Kanal ion pada membran dan channelopathies Asmarinah Departemen Biologi FKUI

MEMBRAN SEL Membran sel  penting untuk kehidupan sel Membungkus sel dan membatasi sel dari lingkungan sehingga memelihara perbedaan esential antara sitoplasma dan lingkungan ekstraseluler Membungkus organel-organel sel, spt retikulum endoplasma, badan Golgi, mitokondria, dll; memelihara perbedaan karakteristiknya dengan sitoplasma. komponennya dapat bertindak sebagai: - penghasil ATP, yang digunakan untuk transport molekul- molekul melewatinya - penghasil dan penghantar sinyal elektris pada sel saraf - reseptor atau protein penerima sensor sinyal ekstraseluler

◘ 2 lapis lemak/lipid (“lipid bilayer”) Walaupun mempunyai fungsi yang berbeda-beda  membran pada sel mempunyai struktur yang umum, yaitu terdiri dari: ◘ 2 lapis lemak/lipid (“lipid bilayer”) ◘ protein .

Protein membran (protein transmembran) Bertanggung jawab terhadap banyak fungsi membran seperti sebagai reseptor, enzim, atau protein transport, dll. Jumlah dan tipe dari protein pada plasma membran  sangat bervariasi. Misalnya, pada membran mielin pada bagian axon dari sel saraf  kurang dari 25 % dari masa membran adalah protein. Pada membran yang terlibat dalam pembentukan ATP (yaitu membran bgn dalam mitokondria atau kloroplast) mengandung 70 % protein

3 Klas protein membran Protein membran integral Protein membran peripheral Lipid-anchored membrane protein B. C.

Berbagai bentuk asosiasi protein membran dengan “lipid bilayer” 1 2 3 4 5 6 7 8 5. Protein membran yang menempel pada monolayer sitoplasmik 6. Protein membran yang menempel pada monolayer nonsitoplasmik melalui ikatan oligosakarida 7 & 8. Interaksi dengan protein membran lain melalui ikatan nonkovalen α–helix tunggal multipel α–helix ß-sheet yang memutar (ß-barrel) Amphipatik α–helix terikat pada monolayer sitoplasmik

SISTEM TRANSPORT PADA MEMBRAN Transport molekul dari dan ke dalam sel melalui membran bertujuan untuk: Memasukkan komponen nutrien yang penting untuk metabolisme sel Membuang produk limbah metabolisme sel Mengatur konsentrasi ion intraseluler Protein membran memegang peranan penting dalam transport molekul pada sel  15 – 30 % protein pada sel adalah protein transport

Kanal ion

Perbandingan konsentrasi ion di dalam dan di luar sel

Kanal ion Protein pembentuk pori/kanal, yang bersifat hidrofilik Mentranfer ion  disebut kanal ion, yang selektif terhadap ion tertentu. Dapat tertutup dan kemudian terbuka (“gated”). Terbukanya kanal ion karena adanya stimulus, yang berupa: * perubahan tegangan pada membran (Voltage-gated channel) * stress mekanik (mechanically gated channel) * ikatan dengan ligan (ligand-gated channel), # karena adanya molekul mediator ekstraseluler, misalnya neurotansmitter (transmitter-gated channel) # karena adanya molekul mediator intraseluler, berupa ion (ion-gated channel) atau nukleotida (nukleotida-gated channel) -

Mekanisme proses tertutup dan terbukanya kanal ion

Macam-macam kanal ion: Voltage-gated sodium channels, + ada 9 jenis Voltage-gated calcium channels, + ada 10 jenis Potassium channels, ada 4 grup Chloride channels, + 13 jenis Cyclic nucleotide-gated channels, ada 2 grup Voltage-gated proton channels Voltage-dependent anion channels, ada 3 jenis dll

Peran Biologik Kanal Ion Penghantaran impuls pada sel syaraf melalui mekanisme sinaps  kanal ion merupakan komponen utama pada sistem syaraf Terlibat dalam berbagai proses perubahan yang cepat, spt: * kontraksi otot lurik, jantung * transport zat2 makanan * aktivasi T- cell * Pelepasan insulin dari β-cell pankreas * Reaksi akrosom pada sperma, dll Kanal ion merupakan molekul target favorit dalam pengembangan obat2an baru

