biologi sel dan molekul

PERGERAKAN SENYAWA MELEWATI MEMBRAN SEL

Karena kandungan sel sepenuhnya dibungkus oleh membran plasmanya, maka semua komunikasi antar sel dengan medium ekstraseluler harus dimediasi oleh membran sel. Dalam hal ini, membrane plasma memiliki peran ganda. Di satu pihak harus mempertahankan material yang terlarut di dalam sel tidak mudah keluar ke lingkungan, di pihak lain harus memungkinkan pertukaran material yang dibutuhkan masuk atau keluar sel. Lapisan lemak ganda telah sangat ideal untuk mencegah kehilangan senyawa yang bermuatan dan bersifat polar dari sebuah sel, termasuk, ion-ion, gula dan asam amino. Tetapi sel bergantung pada pertukaran material melewati membrane plasmanya, sehingga beberapa provision harus dibuat untuk mengatur pergerakan nutrient, gas respiratori, hormone, produk buangan, dan komponen lainnya, masuk dan keluar sel. Ada dua cara utama pergerakan senyawa melewati membrane, yaitu: secara pasif dengan cara difusi atau secara aktif dengan proses transport yang membutuhkan-energi.

            Beberapa proses pergerakan senyawa melewati membrane:

·      Difusi sederhana melewati lapis ganda lemak

·      Difusi sederhana melewati kanal protein yang bersifat aquous,

·      Difusi terfasilitasi

·      Transpor aktif

Transpor Membran bergantung pada:

·      Struktur Membran

·      Struktur dan karakteristik ion dan molekul

·      Perbedaan konsentrasi ion dan molekul

Difusi senyawa melewati membrane

            Dua syarat yang harus dipenuhi agar senyawa non elektrolit dapat berdifusi secara pasif ke dalam sel melewati membrane plasma:

<  Konsentrasi senyawa di luar sel lebih tinggi daripada di dalam sel, dan

<  Membran harus permeable terhadap senyawa tersebut

Membran permeable terhadap senyawa yang (1) dapat dengan mudah melewati lapis ganda lemak atau (2) dapat melewati pori akuous yang menembus membrane dan mencegah senyawa berkontak dengan lapis ganda lemak.

Pada difusi pasif, factor yang menentukan adalah polaritas senyawa, yang dapat dilihat dari koefisien partisi senyawa yang merupakan rasio antara kelarutan senyawa dalam pelarut nonpolar dengan kelarutannya  di dalam air.

Faktor lain adalah ukuran partikel senyawa. Jika dua molekul memiliki koefisien partisi yang sama, molekul yang lebih kecil cenderung berpenetrasi ke dalam lapis ganda membrane lebih cepat daripada molekul yang lebih besar.

Molekul-molekul yang sangat kecil dan tidak bermuatan akan melewati membrane dengan sangat cepat. Sehingga, membrane sangat permeable terhadap molekul anorganik, seperti O2, CO2, NO dan H2O, yang lolos diantara posfolipid yang berdekatan.

Sebaliknya, molekul besar dan polar, seperti gula, asam amino dan intermediate yang yang terposforilasi, menunjukkan kemampuan berpenetrasi yang kecil.  Berarti, lapis ganda lemak memberikan barier yang efektif untuk mempertahankan agar metabolit yang esensial tersebut tidak keluar sel.

Karena tidak dapat berdifusi secara sederhana, maka tersedia mekanisme khusus agar molekul tersebut dapat berpenetrasi ke dalam membrane plasma.

  

Berikut ini adalah cara-cara suatu senyawa melewati lapis ganda lemak:

<  TRANSPOR PASIF

n       Difusi Pasif

·      Proses Transpor yang paling  sederhana

·      Bergantung pada gradient konsentrasi

·      Secara proporsional ditentukan oleh kelarutan dalam lipid dan koefisien difusion

n  Difusi  terfasilitasi

·         Bergantung pada gradient elektrokimia

·         Menggunakan   transporter spesifik

·         Saturable process (proses yang dapat terjenuhkan)

·         Tahapan

o   recognition

o   translokasi

o   release

o   recovery

<  ACTIVE TRANSPORT

o   Primary active transport

o   Secondary active transport

<  PRIMARY ACTIVE TRANSPORT (ATP–DRIVEN)

o   Na+–K+ pump (Na+–K+ATPase)

o   H+ pump

<  SECONDARY ACTIVE TRANSPORT (ION GRADIENT–DRIVEN)

o   Na+ – glucose transporter

o   ADP–ATP transporter

o   Lactose permease

Difusi air melewati membrane

Molekul air bergerak lebih cepat melewati membrane daripada ion terlarut atau solute berukuran kecil.

Air mudah berpindah melewati membrane semipermeabel dari bagian yang konsentrasi solutnya rendah ke bagian yang konsentrasi solutnya tinggi. Proses ini disebut osmosis.

