penyortiran protein intraselular

Achmad Farajallah | PENYORTIRAN PROTEIN INTRASELULARCopyright Achmad Farajallah [email protected]://achamad.staff.ipb.ac.id/penyortiran-protein-intraselular/

PENYORTIRAN PROTEIN INTRASELULAR


Achmad Farajallah, Bagian Fungsi Hayati dan Perilaku Hewan, Departemen Biologi FMIPA IPB

Setiap organel sel yang mengalami pertumbuhan kemudian akan melakukan pembelahan melalui proses duplikasi melaluimitosis maupun meiosis. Proses duplikasi organel dalam sistem endomembran tidak sekedar memperpanjang membrannya,melainkan membutuhkan pengaturan-pengaturan yang didikte oleh komposisi material yang dikandungnya. Selama selmengalami pertumbuhan, setiap organel mengakumulasi berbagai molekul baru mengikuti fungsi normal sel. Pada saatpembelahan sel, beragam molekul yang menjadi ciri spesifik setiap organel harus didistribusikan ke setiap organel dari selhasil pembelahan. Pada tahap anafase, selubung inti, retikulum endoplasma dan alat golgi akan pecah membentukvesikula-vesikula kecil dan kemudian terdistribusi ke arah kutub-kutub pembelahan mengikuti pergerakan tubulus-tubukusmikro. Pada saat telofase atau setelah pelekukan membran plasma dimulai yang menandai sitokiniesis, beberapa vesikulakecil saling bergabung kembali membentuk selubung inti, RE dan alat Golgi kembali. Setelah sitokinesis selesai,organel-organel terus tumbuh yang berarti membutuhkan lemak untuk mensintesis membran yang baru dan berbagaimolekul protein - baik protein membran maupun protein terlarut yang akan mengisi rongga setiap organel. Dalam hal ini,walaupun tidak dalam kondisi pembelahan sel, sintesis protein-protein baru selalu terjadi. Sedangkan pada organel-organelendosimbion (mitokondria dan kloroplas) yang biasanya berjumlah banyak dalam setiap sel keduanya melakukan pembelahanyang tidak berbarengan dengan pembelahan sel. Setelah sitokinesis jumlah mereka dibagi dan didistribusikan ke sel-sel anak.

Protein-protein yang baru disintesis selama pertumbuhan sel harus secara akurat didstribusikan ke berbagai kompartentasisel, baik kesetiap organel tujuannya, ke vesikula untuk disekresikan ataupun ataupun untuk menggantikan protein-proteinyang secara kontinyu didegradasi. Akurasi pendistribusian protein ke setiap organel atau kompartemen sel sangat dibutuhkanagar sel mampu terus tubuh, membelah dan berfungsi dengan baik. Walaupun secara keseluruhan jenis protein yang adadalam suatu sel mencapai ribuan jenis, mereka tersebar secara unik ke dalam setiap organel. Dengan kata lain, suatu organelbisa dicirikan oleh protein yang dikandungnya.

Pada awalnya, hampir semua jenis protein yang ditemukan di dalam sitosol disintesis oleh ribosom di dalam sitosol maupunribosom yang menempel ke retikulum endoplasma. Untuk itu, mRNA yang ditranskripsikan di dalam inti diekspor ke sitosolmelalui pori inti. Perkecualian, beberapa jenis protein mulai disintesis oleh ribosom yang masih berada di dalam inti. Sebagianbesar sintesis protein (translasi protein dari mRNA) yang terjadi di dalam inti bisa dipandang sebagai fungsi kontrol terhadapkesalahan proses transkripsi mRNA. Selain itu, mitokondria dan kloroplas yang mempunyai sistem genom terpisah dari intimampu mensintesis beberapa jenis proteinnya sendiri.

Protein yang mulai ditranslasikan oleh ribosom yang menempel ke membran RE akan menembus masuk ke dalam lumen REyang tidak menunggu sampai proses translasi selesai. Dengan kata lain, polipeptida terus tumbuh ke dalam lumen RE.Mekanisme transpor protein seperti ini disebut cotranslational import, yaitu polipeptida ditranspor ke dalam lumen REsambil terus ditranslasikan. Setelah translasi selesai maka beberapa jenis protein dan membran fosfolipid yang juga disintesisdi dalam RE akan didistribusikan ke alat Golgi, lisosom, endosom, membran inti luar maupun membran plasma dengan caramembentukvesikula transport.