Model untuk menjelaskan peranan ion dalam reaksi akrosom (Modified from Darszon et al.,1999) ZP PROG Ca2+ Cl- Na+ K+ GABA Acrosome Ca Ca2+ Em Ca2+ PKC Ca pH cAMP/PKA ATP H+ Transporter AC Gi

Kelainan genetik yang disebabkan oleh defek pada kanal ion (= Channelopathies)

Cystic fibrosis best-studies and most common inherited ion channel disorder Result from a defect in the ion (chloride) channel of epithelial cells + 1 dari 25 orang etnis kaucasia membawa (carrier) gen mutan penyebab cystic fibrosis Kira2 1 dari 2500 bayi lahir di populasi kaukasia mempunyai gen mutan homozygot  menderita cystic fibrosis Gejala: infeksi paru2 kronis dan inflamasi, sehingga fungsi paru2 rusak secara progresif

Gen yang bertanggung jawab utk cystic fibrosis (CFTR = cystic fibrosis transmembrane conductance regulator) diisolasi thn 1989 Protein CFTR ini bertindak sbg cAMP-regulated chloride channel dan juga berfungsi sbg kanal ion HCO3- Defisiensi protein CFTR menurunkan efflux ion Cl  dapat menurunkan volume cairan dipermukaan saluran pernafasan dan meningkatkan kekentalan sekresi mukus  fungsi cilia untuk “mengusir” bakteri rusak. Hal tsb meningkatkan resiko terinfeksi bakteri, spt Pseudomonas aeruginosa.

Telah ditemukan + 800 jenis mutasi pada pasien cystic fibrosis In-frame deletion Frameshift mutation Missense mutation Splicing mutation Nonsense mutation

Porin (VDAC = Voltage dependent anion channel) Porin 1, 2 dan 3 : protein pembentuk kanal (30 - 35 kDa) Struktur 3D VDAC dari Neurospora crasa (Casadio, et al., 2002) Membuka dan “menutup” kanal tergantung oleh voltase pada membran Keadaan membuka: selektivitas terhadap anion Keadaan “tertutup”: selektivitas terhadap kation

Porin (VDAC) lokalisasi membran luar mitochondria plasma membran berperan dalam apoptosis regulasi „ATP-Efflux“ Mencit jantan „VDAC3 knock-out “ penurunan motilitas sperma, infertil (Sampson et al., 2001)

Sampson et al., 2001: “VDAC3 knock-out mouse” Bg Nco Neo TK VDAC3 gene (+ 9,3 kb) > 70 % sperma motil pada wild tipe + 17 % sperma motil pada mutan (-/-)

Pasien Asthenozoospermia Penelitian Pasien Asthenozoospermia (Sperma motil < 50 %) Gen VDAC 3 & protein ??????? Gen hVDAC3 : krom 8, tdd 8 ekson, 10.148 bp Protein VDAC3 : tdd 283 asam amino

Mutations in the last 4 exons of human VDAC3 gene Sample Exon 5 Exon 6 Exon 7 Exon 8 A4 - Ile131Leu T insertion, frameshift mutation A5 A6 A7 Ile 131Leu A10 Lys173Leu A13 A14 Asp228Gly A17 Deletion A21 A23 A30 A31 Asp228Asn A32

Analisis sekuens ekson 6 gen VDAC3 Analisis sekuens produk PCR dari sperma motilitas normal Analisis sekuens produk PCR dari sperma motilitas rendah N V D I D F S G N V D L D F S G A L G Y K A A D F A L G Y E A A D F

Deduced transmembrane folding pattern of human VDAC1 (Colombini, Mol Cell Biochem, 2004) Lisin (K) menjadi asam glutamat (E) Pada VDAC3: Isoleucine (I) menjadi Leucine (L)

References: Albert et al., 2002. Molecular biology of the cell. 4th ed. 2. Karp G. 2005. Cell and Molecular Biology. 4 ed.