Jika 2 kompartemen yang memiliki konsentrasi solute yang berbeda dipisahkan oleh membrane semipermeabel, kompartemen dengan konsentrasi solute lebih tinggi disebut hipertonik (atau hiperosmotik) terhadap kompartemen dengan konsentrasi solute lebih rendah, yang biasa disebut hipotonik (hipoosmotik).

Jika sel dimasukkan ke dalam larutan hipotonik, sel dengan cepat mengambil air secara osmosis dan menjadi mengembang. Sebaliknya, jika sel dimasukkan ke dalam larutan hipertonik, sel dengan cepat kehilangan air secara osmosis dan menjadi mengkerut.

Osmosis sangat penting bagi fungsi tubuh.

Saluran pencernaan misalnya,mensekresikan beberapa liter cairan perhari, yang direabsorbsi secara osmotik oleh sel yang melapisi intestinal. Jika cairan ini tidak direabsorbsi, seperti yang terjadi pada diare parah, maka akan terjadi dehidrasi yang sangat cepat.

Tanaman menggunakan osmosis dengan cara berbeda. Tidak seperti sel hewan yang umumnya isotonik dengan medium dimana dia berada, sel tanaman biasanya hipertonik dibandingkan dengan cairan di lingkungan. Hasilnya, ada kecenderungan air memasuki sel, menyebabkan peningkatan tekanan turgor. Jika sel tanaman ditempatkan di dalam medium hipertonik, volumenya akan menciut karena membran plasma bergerak ke dalam menjauhi dinding sel, suatu proses yang dikenal dengan plasmolisis. Tekanan turgor memberikan sokongan kepada tanaman-tidak-berkayu  dan untuk bagian tanaman-tidak-berkayu misalnya daun. Kehilangan air akibat osmosis menyebabkan tanaman kehilangan sokongannya dan akan menjadi layu.

Meskipun air berdifusi dengan cepat melewati lapis ganda lemak, beberapa sel mengandung kanal berupa-protein, yang disebut akuaporin, yang memungkinkan pergerakan pasif air dari satu bagian ke bagian lainnya. Akuaporin menyolok di dalam sel tertentu misalnya pada tubula ginjal dan akar tanaman, dimana lewatnya air memainkan peranan penting dalam aktivitas fisiologis jaringan. Hormon vasopresin, yang menstimulasi retensi air di ginjal, bekerja melalui kanal ini. Saat level vasopresin meningkat, kanal akuaporin yang mulanya bertempat di dalam sitoplasma sel tubula ginjal akan keluar ke membran plasma dan mereabsorbsi air dari urin yang terbentuk.

Beberapa kasus gangguan inherediter nephrogenic diabetes insipidus terjadi karena mutasi kanal akuaporin. Penderita akan mengeluarkan urin dalam jumlah besar karena ginjal tidak lagi memberikan respon kepada vasopresin.

  

Difusi Terfasilitasi

Senyawa selalu berdifusi melewati membrane dari satu bagian yang konsentrasinya lebih tinggi ke bagian lain yang lebih rendah, tetapi difusi tidak selalu terjadi melalui lapis ganda lemak atau kanal terbuka. Sejumlah senyawa harus berikatan secara selektif dengan protein membrane terlebih dahulu, yaitu transporter fasilitatif, yang membantu proses difusi. Pengikatan solute pada transporter fasilitatif di salah satu sisi membrane akan menyebabkan perubahan konformasi protein dan melepaskan kembali solute di sisi lain membrane.

Istilah transporter fasilitatif digunakan di sini untuk membedakan protein transporter aktif, yang aktivitasnya terangkai dengan proses pelepasan energi. Secara teknik, istilah “transporter” digunakan hanya untuk protein membrane yang hanya dapat mengikat solute dari satu sisi membrane pada satu waktu dan perubahan konformasi adalah mekanisme kerja pergerakan senyawa melewati membrane. Definisi ini membedakan transporter dengan kanal yang jika terbuka dapat mengikat solute dari sisi lain membrane pada waktu yang sama.

Karena bekerja secara pasif, tanpa terkait dengan system pelepasan energi, transporter terfasilitasi dapat memediasi pergerakan solute sama baiknya di kedua arah. Arah pergerakan bergantung sepenuhnya pada konsentrasi relative senyawa pada kedua sisi membrane.

Seperti enzim, transporter fasilitatif sangat spesifik untuk molekul yang diangkut, misalnya antara stereoisomer D dan L. Selain itu, transporter juga menunjukkan kinetic tipe-terjenuhkan. Tidak seperti kanal ion, yang dapat menghantar jutaan ion per detik, kebanyakan transporter fasilitatif hanya dapat melewatkan ratusan sampai ribuan molekul solute per detik melewati membrane.

