CELL SIGNALING Dwi Winarni Departemen Biologi Biologi Sel-Bio FST 4/9/2017 CELL SIGNALING Dwi Winarni Departemen Biologi Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Airlangga Surabaya

Biologi Sel-Bio FST 4/9/2017 BERDASAR KAJIAN FOSIL DIPERKIRAKAN BAHWA ORGANISME UNISELULAR ADA SEKITAR 3,5 MILYAR TAHUN YANG LALU, SEDANGKAN ORGANISME MULTISELULAR ADA SEKITAR 2,5 MILYAR TAHUN YANG LALU ? ORGANISME MULTISELULAR MEMERLUKAN WAKTU UNTUK MENGEMBANGKAN MEKANIS-ME YANG MENGATUR AGAR SEL-SEL SALING DAPAT BERKOMUNIKASI UNTUK DAPAT BER-PERAN SEBAGAI ORGANISME UTUH DENGAN PERILAKU YANG TERKOORDINASI

Biologi Sel-Bio FST 4/9/2017 PADA ORGANISME MULTISELULAR, SINYAL INTERSELULAR DIINTERPRETASI OLEH PERANGKAT KOMPLEKS YANG DIMILIKI OLEH SEL SEHINGGA TIAP SEL DAPAT MENENTUKAN POSISI DAN PERAN KHASNYA DI DALAM TUBUH ORGANISME MULTISELULAR DAN MEMASTIKAN BAHWA HASIL INTERPRETASI MERUPAKAN RESPONS YANG SESUAI TERHADAP SINYAL YANG DITERIMA KEGAGALAN SEL MENANGGAPI SINYAL DAPAT MERUGIKAN BAHKAN MEMBUNUH ORGANISME

CELL SIGNALING PADA YEAST UNTUK MATING Biologi Sel-Bio FST 4/9/2017 ORGANISME UNISELULAR MENGGUNAKAN SINYAL UNTUK MEMBERIKAN INFORMASI KEPADA INDIVIDU LAIN CELL SIGNALING PADA YEAST UNTUK MATING

CELL SIGNALING MEMUNGKINKAN TERJADINYA INTERAKSI ANTAR SEL Biologi Sel-Bio FST 4/9/2017 CELL SIGNALING MEMUNGKINKAN TERJADINYA INTERAKSI ANTAR SEL  HUBUNGAN SOSIAL SEL PERANGKAT UTAMA DALAM CELL SIGNALING MOLEKUL SINYAL PROTEIN RESEPTOR PROTEIN-PROTEIN INTRASELULAR

(signaling molecules) Biologi Sel-Bio FST 4/9/2017 protein-protein intraseluler reseptor (receptors) Sel pengirim sinyal Sel target Molekul sinyal (signaling molecules)

I’m so sorry, I have no appropriate receptors I’ll send my signals signal

Tahapan dalam cell signaling Biologi Sel-Bio FST 4/9/2017 Tahapan dalam cell signaling Reception pengenalan molekul signal oleh sel target  ikatan antara molekul sinyal (first messenger) dengan reseptor Transduction perubahan reseptor karena terikatnya molekul signal menyebabkan perubahan pada kadar protein intraselular tertentu yang umumnya dikuti oleh serangkaian perubahan lebih dari 1 protein (cascade) mengubah sinyal ekstraselular menjadi sinyal intraselular Response perubahan perilaku sel yang timbul sebagai akibat timbulnya sinyal intraselular

Tahapan dalam cell signaling Biologi Sel-Bio FST 4/9/2017 Tahapan dalam cell signaling

Biologi Sel-Bio FST Cascade reaction 4/9/2017 104mM 108mM

JALUR PENYEBAB TIMBULNYA SINYAL INTRASELULAR DAN RESPONS SEL TERHADAPNYA Ligan ekstraselular Aktivasi enzim Perubahan organisasi sitoskeleton Perubahan permeabilitas ion Aktivasi sintesis DNA Aktivasi sintesis RNA Kontak antar sel matriks ekstraselular

BERDASAR SINYAL YANG DIGUNAKAN, CELL SIGNALING DAPAT MELALUI Biologi Sel-Bio FST 4/9/2017 BERDASAR SINYAL YANG DIGUNAKAN, CELL SIGNALING DAPAT MELALUI

CELL SIGNALING PARACRINE SYNAPTIC ENDOCRINE Biologi Sel-Bio FST 4/9/2017 CELL SIGNALING by secreted molecules according to the distance between the source of signaling molecule and target cell PARACRINE SYNAPTIC ENDOCRINE

Biologi Sel-Bio FST 4/9/2017

Biologi Sel-Bio FST 4/9/2017 PARACRINE (cont..)

