transportasi membran
DESCRIPTION
Biologi SelTRANSCRIPT
PENDAHULUAN 1|Sel hidup, dalam melakukan aktivitasnya melibatkan enzim-enzim. Enzim-enzim
tersebut hanya dapat bekerja pada komposisi dan keadaan intraselular yang tertentu.
Untuk dapat terus beraktivitas, sel akan memelihara kondisi internal sel ada dalam
kisaran tertentu yang sangat sempit. Pemeliharaan keadaan internal tersebut antara lain
pada pH, kadar ion-ion, banyaknya mikro dan makromolekul. Jika kondisi internal
dipelihara disekitar nilai konstan, tidak demikian halnya dengan lingkungan sel (cairan
ekstraselular). Keadaan ekstraselular senantiasa berubah, tidak selalu sama dari waktu ke
waktu.
Membran sel merupakan barrier terhadap perubahan lingkungan sekaligus
penyeleksi lalu lintas bahan dari dan ke luar sel. Membran sel dengan struktur dasar
bilayer lipid hanya permeabel terhadap bahan-bahan yang hidrofobik dan molekul-
molekul hidrofilik berkuran kecil, tetapi tidak permeabel terhadap molekul-molekul
polar berukuran cukup besar, molekul-molekul kompleks dan ion-ion. Molekul-molekul
polar berukuran cukup besar, molekul-molekul kompleks dan ion-ion dapat melintas
membran melalui protein membran yang membentuk saluran (protein channel) atau
menggunakan protein carrier.
Perpindahan ion-ion dan sifat permeabilitas membran yang berbeda-beda
mengakibatkan distribusi muatan antara bagian luar dan bagian dalam membran.
Perbedaan distribusi muatan menimbulkan beda potensial antara bagian dalam dan luar
membran.
Stimulus tertentu dapat mengakibatkan perubahan potensial membran. Perubahan
potensial membran dapat menjadi stimulus bagi protein channel tertentu sehingga
permeabilitas membran terhadap ion tertentu meningkat. Peningkatan permeabilitas
membran tersebut akan mengakibatkan laju ion tertentu tersebut melintas membran
meningkat. Perpindahan ini akan mengubah beda potensial membran. Jika perpindahan
ion tersebut mengakibatkan depolarisasi membran hingga nilai potensial tertentu, akan
menimbulkan lonjakan potensial yang kemudian kembali ke potensial awal, yang disebut
potensial aksi. Pada sel saraf (neuron), potensial aksi dapat dijalarkan, sehingga stimulus
yang diberikan, merupakan informasi yang dapat ditransmisikan dari organ sensorik
(penerima stimulus) ke sistem saraf pusat (untuk diintegrasikan) dan kemudian ke
organ/jaringan sasaran sehingga timbul respons individu terhadap stimulus tersebut.
Tujuan:
1. Mengetahui macam-macam cara transport melewati membran.
2. Mengetahui mekanisme berbagai cara transport melewati membran.
Rumusan masalah:
1. Apakah membran itu?
2. Apa saja cara transport molekul melalui membran sel?
3. Bagaimana mekanisme transport molekul melalui membran sel?
MEMBRAN SEL DAN TRANSPOR LINTAS MEMBRAN 2|Kehidupan sel tergantung pada organisasi molekul di dalam sel. Adanya gangguan
pada kadar molekul-molekul tertentu di dalam sel atau kehadiran bahan yang tidak
sesuai dapat menyebabkan terganggunya aktivitas sel bahkan kematian sel. Kadar
molekul dan ion dipelihara dalam jenis dan jumlah tertentu oleh membran sel, yang
mengatur semua bahan yang masuk dan keluar sel dan antar kompartemen interior yang
berbatas membran (antara lain: retikulum endoplasma, aparatus Golgi, lisosom,
membran inti dan mitokondria).
Sebagai bagian dari pemeliharaan, secara konstan bahan-bahan masuk dan keluar sel
melalui membran sel. Metabolit, termasuk bahan bakar, masuk ke dalam sel, dan bahan
sisa dan produk sel yang disekresikan ke luar sel. Ion-ion mengalir secara konstan ke
kedua arah dan antara kompartemen yang berbeda di dalam sel.