Beberapa jenis protein yang telah disintesis oleh ribosom yang bebas dalam sitosol kemudian akan terus berada di dalamsitosol atau ditranspor ke dalam mitokondria, kloroplas, peroksisom dan membran bagian dalam inti. Mode transpor proteinseperti ini disebut posttranlational import yang membutuhkan adanya sinyal pengenal dalam runutan asam aminopenyusun protein. Protein yang akan ditranspor ke dalam inti melalui pori inti, sedangkan yang akan ditranspor ke dalammitokondria, kloroplas dan proksisom dilakukan dengan mekanisme yang berbeda. Sifat normal membran sel adalahimpermeabel terhadap makromolekul hidrofilik. Hal ini berarti mekanisme transportasi protein terlarut sitosol (air) ataupolipeptida yang baru disintesis dalam sitosol membutuhkan energi. Artinya, mereka ditransportasikan melintasi membrandengan cara transpor aktif.

page 1 / 21


Ketepatan pengiriman dari setiap jenis protein yang baru disintesis dalam sitosol ataupun yang sedang disintesis, sangatditentukan oleh runutan asam aminonya. Dalam untai polipetida bisa ditemukan runutan asam amino tertentu yang disebutdengan "sinyal pengenal" atau "sorting signal" yang mengarahkan polipeptida tersebut ke suatu organel tertentu. Sinyalpengenal berbeda-beda untuk setiap organel. Beberapa protein yang tidak dilengkapi dengan sinyal pengenal akan persistendi dalam sitosol. Keberadaan sinyal pengenal ini diungkapkan pertama kali oleh Blobel dan Sabatini tahun 1971 yang dikenalsebagaihipotesis sinyal. Dengan sangat hati-hati keduanya mengemukakan bahwa runutan asam amino berukuran pendekyang intrinsik dengan struktur suatu polipeptida merupakan sinyal yang membedakan berbagai jenis polipeptida yang adadalam sitosol apakah akan masuk ke dalam lumen RE atau tetap berada dalam sitosol. Sejak itu, ide bahwa suatu proteinmempunyai sinyal intrinsik yang menentukan lokasi akhirnya di dalam sel terbukti benar untuk beragam organel, tidak hanyauntuk RE sebagaimana awal hipotesis sinyal ditegakkan. Penghargaan Nobel tahun 1999 untuk bidang fisiologi/kedokterandiberikan ke keduanya karena dampak luar biasa dari hipotesis ini terhadap perkembangan biologi sel.

Runutan asam amino yang bertindak sebagai sinyal pengenal pada umumnya berkisar antara 15-60 asam amino. Segmenrunutan sinyal pengenal ini kemudian akan diputus dan dipisahkan dari runutan asam amino lainnya setelah polipeptidamencapai organel yang dituju. Beberapa sinyal pengenal yang sudah dikarakterisasi dengan baik disajikan dalam Tabeldibawah ini

Fungsi runutan asam aminoimpor ke lumen RE +H3N-

Met-Met-Ser-Phe-Val-Ser-Leu-Leu-Leu-Val-Gly-Ile-Leu-Phe-Trp-Ala-Thr-Glu-Ala-Glu-Gln-Leu-Thr-Lys-Cys-Glu-Val-Phe-Gln-

mempertahan dalamlumen RE

-Lys-Asp-Glu-Leu-COO- (sering disingkat KDEL)

impor ke mitokondria +H3N-Met-Leu-Ser-Leu-Arg-Ser-Ile-Arg-Phe-Phe-Lys-Pro-Ala-Thr-Arg-Thr-Leu-Cys-Ser-Ser-Arg-Tyr-Leu-Leu

impor ke inti -Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val

impor ke perosksisom -Ser-Lys-Leu-

Karakterisasi yang membuktikan bahwa runutan asam amino di dalam Tabel diatas adalah suatu sinyal pengenal diketahui

dengan menggunakan teknologi rekayasa genetik. Jika penyandi asam amino sinyal pengenal dari suatu protein yang

seharusnya masuk ke dalam lumen RE dihilangkan dari runutan DNA penyandinya maka protein yang disintesis ternyata tidak

bisa masuk ke dalam lumen RE dan tetap berada di dalam sitosol. Sebaliknya, jika penyandi sinyal pengenal untuk tujuan

lumen RE ditambahkan ke DNA penyandi protein sitosol maka protein yang disintesis yang seharusnya ada di sitosol akan

page 2 / 21


masuk ke dalam lumen RE. Dalam perkembangan biologi molekular "DNA related techniques" yang sangat pesat akhir-akhir

ini, ternyata sinyal pengenal untuk suatu fungsi tertentu ditemukan mempunyai runutan asam amino yang beragam. Hal ini

menunjukkan bahwa runutan asam amino saja tidak cukup signifikan untuk suatu fungsi sinyal pengenal. Hal yang paling

menonjol dari runutan asam amino yang bisa bertindak sebagai sinyal pengenal justru ditemukan pada sifat-sifat fisiknya,

seperti hidrofobisitas ataupun penempatan asam-asam amino bermuatan dalam runutan.