Biologi Sel-Bio FST 4/9/2017 PARACRINE (cont..)

Biologi Sel-Bio FST 4/9/2017

LAJU TRANSMISI INFORMASI MELALUI IMPULS 10-100 m/detik Biologi Sel-Bio FST 4/9/2017 LAJU TRANSMISI INFORMASI MELALUI IMPULS 10-100 m/detik JARAK SEL PRA KE PASCASINAPSIS < 100 NM DENGAN PROSES TRANSMISI < 1ms

JENIS NEUROTRANSMITER DAN RESEPTORNYA Biologi Sel-Bio FST 4/9/2017 JENIS NEUROTRANSMITER DAN RESEPTORNYA

Biologi Sel-Bio FST 4/9/2017 Pada hub. sinaptik, signaling molecules kadar tinggi (karena relatif tidak terencerkan oleh cairan tubuh di celah sinapsis terikat dengan reseptor dg afinitas rendah  mudah lepas dan mengalami degradasi

Beberapa jenis bahan yang bekerja pada sinaps Biologi Sel-Bio FST 4/9/2017 Beberapa jenis bahan yang bekerja pada sinaps

Biologi Sel-Bio FST 4/9/2017 C. ENDOCRINE

ACTH (adrenocorticotropic hormone) Menstimulasi korteks adrenal Biologi Sel-Bio FST 4/9/2017 Sumber Jenis hormon Peran utama dalam Adenohipofisis ACTH (adrenocorticotropic hormone) Menstimulasi korteks adrenal TSH (thyrotropic hormone) Menstimulasi tiroid FSH (follicle-stimulating hormone) Menstimulasi folikulogenesis ovarium, perkembangan tubulus seminiferus testis LH (luteinizing hormone) Menstimulasi perubahan folikel menjadi corpus luteum; menstimulasi produksi progesteron dan testosteron Prolaktin Menstimulasi produksi air susu; osmoregulasi pada ikan MSH (Melanocytes-stimulating hormone) Menstimulasi dispersi melanin pada kulit t.u. Amphibia Growth hormone Menstimulasi pertumbuhan (bekerja melalui hepar) Hipotalamus Menghasilkan releasing dan release-inhibiting hormones yang bekerja pada adenohipofisis Hormon disekresikan melalui sirkulasi portal ke adenohipofisis (melalui neurohipofisis) ADH (antidiuretic hormone) Menstimulasi reabsorbsi di ginjal Oksitosin Menstimulasi kontraksi uterus; sekresi air susu

Biologi Sel-Bio FST 4/9/2017

BERDASAR LOKASI RESEPTOR CELL SIGNALING DAPAT MELALUI Biologi Sel-Bio FST 4/9/2017 BERDASAR LOKASI RESEPTOR CELL SIGNALING DAPAT MELALUI Signaling molecules berukuran kecil atau hidrofobik RESEPTOR PADA UMUMNYA Signaling molecules hidrofilik atau berukuran cukup besar

Lama waktu keberadaannya dalam cairan darah maupun cairan jaringan Biologi Sel-Bio FST 4/9/2017 PERBEDAAN DASAR JALUR SIGNALING UNTUK SIGNALING MOLECULES HIDROFILIK DAN HIDROFOBIK adalah pada: Lama waktu keberadaannya dalam cairan darah maupun cairan jaringan Mediator lokal dan neurotransmitter didegradasi dalam hitungan detik setelah disekresi Hormon-hormon larut air  dalam hitungan menit setelah masuk sirkulasi Hormon steroid  beberapa jam Hormon tiroid  beberapa hari

CELL-SURFACE RECEPTOR Biologi Sel-Bio FST 4/9/2017 CELL-SURFACE RECEPTOR TERIKAT CHANNEL ION (ION-CHANNEL-LINKED RECEPTORS) TERIKAT PROTEIN G (G-PROTEIN-LINKED RECEPTORS) TERIKAT ENZIM (ENZYME-LINKED RECEPTORS)