2.1. Struktur Membran Sel
Membran sel menyelubungi sel, memisahkan sel (intraselular) dengan
lingkungannya (ekstraselular). Membran sel merupakan barrier antara intraselular dan
ekstraselular. Semua membran biologis, termasuk membran sel dan membran
kompartemen interior sel Eukariotik mempunyai struktur umum sama, tersusun atas
molekul-molekul lipid dan protein yang umumnya berinteraksi secara nonkovalen.
Membran sel –berdasar fluid mozaic model merupakan struktur dinamis, berstruktur
fluida, dan molekul-molekul protein dan lipid umumnya yang dapat berpindah dari satu
tempat ke tempat lain sepanjang membran. Struktur umum membran sel –berdasar fluid
mozaic model-terlihat pada Gambar 1.
Gambar 1. Struktur membran menurut fluid mozaic model
Bilayer lipid merupakan struktur dasar membran, tersusun terutama atas fosfolipid
dan sebagian kecil kolesterol dan glikolipid. Tiap molekul fosfolipid mempunyai bagian
kepala (head) yang bersifat polar, hidrofilik dan bagian ekor (tail) yang bersifat
nonpolar, hidrofobik. Bagian polar menghadap langsung dengan ekstraselular dan
intraselular, yang terutama tersusun atas air, sedangkan bagian hidrofobik berada di
bagian tengah membran. Dengan struktur fosfolipid yang demikian, menyebabkan sel
tertutup membran, dan mudah menutup kembali jika terjadi kerusakan kecil.
Kolesterol menyusun sekitar 20% lipid membran sel, fungsinya menstabilkan ikatan
antar fosfolipid. Bagian dalam dan luar membran berbeda pada kandungan lipid khasnya.
Sekitar 10% fosfolipid yang menghadap ke ekstraselular merupakan glikolipid.-lipid
yang berikatan dengan gugus gula. Adanya gugus gula menyebabkan ujung glikolipid
bersifat polar. Istilah glikokaliks menunjuk pada bagian permukaan luar membran sel
yang kaya gugus gula (glikokaliks=sugar covering). Bagian glikokaliks berperan dalam
pengenalan antar sel, karena tiap-tiap jenis sel memiliki glikokaliks khas (sebagai
contoh, sperma mengenal sel telur karena sel telur mempunyai glikokaliks khas).
Protein yang menyusun membran tersusun seperti mozaik (Gambar 1). Protein
membran sel dapat dibedakan menjadi protein integral dan protein periferal. Protein
integral terbenam dalam bilayer lipid, dan beberapa diantaranya hanya tersisip pada satu
permukaan membran, dengan satu ujung menghadap ke ekstraselular atau intraselular,
tetapi yang terbanyak adalah yang merupakan protein transmembran menyisip mulai
bagian yang menghadap ekstraselular sampai intraselular (Gambar 1).
Protein integral mempunyai bagian yang hidrofilik, dan hidrofobik. Bagian
hidrofobik diperlukan saat melintasi bagian tengah membran yang hidrofobik.
Sedangkan protein periferal , tidak terbenam pada bilayer lipid, tetapi hanya berikatan
longgar pada permukaan protein integral atau lipid pada bagian membran yang
menghadap ekstraselular atau intraselular.
Gambar 2. Hubungan antar sel (cell junctions) yaitu tight junctions, desmosomes dan gap junctions, yang diperankan oleh protein transmembran. Pada tight junction, sebagian protein transmembran pada dua sel yang berhubungan berfusi, impermeabel bagi transpor molekul. Desmosome merupakan hubungan mekanik
antar sel. Gap junction menghubungkan satu sel dengan sel yang lain melalui protein yang membentuk silinder, sehingga memungkinkan transpor molekul-molekul berukuran kecil melintas.