Difusi terfasilitasi penting untuk mengangkut masuk dan keluarnya solute polar, misalnya gula dan asam amino, yang tidak dapat melewati lapis ganda lemak.

Transporter glukosa adalah contoh difusi  terfasilitasi. Gradien yang mendukung difusi glukosa masuk ke dalam sel dipertahankan oleh posforilasi gula setelah gula masuk ke sitoplasma, sehingga menurunkan konsentrasi glukosa intraseluler.

Manusia, dan mamalia lain yang telah diteliti memiliki paling sedikit lima protein yang berperan pada transporter glukosa (dikenal dengan isoform). Isoform, diistilahkan dengan GLUT1 sampai GLUT5, dibedakan oleh jaringan tempat transporter berada.

Insulin adalah hormone yang dihasilkan oleh sel endokrin pancreas yang memiliki peranan kunci dalam mempertahankan kadar gula darah. Peningkatan kadar glukosa darah memicu sekresi insulin, yang menstimulasi asupan glukosa ke berbagai sel target, terutama otot rangka dan sel lemak (adipose). Sel yang responsive-insulin bekerjasama dengan isoform lazim pada transporter fakultatif glukosa, yaitu GLUT4. Jika level  insulin rendah, sel-sel ini mengandung transporter relative sedikit pada permukaannya. Malahan, transporter terdapat pada membrane vesikel sitoplasmik. Jika level insulin meningkat sebagai respon peningkatan level glukosa darah, hormone bekerja pada sel target untuk menstimulasi translokasi vesikel dari sitoplasma menuju permukaan sel, dimana transporter akan dilebur ke dalam membrane plasma dan mentranspor glukosa masuk ke dalam sel.

 

Diabetes mellitus disebabkan oleh gangguan pada aktivitas insulin. Pada orang yang menunjukkan penyakit diabetes tipe I, penyebabnya biasanya kekurangan produksi insulin akibat kerusakan pada sel yang memproduksi insulin. Sebaliknya, orang yang menderita diabetes tipe II biasanya memiliki level insulin normal, tetapi sel targetnya kurang respon terhadap hormone insulin tersebut. Masalah ini timbul akibat kurangnya reseptor insulin atau defisiensi GLUT4 transporter.

Transpor aktif

Normalnya, konsentrasi K⁺ di dalam sel adalah sekitar 100 mM, sedangkan di luar sel hanya 5 mM. Konsekuensinya, gradien konsentrasi yang tingggi akan mendukung difusi K⁺ keluar sel.

Ion natrium juga terdistribusi tidak seimbang, Konsentrasi ion Na⁺ di luar sel adalah sekitar 150 mM dan 10-20 mM di dalam sel. Perbedaan Konsentrasi ion Ca²⁺ bahkan lebih besar, yaitu konsentrasi di dalam sel 10^-7 M yang 1000-10000 kali lebih kecil dibandingkan di luar sel.

Kemampuan sel menghasilkan beberapa gradien konsentrasi tinggi melewati membrannya tidak terjadi secara difusi sederhana atau terfasilitasi. Tetapi gradien ini harus dihasilkan oleh transpor aktif.

Seperti difusi terfasilitasi, transport aktif bergantung pada protein integral yang secara selektif mengikat senyawa tertentu dan menggerakkannya melewati membrane melalui proses yang diawali dengan perubahan konformasi protein. Tetapi, pergerakan senyawa yang melawan gradient membutuhkan input energi. Konsekuensinya, pergerakan endergonik ion atau senyawa lain akan terangkai dengan proses eksergonik, misalnya hidrolisis ATP, penyerapan cahaya, transport electron, atau aliran senyawa lain yang menurunkan gradient.

Tidak seperti transporter pada difusi terfasilitasi yang membawa senyawa sama baiknya keluar atau masuk sel, transport aktif membawa ion hanya pada satu arah.

Rasio Na⁺/K⁺ yang dipompa oleh Na⁺/K⁺-ATPase adalah 3:2, berarti untuk setiap ATP yang terhidrolisis, tiga ion Na+ dipompa keluar dan dua ion K+ dipompa masuk. Karena rasio pemompaan ini, Na⁺/K⁺-ATPase adalah elektrogenik, yang berarti bahwa pompa berkontribusi langsung pada pemisahan muatan melewati membran.

Na⁺/K⁺-ATPase adalah salah satu contoh pompa ion tipe-P.

Tipe-P berarti posforilasi, yang berarti selama siklus pemompaan, hidrolisis ATP menyebabkan pindahnya satu gugus posfat ke salah satu asam amino protein transport, yang menyebabkan perubahan konformasi protein. Perubahan konformasi perlu untuk mengubah afinitas protein terhadap kedua kation yang ditranspor.