Inti Sel

Adanya membran sel sebagai selubung inti telah diduga sejak akhir abad ke-19 hanya berdasarkan pada sifat-sifat osmotik

cairaninti sel. Tentunya, waktu itu mikroskop cahaya hanya bisa menampakkan batas yang sangat tipis di sisi luar inti tanpa

mengetahui struktunya lebih ditil yang kemudian secara sederhana disebut sebagai selubung inti. Baru kemudian setelah

menggunakan mikroskop elektron transmisi diketahui bahwa selubung inti terdiri atas dua lapis membran sel yang saling

konsentris dan rongga di antara keduanya disebut rongga perinuklear dengan jarak sekitar 20-40 nm. Membran inti bagian

dalam disebut nuclear lamina dilengkapi dengan protein yang berfungsi sebagai titik pelekatan bagi kromosom dan sebagai

lapisan penyokong struktur inti. Pada semua sel-sel hewan, lapisan penyokong struktur inti yang ada di sisi dalam membran

page 3 / 21


inti berupa filamen intermediet - salah satu kategori sitoskeleton. Sedangkan membran inti bagian luar merupakan bagian

dari membran RE sehingga komposisi protein membrannya sama dengan membran RE lainnya. Dengan kata lain, rongga

perinuklear merupakan kelanjutan dari lumen RE.

Selubung inti dilengkapi dengan pori-pori inti sebagai tempat lalu-lintas material antara sitosol dan nukleosol. Densitas pori

inti sangat beragam antar jenis sel. Di dalam inti sel mamalia bisa ditemukan sekitar 3000-4000 pori atau 10-20 pori per mm2.

Protein yang disintesis dalam sitosol masuk ke dalam inti melalui pori-pori inti. Begitu juga dengan RNA yang disintesis di

dalam inti keluar ke sitosol juga melalui pori-pori inti. Dalam hal mRNA, mRNA yang bisa melalui pori-pori inti adalah yang

sudah mengalami pemotongan dalam rangka modifikasi pascatranskripsi yag terjadi di dalam inti.

Pori inti berukuran besar dengan struktur yang tersusun dari beragam jenis protein yang keseluruhannya disebut dengan

kompleks protein pori. Protein-protein penyusun kompleks pori inti diperkirakan berdiameter sekitar 120 juta dalton.

Subunit-subunit protein tersusun sedemikian rupa membentuk konfigurasi oktagonal.

Ada 8 subunit protein fibril yang menjulur ke arah sitosol dan dan 8 subunit protein fibril lainnya menjulur ke arah nukleosol.

Setiap protein fibril berikatan dengan subunit protein cincin. Protein fibril yang menjulur ke arah sitosol terumbai bebas,

sedangkan yang menjulur ke arah nukleosol diikat oleh protein fibril yang lainnya membentuk struktur seperti keranjang.

page 4 / 21


Bagian tengah dari konfigurasi protein-protein cincin dan fibril terdapat kanal yang berisi butiran-butiran protein globular.

Pada awalnya, butiran protein ini dianggap bukan sebagai bagian bagian kompleks pori karena tidak pernah bisa dilihat

sebelumnya akibat serial selama preparasi spesimen. Kepastian bahwa butiran protein yang ada di bagian tengah kanal

adalah komponen kompleks protein pori diketahui dengan teknik freeze-fracture microscopy, Fungsi butiran protein tersebut

diduga untuk membantu molekul-molekul larut air untuk melintasi pori yang disebut sebagai protein transporter. Struktur

kompleks protein pori dilekatkan ke selubung inti oleh beberapa subunit protein yang menjulur ke arah rongga perinuklear.