Protein membran dapat berperan dalam reaksi enzimatik, yang merupakan bagian
dari tahap-tahap berantai reaksi metabolisme sel. Protein yang permukaannya hanya
menghadap ke ekstraselular berfungsi sebagai reseptor hormon atau duta kimia
(chemical messenger) yang lain dan berperan dalam mengirim isyarat dari luar sel ke
intraselular (proses pengiriman ini disebut dengan signal transduction). Sedangkan
protein transmembran dapat berperan dalam membentuk hubungan antar sel (cell
junction) (Gambar 2), atau transpor molekul berukuran kecil. Protein transmembran
yang berperan dalam transpor adalah protein channel dan protein carrier. Protein
transpor dapat tersusun oleh satu atau lebih protein integral. Pada protein channel,
protein penyusunnya membentuk terusan/saluran yang menghubungkan ekstraselular dan
intraselular yang memungkinkan molekul-molekul dapat melintas dari dan ke
ekstraselular (Gambar 4). Saluran-saluran tersebut ada yang selalu terbuka (leak
channels) dan ada yang membuka hanya jika ada stimulus tertentu (gated channels). Jika
gated channels terbuka sebagai tanggapan atas agen tertentu- suatu ligan- disebut dengan
ligand-gated channels, jika terbuka sebagai tanggapan atas perubahan potensial
membran disebut sebagai voltage- gated channels. Voltage-gated channel dapat
menutup segera setelah terbuka, bahkan saat stimulus yang mampu membukanya masih
ada. Protein carrier dapat memindahkan ion/molekul tertentu dengan memanfaatkan
perubahan konformasi protein.
2.2. Transpor Lintas Membran
Tidak semua bahan yang berpindah dari dan ke intraselular tergantung pada
transpor langsung melalui membran sel. Beberapa bahan, terutama molekul besar atau
molekul kompleks berpindah melalui pembentukan vesikula atau fusi membran plasma.
Perpindahan demikian, ke dalam sel disebut endositosis, sedangkan perpindahan ke luar
disebut eksositosis. Eksositosis dan endositosis tidak dibahas dalam bahan ajar ini.
Ion-ion dan molekul kecil dapat masuk dan ke luar sel melalui dua cara, yaitu
transpor pasif dan transpor aktif. Transpor pasif tergantung pada gradien kadar antara
intraselular dan ekstraselular. Jika suatu molekul lebih tinggi kadarnya di dalam sel,
maka arah transpor ke luar sel. Transpor pasif ion-ion selain dipengaruhi kadar, juga
dipengaruhi perbedaan muatan antara kedua sisi membran (gradien elektrokimia).
Karena tergantung gradien kadar, transpor pasif tidak memerlukan energi. Pada transpor
aktif, bahan-bahan berpindah melawan gradien kadar. Tak sama dengan transpor pasif,
transpor aktif memerlukan energi. Transpor aktif tak akan terjadi tanpa tersedianya
energi dalam sel.
Sifat hidrofobik pada interior membran sel hanya memungkinkan beberapa
kelompok molekul dengan mudah dapat melintas membran yaitu molekul-molekul yang
hidrofobik, dan molekul-molekul polar berukuran kecil tak bermuatan. Molekul-molekul
polar berukuran besar dan ion –seberapapun ukurannya-tidak dapat melintas membran
tanpa adanya bantuan protein membran (Gambar 3). Transpor lintas membran tanpa
bantuan protein membran, hanya tergantung pada gradien kadar disebut dengan difusi
biasa/ simple diffusion (merupakan transpor pasif), sedangkan jika dengan bantuan
protein membran dan tergantung gradien kadar (pasif) disebut dengan difusi terfasilitasi
(facilitated diffusion). Transpor aktif memerlukan bantuan protein membran (protein
carrier) dan energi, karena melawan gradien kadar (Gambar 4). Perubahan konformasi
protein carrier akan memindahkan ion/molekul dari satu sisi ke sisi lain membran.
Jenis ion Akson cumi Mamalia
Sel (intraselular)
Darah(ekstraselular)
Sel (intraselular)
Darah(ekstraselular)
K+ (mM) Na+(mM) CL- (mM) Ca2+ (mM)
40050
40-1500,0003
2044056010
139124
<0,0002
41451161,8
Tabel 1. Kadar beberapa jenis ion di dalam dan di luar akson cumi dan sel mamalia
Kadar ion-ion dan molekul intraselular tidak selalu sama dengan ekstraselular.
Kadar ion potasium (K+) cairan intraselular dipertahankan lebih besar dibanding
kadarnya dalam cairan ekstraselular. Sedangkan kadar ion sodium (Na+), klorida (Cl-),
dan kalsium (Ca2+) lebih tinggi di cairan ekstraselular. Dengan keadaan tersebut ion
potasium cenderung ke luar sel dan ion sodium (juga ion klorida dan kalsium) cenderung
masuk ke sel melalui protein channel (pasif).