RESEPTOR TERIKAT CHANNEL ION (ION CHANNEL-LINKED RECEPTORS) Biologi Sel-Bio FST 4/9/2017 RESEPTOR TERIKAT CHANNEL ION (ION CHANNEL-LINKED RECEPTORS) Transmission of an action potential across a chemical synapse at myoneural junction When an action potential depolarizes the membrane of synaptic , it trigger an influx of Ca2+ (1) that causes synaptic vesicles to fuse with the presynaptic membrane (2). The vesicles release neurotransmitter (i.e. acetylcholine) into the synaptic cleft. The binding of acetylcholine molecule to the specific receptors opens sodium ion channel, causing a sodium influx that depolarizes the postsynaptic membrane

(G-PROTEIN-LINKED RECEPTORS) Biologi Sel-Bio FST 4/9/2017 RESEPTOR TERIKAT PROTEIN G (G-PROTEIN-LINKED RECEPTORS) INTERAKSI ANTARA RESEPTOR DENGAN PROTEIN TARGET DIPERANTARAI OLEH PROTEIN-G (TRIMERIC GTP-BINDING REGULATORY PROTEIN) TARGET PROTEIN DAPAT BERUPA: Enzim  mengubah kadar satu atau lebih mediator intraselular yang dikatalisis enzim (=2nd messenger) 2. Channel Ion  mengubah permeabilitas membran plasma terhadap ion tertentu

Biologi Sel-Bio FST 4/9/2017 Target enzim

Biologi Sel-Bio FST 4/9/2017

Generalized diagram of G protein-gated ion channel: (A) Typically, the activated effector protein begins a signaling cascade which leads to the eventual opening of the ion channel. (B) The GTP-bound α-subunit in some cases can directly activate the ion channel. (C) In other cases, the activated βγ-complex of the G protein may interact with the ion channel.

BEBERAPA CONTOH MEKANISME FISIOLOGI YANG DIPERANTARAI OLEH PROTEIN-G Stimulus Reseptor Efektor Respon fisiologi Epinefrin B-adrenergik Adenylyl cyclase Pemecahan glikogen Asetilkolin Muskarinik Channel potasium Memperlambat aktivitas pacemaker Kompleks antigen Ig-E Reseptor Ig-E di permukaan sel mast Fosfolipase-C Sekresi histamin

RESEPTOR TERIKAT ENZIM (ENZYME-LINKED RECEPTORS) Biologi Sel-Bio FST 4/9/2017 RESEPTOR TERIKAT ENZIM (ENZYME-LINKED RECEPTORS) ADALAH RESEPTOR PERMUKAAN YANG SAAT TERAKTIVASI BERFUNGSI SEBAGAI ENZIM ATAU BERASOSIASI DENGAN ENZIM PADA UMUMNYA MERUPAKAN SINGLE-PASS TRANSMEMBRANE PROTEINS DENGAN TAPAK PENGIKATAN LIGAN DI LUAR DAN TAPAK KATALITIK DI DALAM DIBANDINGKAN DENGAN 2 (DUA) KELOMPOK YANG LAIN, LEBIH HETEROGEN, TETAPI KELOMPOK TERBESAR ADALAH PROTEIN KINASE ATAU YANG BERASOSIASI DENGAN PROTEIN KINASE

Biologi Sel-Bio FST 4/9/2017 PROTEIN KINASE ADALAH ENZIM YANG MEMINDAHKAN GUGUS FOSFAT KE RANTAI SAMPING ASAM AMINO SUATU PROTEIN SERINE/THREONINE KINASE (memfosforilasi protein pada serin atau treonin) TYROSINE KINASE (memfosforilasi pada tirosin) SEKITAR 1 % GEN MANUSIA MENGKODE PROTEIN KINASE, TETAPI SEL MAMALIA TUNGGAL DAPAT MENGANDUNG LEBIH DARI 100 JENIS PROTEIN KINASE  PERAN SANGAT KRUSIAL DALAM CELL SIGNALING

