membran

Golgi, tetapi arahnya akan berbalik setelah mengalami modifikasi di dalam

Golgi dan kembali ke lokasi tetapnya di dalam RE.

Protein yang membentuk bagian membran nukleus, mungkin disintesis

di dalam ribosom yang menempel pada bagian luar membran nukleus.

Apabila protein disintesis di bagian luar membran nukleus, mungkin

molekul protein akan tetap tinggal di dalam membran tersebut atau

bergerak melewati kanal yang terbentuk dalam RE, yang kemungkinan

mengalami modifikasi dalam RE atau komleks Golgi sebelum menjadi

penghuni tetap di dalam membran pembungkus membran nukleus. Jika

protein disintesis dalam RE, mungkin protein tersebut akan masuk ke

dalam bungkus nukleus lewat kanal. Tampaknya sinyal pasca penyusupan

dan reseptor bertanggung jawab untuk retensi atau arahan protein ke

membran pembungkus nukleus.

Protein yang masuk ke dalam sistem distribusi lewat RE mempunyai

berbagai kemungkinan tujuan akhir yang berkisar antara RE sampai

membran pembungkus nukleus, kompleks Golgi, lisosom, membran

plasma dan juga dikirim ke luar sel.

mekanisme pemilahan dan distribusi

Documents