Setiap pori inti terdiri dari satu atau lebih kanal yang memungkinkan molekul-molekul kecil larut air bisa melintas dengan

bebas. Sedangkan molekul-molekul besar (misalnya beberapa RNA dan protein) dan beberapa kompleks makromolekul tidak

bisa melintas dengan bebas. Molekul-molekul besar tersebut bisa melintas melalui pori inti jika dilengkapi dengan suatu sinyal

pengenal yang dikenali. Runutan sinyal yang mengarahkan protein sitosol untuk masuk ke dalam inti disebut nuclear

localization signal. Sinyal pengenal tersebut umumnya terdiri atas satu atau dua runutan asam amino pendek yang

mengandung Lys atau Arg yang bermuatan positif.

Interaksi antara calon protein yang akan masuk ke dalam inti diawali dengan pengikatan calon protein oleh suatu protein di

dalam sitosol yang dikenal dengan nuclear transport receptors. Protein reseptor yang ada di sitosol ini merupakan bagian dari

protein fibril. Jika ada calon protein yang dilengkapi dengan runutan asam amino dari sinyal pengenal untuk inti, maka protein

reseptor akan mengenali dan mengikatnya sehingga membentuk kompleks calon protein inti - protein reseptor. Kompleks

protein ini kemudian akan dikenali oleh protein-protein fibril dari pori inti. Pengenalan ini menyebabkan kompleks calon

page 5 / 21


protein inti - protein reseptor ditranspor secara aktif ke dalam inti dengan bantuan energi yang diperoleh dari hidrolisis GTP.

Struktur komplek protein di bagian tengah dari pori inti bertindak sebagai penyeleksi yang akan membuka hanya jika ada

kompleks calon protein inti - protein reseptor. Di dalam nukleosol, kompleks calon protein inti - protein reseptor terurai

menjadi protein inti dan protein reseptor, kemudian protein reseptor dikeluarkan ke sitosol melalui pori inti yang lain untuk

digunakan kembali. Dengan begitu, pori inti bisa disebut sebagai gerbang molekular. Meskipun begitu, ada beberapa hal yang

sampai saat masih belum jelas. Salah satunya adalah bagaimana pori inti bisa mengatur arah sehingga tidak terjadi tabrakan

antara molekul yang mau masuk dan keluar inti. Selain itu, bagaimana pori inti hanya memasukkan satu molekul pada satu

saat sehingga tidak terjadi penyumbatan pori inti.

Pori inti melewatkan suatu protein dalam konformasi yang sudah final, yaitu sudah dalam bentuk fungsionalnya, dan juga

melewatkan komponen-komponen ribosom sebagai satu kesatuan partikel. Kedua kemampuan diatas membedakan transpor

protein ke dan keluar inti terhadap sistem transpor protein dari dan ke berbagai organel lainnya. Mekanisme transpor protein

ke berbagai organel lainnya seperti mtokondria, kloroplas dan retikulum endoplasma dilakukan dalam konformasi protein

yang belum fungsional atau belum mengalami pelipatan-pelipatan.

page 6 / 21


Mitokondria dan Kloroplas

Mitokondria dan kloroplas adalah dua organel dengan spesialisasi mensintesis ATP yang mempunyai dua lapis membran sel,

yaitu membran luar dan membran dalam. Di antara kedua lapisan membran tadi terdapat ruang antar membran. Untuk

kloroplas terdapat lapisan membran ketiga, yaitu membran tilakoid. Sebagian besar protein yang ada di dalam mitokondria

dan kloroplas diimpor dari sitosol yang disandikan oleh genom inti, sedangkan sebagian kecil protein disintesis oleh mereka

sendiri yang disandikan oleh sistem genomnya. Protein sitosol agar bisa masuk ke dalam mitokondria dan kloroplas, biasanya

mempunyai runutan sinyal penyortir di bagian ujung N-nya. Calon protein dimasukkan ke mitokondria dan kloroplas melewati

membran luar dan membran dalam sekaligus (atau secara simultan) pada situs-situs tertentu. Situs tersebut ditandai dengan

kedua lapis membran saling mendekat dan menempel sehingga tidak menyisakan ruang antar membran diantara keduanya.

Calon protein dengan sinyal penyortir untuk keduanya ditranslokasikan dalam kondisi belum melipat atau belum fungsional.

Setelah calon protein berada di bagian matriks mitokondria atau stroma klorolas, porsi runutan asam amino dari sortir signal

dipotong . Dalam hal ini ada keterlibatan protein chaperon yang mendorong molekul calon protein menembus dua lapis

membran, memotong sortir signal dan kemudian melipat ulang calon protein yang sudah masuk. Penempatan lebih lanjut di

berbagai situs di dalam organel (misalnya di dalam matriks, terikat membran dalam atau membran tilakoid membutuhkan

sortir signal yang lain. Sortir signal tersebut diketahui berfungsi setelah sortir signal yang pertama telah dipotong.