BEBERAPA RESPONS SEL/ JARINGAN YANG DIPERANTARAI OLEH PROTEIN KINASE C JARINGAN/ SEL RESPONS KEPING DARAH PELEPASAN SEROTONIN SEL MAST SEKRESI HISTAMIN MEDULA ADRENAL SEKRESI EPINEFRIN PANKREAS SEKRESI INSULIN SEL-SEL KELENJAR HIPOFISIS ANTERIOR SEKRESI GH DAN LH TIROID SEKRESI KALSITONIN TESTIS SINTESIS TESTOSTERON NEURON PELEPASAN DOPAMIN OTOT POLOS PENINGKATAN KONTRAKSI HEPAR HIDROLISIS GLIKOGEN JARINGAN ADIPOSA SINTESIS LIPID

CELL SIGNALING : MEMBEDAKAN SELF DAN NON SELF Biologi Sel-Bio FST 4/9/2017 CELL SIGNALING by plasma-membrane-bound molecules CELL SIGNALING : MEMBEDAKAN SELF DAN NON SELF

Cell signaling khusus Autocrine Cell signaling by gap junction 4/9/2017 Cell signaling khusus Autocrine Cell signaling by gap junction

4/9/2017

Model peran MSTN (myostatin) dalam perkembangan otot Model peran MSTN (myostatin) dalam perkembangan otot. Mekanisme autokrin diperlukan untuk membatasi jumlah serabut otot yang terbentuk sebagai respons tehadap signaling MTSN. Aksi hambatan oleh MTSN terjadi baik pada proliferasi myoblast maupun diferensiasi myocyte

NITRIC OXIDE (NO) SEBAGAI INTERCELLULAR MESSENGER

Nitric oxide (NO) meningkatkan progresivitas tumor dan metastasis (kotak hijau) melalui peningkatan angiogenesis, maturasi pembuluh dan dilatasi pembuluh darah. NO menginduksi proliferasi dan migrasi endotel vaskular, rekrutmen sel-sel yang berasal dari sumsum tulang dan perivaskular. Induksi hiperpermeabilitas vaskular oleh NO berperan dalam pembentukan matriks ekstrasel tumor, angiogenesis dan pertumbuhan tumor. Penurunan adesi lekosit dan efek sitotoksik NO dapat mengakibatkan tumor lolos dari pantauan sistem imun. Limfangiogenesis dan pemeliharaan aliran limfe (kotak biru) dapat juga berperan dalam metastasis lmfatik.

4/9/2017 SEL MEMPUNYAI KEMAMPUAN UNTUK MENANGGAPI KOMBINASI SIGNALING MOLECULES SPESIFIK

4/9/2017 SIGNALING MOLECULES YANG SAMA DAPAT MENIMBULKAN RESPONS BERBEDA JIKA JENIS SEL TARGET BERBEDA

4/9/2017

Quorum sensing

Biologi Sel-Bio FST 4/9/2017 Vibrio fischeri

Biologi Sel-Bio FST 4/9/2017

Pseudomonas aeruginosa 3OC12-AHL LasI/LasR rhlI/rhlR Organism Signaling molecule Genes involved Phenotype regulated Pseudomonas aeruginosa 3OC12-AHL LasI/LasR rhlI/rhlR External virulence factors: Alginate production, Type IV pili (twitching motility) elastase Agrobacterium tumefaciens 3-oxo(octanoyl) Homoserine lactone traI/traR Conjugal transfer of the Tj Plasmid involved in Crown Gall disease Vibrio fischeri N-(3oxyhexanoyl Homoserine lactone IuxI/IuxR Bioluminescence Vibrio harveyi N-(3-hydroxy butanoyl) Homoserine lactone LuxL, M, N, LuxR Staphylococcus aureus RNAIII-activating protein (RAP) autoinducing peptide (AIP) Toxic exoprotein

Living organisms constantly receive and interpret signals from their environment. Signals can come in the form of light, heat, water, odors, touch, or sound. Cells of multi-cellular organisms also receive signals from other cells, including signals for cell division and differentiation. The majority of cells in our bodies must constantly receive signals that keep them alive and functioning. All organisms also have signaling systems that warn of the presence of pathogens, leading to a protective response. The key concept is that the many signaling systems of biology have very similar or related steps. The same signaling system can lead to very different responses in different cells or different organisms