Gambar 3. Permeabilitas relatif bilayer lipid artifisial (tanpa protein) terhadap berbagai kelompok molekul. Semakin kecil ukuran molekul, semakin cepat berdifusi melintas bilayer. Ion-ion tidak dapat melintas bilayer lipid
Gambar 4. Diagram skematik transpor pasif dan aktif. Difusi biasa (simple diffusion) dan difusi terfasilitasi (facilitated diffusion) merupakan transpor pasif, tidak memerlukan energi. Sedangkan transpor aktif memerlukan energi
Gambar 5. Perbandingan kinetika difusi biasa dengan difusi terfasilitasi
Untuk mempertahankan kadar ion potasium tetap tinggi dan pada kisaran kadar
tertentu di intraselular dan sodium tetap tinggi di ekstraselular, protein membran Na+K+-
ATPase (sodium potassium ATPase/ sodium potassium pump) mengkatalisis ATP
(adenosin triphosphate) menjadi ADP (adenosin diphosphate), dijadikan sumber energi
mengeluarkan kelebihan ion sodium ke ekstraselular dan mengambil kekurangan
potasium dari ekstraselular ke intraselular secara aktif karena melawan gradien
elektrokimia. Tiap mentranspor 3 Na+ ke luar sel, pompa sodium memasukkan 2 K+ ke
dalam sel.
Ukuran partikel mempengaruhi perpindahan ion melintasi membran, dan harus
diingat bahwa ion-ion dalam cairan tubuh ada dalam keadaan terhidrasi. Jadi, meskipun
berat atom potasium (39) lebih besar dari sodium (23), tetapi ion sodium terhidrasi lebih
besar dari ion potasium terhidrasi. Namun jelas bahwa ion dapat melintas membran
melalui channel dan bukan hanya melalui pori sederhana. Konfigurasi muatan di
sekitarnya dan variabel-variabel yang mempengaruhinya mengakibatkan channel
tersebut relatif spesifik, sehingga ada channel terpisah untuk Na + , Cl- dan K+.
Fenomena transpor ion-ion melintas membran dan upaya pemeliharaan kadar ion-
ion tertentu di dalam sel berbeda dengan di luar sel, mengakibatkan perbedaan distribusi
muatan antara bagian dalam membran yang berbatasan dengan cairan intraselular dan
bagian luar yang berhadapan dengan cairan ekstraselular. Besarnya beda potensial
membran dapat diukur dengan jalan menyisipkan satu elektroda di dalam sel dan satu
elektroda di luar sel dan menghubungkannya dengan recorder.
KESIMPULAN 3|
(1) Membran sel memelihara kondisi intraselular pada kisaran tertentu yang tidak selalu
sama dengan komposisi cairan ekstrasel dengan jalan mengatur keluar masuknya
bahan/molekul-molekul/ ion-ion.
(2) Potensial membran istirahat dipelihara tetap pada nilai tertentu oleh adanya protein
integral yang disebut Na+K+ATP-ase yang dapat membuang kelebihan ion sodium
keluar dan mengambil potasium ke dalam sel secara aktif.
DAFTAR PUSTAKA
Albert, Bruce, Dennis Bray.Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, James D. Watson. 1994. Molecular Biology of The Cell. New York: Garland Publishing, Inc.
Ganong, W.F. 2001. Review of Medical Physiology. 18 th. ed. Prentice Hall Inc.
Schmidt Nielsen, Knut. 1991. Animal Physiology: Adaptation and Environment. 4th. ed. Cambridge University Press
Wolfe, Stephen L. 1993. Molecular and Cellular Biology. California : Wadsworth Publishing Company.
-----.2005. The Action Potential Sending Information: Theory and Reality. http:/www.isr.syr.edu/den/course/neu211/lecture_notes/lec04.html. downloaded Feb,14th,2005
-----. 2005. EFB325 Cell Physiology: Ion Channels and The Nervous System. File://bio2/D/htm. downloaded Feb,14th,2005
-----. 2005. Nervous System. http:/www.bioweb.uncc.edu/humanphys/resting.htm. downloaded Feb,14th,2005
-----. 2005. Resting Potential. http:/distance.stcc.edu/A and P /AP/AP1 pages/nervssys/unit 10/resting.htm. downloaded Feb,14th,2005
-----. 2005. Voltage Gated Sodium Channels. http:/courses.washington. edu/conj/membrane/nachan.htm. downloaded Feb,14th,2005