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 melalui mitosis maupun meiosis. Proses duplikasi organel dalam sistem endomembran tidak sekedar memperpanjang membrannya, melainkan membutuhkan pengaturan-pengaturan yang didikte oleh komposisi material yang dikandungnya. Selama sel mengalami pertumbuhan, setiap organel mengakumulasi berbagai molekul baru mengikuti fungsi normal sel. Pada saat pembelahan sel, beragam molekul yang menjadi ciri spesifik setiap organel harus didistribusikan ke setiap organel dari sel hasil pembelahan. Pada tahap anafase, selubung inti, retikulum endoplasma dan alat golgi akan pecah membentuk vesikula-vesikula kecil dan kemudian terdistribusi ke arah kutub-kutub pembelahan mengikuti pergerakan tubulus-tubukus mikro. Pada saat telofase atau setelah pelekukan membran plasma dimulai yang menandai sitokiniesis, beberapa vesikula kecil 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 berbagai molekul 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-organel endosimbion (mitokondria dan kloroplas) yang biasanya berjumlah banyak dalam setiap sel keduanya melakukan pembelahan yang 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 kompartentasi sel, baik kesetiap organel tujuannya, ke vesikula untuk disekresikan ataupun ataupun untuk menggantikan protein-protein yang secara kontinyu didegradasi. Akurasi pendistribusian protein ke setiap organel atau kompartemen sel sangat dibutuhkan agar sel mampu terus tubuh, membelah dan berfungsi dengan baik. Walaupun secara keseluruhan jenis protein yang ada dalam suatu sel mencapai ribuan jenis, mereka tersebar secara unik ke dalam setiap organel. Dengan kata lain, suatu organel bisa dicirikan oleh protein yang dikandungnya.

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

Protein yang mulai ditranslasikan oleh ribosom yang menempel ke membran RE akan menembus masuk ke dalam lumen RE yang 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 RE sambil terus ditranslasikan. Setelah translasi selesai maka beberapa jenis protein dan membran fosfolipid yang juga disintesis di dalam RE akan didistribusikan ke alat Golgi, lisosom, endosom, membran inti luar maupun membran plasma dengan cara membentukvesikula transport.

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

Ketepatan pengiriman dari setiap jenis protein yang baru disintesis dalam sitosol ataupun yang sedang disintesis, sangat ditentukan oleh runutan asam aminonya. Dalam untai polipetida  bisa ditemukan runutan asam amino tertentu yang disebut dengan “sinyal pengenal” atau “sorting signal” yang mengarahkan polipeptida tersebut ke suatu organel tertentu. Sinyal pengenal berbeda-beda untuk setiap organel. Beberapa protein yang tidak dilengkapi dengan sinyal pengenal akan persisten di dalam sitosol. Keberadaan sinyal pengenal ini diungkapkan pertama kali oleh Blobel dan Sabatini tahun 1971 yang dikenal sebagaihipotesis sinyal. Dengan sangat hati-hati keduanya mengemukakan bahwa runutan asam amino berukuran pendek yang intrinsik dengan struktur suatu polipeptida merupakan sinyal yang membedakan berbagai jenis polipeptida yang ada dalam sitosol apakah akan masuk ke dalam lumen RE atau tetap berada dalam sitosol. Sejak itu, ide bahwa suatu protein mempunyai sinyal intrinsik yang menentukan lokasi akhirnya di dalam sel terbukti benar untuk beragam organel, tidak hanya untuk RE sebagaimana awal hipotesis sinyal ditegakkan. Penghargaan Nobel tahun 1999 untuk bidang fisiologi/kedokteran diberikan 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. Segmen runutan sinyal pengenal ini kemudian akan diputus dan dipisahkan dari runutan asam amino lainnya setelah polipeptida mencapai organel yang dituju. Beberapa sinyal pengenal yang sudah dikarakterisasi dengan baik disajikan dalam Tabel dibawah ini

Fungsi runutan asam amino
impor 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 dalam lumen 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 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 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 dengankompleks 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. 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 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.

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 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.

 

No Comment

Comments are closed.