Skema siklus pemompaan Na⁺/K⁺ terlihat pada skema berikut ini:

Sistem transport ion lain

Pompa Na⁺/K⁺ hanya ditemui pada sel animalia. Protein ini sangat penting dalam mempertahankan volume sel dan sebagai mekanisme untuk menghasilkan gradien Na⁺ dan K⁺ yang tinggi yang penting pada pembentukan impuls dalam sel saraf dan otot.

Sel tanaman memiliki transporting-H⁺, tergolong juga dalam pompa membrane plasma tipe-P. Pada tanaman, pompa proton ini berperan penting pada transport sekunder senyawa, pengontrolan pH sitosol, dan mengontrol pertumbuhan sel melalui asidifikasi dinding sel tumbuhan.

Pompa tipe-P lainnya adalah pompa Ca²⁺-ATPase yang ada pada membrane plasma dan membrane reticulum endoplasma. Pompa Ca²⁺ ini berfungsi untuk mengangkut ion kalsium secara aktif keluar dari sitosol menuju ruang ekstraseluler atau lumen reticulum endoplasma.

Sel-sel epitel lambung juga mengandung pompa tipe-P, yaitu H⁺/K⁺-ATPase yang mensekresi asam pekat (sampai 0,16N HCl) ke dalam lambung. Pada fase istirahat pompa ini terletak pada sel parietal lambung dan nonfungsional. Jika makanan masuk ke dalam lambung, pesan hormonal disampaikan ke sel parietal yang menyebabkan membrane yang mengandung pompa bergerak ke permukaan sel, dimana pompa akan melakukan fusi dengan membrane plasma dan mensekresi asam. Disamping berperan pada pencernaan, asam lambung berlebih menyebabkan heartburn. Obat yang dapat memblok heartburn tidak menghambat H⁺/K⁺-ATPase secara langsung, tetapi memblok reseptor pada permukaan sel parietal sehingga menghentikan aktivasi oleh hormone.

Tidak seperti pompa tipe-P, pompa tipe-V menggunakan energi ATP tanpa pembentukan protein intermediate terposforilasi. Pompa tipe-V mentranspor ion hydrogen secara aktif melewati dinding sitoplasmik organel dan vakuola (sehingga disebut tipe-V). Pompa tipe-P terdapat dalam membrane yang menutupi lisosom, granul sekretori, dan vakuola sel tanaman. Pompa tipe-V dalam membrane plasma tubula ginjal membantu mempertahankan kesetimbangan asam basa dengan mensekresi proton pada pembentukan urin.

   

Kotranspor: Transpor aktif yang terangkai untuk mempertahankan gradient ion

 

n  Membrane proteins co-transport two solutes by coupling the downhill diffusion of one solute with the uphill diffusion of the other

Kotransporter disebut juga : Secondary Active Transport (transport aktif sekunder):

Yaitu suatu mekanisme transport yang memperoleh energi secara tidak langsung dari pengeluaran energi metabolic sel.

Mempertahankan gradien konsentrasi seperti pada Na⁺, K⁺ dan H⁺, memberikan suatu jalan agar energi bebas dapat disimpan di dalam sel. Energi potensial yang tersimpan dalam gradient ion digunakan oleh sel untuk berbagai keperluan, termasuk mentransport molekul lainnya.

Contohnya adalah energi bebas dari gradient konsentrasi sebuah solute (yang ditimbulkan oleh transport aktif dan pelepasan energi metabolic) yang digunakan sebagai sumber energi untuk transport molekul kedua.

Pada intestinal:

Di lumen, enzim akan menghidrolisis polisakarida yang mempunyai BM tinggi menjadi gula sederhana, yang bergerak melewati membran sel epitelial yang terletak di sepanjang intestin menuju pembuluh darah.

Pergerakan glukosa melewati apical membrane plasma harus melawan gradient konsentrasi dengan cara kotranspor dengan ion natrium. Konsentrasi ion Na+ dipertahankan agar tetap sangat rendah di dalam sel dengan mekanisme system transport aktif primer (Na⁺/K⁺-ATPase), yang terletak pada basal dan lateral membrane plasma, yang memompa ion Na+ melawan gradient konsentrasi.

Kecenderungan ion Na+ berdifusi kembali melewati membrane yang akan menurunkan gradient konsentrasi ini dipakai oleh sel epitel untuk menggerakkan kotranspor molekul glukosa ke dalam sel melawan gradient konsentrasi. Dalam hal ini glukosa diangkut dengan transport aktif sekunder.

Protein transport yang disebut Na+/glukosa kotransporter, mengikat 2 ion Na+ dan satu molekul glukosa pada permukaan luar apical membrane plasma. Jika ion Na+ dilepas ke dalam sel yang konsentrasi Na+nya lebih rendah, konformasi protein diubah sehingga menjadi hilang afinitasnya terhadap glukosa yang akan dilepas ke dalam sel.