Selain mengimpor protein, mitokondria dan kloroplas juga mengimpor lemak dan menyatukannya dengan

membran-membran dalamnya. Sebagian besar fosfolipid membran berasal dari retikulum endoplasma sebagai pusat sintesis

page 7 / 21


lemak di alam sel. Fosfolipid ditranslokasikan ke mitokondria dan kloroplas secara individual dengan bantuan protein larut air

pembawa lemak. Protein ini secara tepat mengekstrak satu molekul fosfolipid dari suatu membran dan memindahkannya ke

membran yang lain. Dengan begitu, protein pembawa lemak ini menyebabkan perbedaan-perbedaan komposisi lemak dari

setiap sistem membran






page 8 / 21




Ketepatan pengiriman dari setiap jenis protein yang baru disintesis dalam sitosol ataupun yang sedang disintesis, sangatditentukan oleh runutan asam aminonya. Dalam untai polipetida bisa ditemukan runutan asam amino tertentu yang disebutdengan "sinyal pengenal" atau "sorting signal" yang mengarahkan polipeptida tersebut ke suatu organel tertentu. Sinyalpengenal berbeda-beda untuk setiap organel. Beberapa protein yang tidak dilengkapi dengan sinyal pengenal akan persistendi dalam sitosol. Keberadaan sinyal pengenal ini diungkapkan pertama kali oleh Blobel dan Sabatini tahun 1971 yang dikenalsebagaihipotesis sinyal. Dengan sangat hati-hati keduanya mengemukakan bahwa runutan asam amino berukuran pendekyang intrinsik dengan struktur suatu polipeptida merupakan sinyal yang membedakan berbagai jenis polipeptida yang adadalam sitosol apakah akan masuk ke dalam lumen RE atau tetap berada dalam sitosol. Sejak itu, ide bahwa suatu proteinmempunyai sinyal intrinsik yang menentukan lokasi akhirnya di dalam sel terbukti benar untuk beragam organel, tidak hanyauntuk RE sebagaimana awal hipotesis sinyal ditegakkan. Penghargaan Nobel tahun 1999 untuk bidang fisiologi/kedokterandiberikan ke keduanya karena dampak luar biasa dari hipotesis ini terhadap perkembangan biologi sel.









page 9 / 21












Inti Sel







page 10 / 21
















page 11 / 21



















page 12 / 21

















page 13 / 21





















setiap sistem membran.

page 14 / 21









Ketepatan pengiriman dari setiap jenis protein yang baru disintesis dalam sitosol ataupun yang sedang disintesis, sangatditentukan oleh runutan asam aminonya. Dalam untai polipetida bisa ditemukan runutan asam amino tertentu yang disebut

page 15 / 21


dengan "sinyal pengenal" atau "sorting signal" yang mengarahkan polipeptida tersebut ke suatu organel tertentu. Sinyalpengenal berbeda-beda untuk setiap organel. Beberapa protein yang tidak dilengkapi dengan sinyal pengenal akan persistendi dalam sitosol. Keberadaan sinyal pengenal ini diungkapkan pertama kali oleh Blobel dan Sabatini tahun 1971 yang dikenalsebagaihipotesis sinyal. Dengan sangat hati-hati keduanya mengemukakan bahwa runutan asam amino berukuran pendekyang intrinsik dengan struktur suatu polipeptida merupakan sinyal yang membedakan berbagai jenis polipeptida yang adadalam sitosol apakah akan masuk ke dalam lumen RE atau tetap berada dalam sitosol. Sejak itu, ide bahwa suatu proteinmempunyai sinyal intrinsik yang menentukan lokasi akhirnya di dalam sel terbukti benar untuk beragam organel, tidak hanyauntuk RE sebagaimana awal hipotesis sinyal ditegakkan. Penghargaan Nobel tahun 1999 untuk bidang fisiologi/kedokterandiberikan ke keduanya karena dampak luar biasa dari hipotesis ini terhadap perkembangan biologi sel.















page 16 / 21






Inti Sel









page 17 / 21
















page 18 / 21



















page 19 / 21















page 20 / 21





















setiap sistem membran

page 21 / 21

penyortiran protein intraselular

Documents