15. Komunikasi antar sel

15.1 Elemen dasar sistem sinyal sel 15.2 Molekul sinyal ekstraseluler dan reseptornya 15.3 Reseptor yang berpasangan dengan Protein G 15.4 Fosforilasi tirosin protein 15.5 Peranan Ca 15.6 Interaksi antar jalur sinyal 15.7 Peranan NO 15.8 Apoptosis

15.1 Elemen dasar sistem sinyal sel

Molekul sinyal Autokrin Parakrin Endokrin Sel mempunyai reseptor bagi molekul sinyal yang disekresinya Parakrin Molekul sinyal terikat reseptor pada sel-sel di sekitar sel yang mensekresinya Endokrin Molekul sinyal terikat reseptor pada sel-sel yang jauh dari sel yang mensekresinya Figure 15-4 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

Jalur sinyal Transduksi sinyal Proses dimana informasi yang dibawa molekul sinyal dari luar sel menyebabkan perubahan di dalam sel Figure 15-1 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

Terminasi sinyal Molekul sinyal didegradasi oleh enzim ektraseluler Reseptor bersama ligannya didegradasi Reseptor terpisah dari ligan di dalam endosom Reseptor kembali ke permukaan sel Ligan didegradasi

15.2 Molekul sinyal ekstraseluler dan reseptornya

Macam-macam molekul sinyal Asam amino atau derivat asam amino Gas: NO, CO Steroid Berasal dari kolesterol Eicosanoid Berasal dari asam lemak arachidonic acid (C20) Polipeptida dan protein Figure 15-13 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

Macam-macam reseptor Reseptor yang berpasangan dengan protein G (GPCR, G-protein coupled receptor) Kinase tirosin-protein reseptor (RTK, receptor protein tyrosine kinase) Saluran ion (Ligand gated channels) Reseptor hormon steroid: faktor transkripsi

Reseptor pada membran plasma Figure 15-16 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

15.3 Reseptor yang berpasangan dengan protein G

Reseptor (GPCR) Protein G 7TM Trimer Sisi pengikatan ligan Ujung N Reseptor (GPCR) 7TM Ujung C Sisi pengikatan protein G Protein G Trimer Subunit  dan  mempunyai gugus lipid yang berada dalam membran plasma Figure 15-30 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

Aktivasi reseptor Ligan terikat reseptor Konformasi reseptor berubah Resptor terikat protein G GDP lepas GTP terikat protein G Konformasi subunit  berubah Subunit β lepas Subunit  mengaktivasi efektor Adenilil siklase Fosfolipase C-β cGMP fosfodiesterase Figure 15-32 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

Efektor: adenilil siklase Figure 15-36 (part 1 of 2) Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

Efektor: fosfolipase C Figure 15-39 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

Kelompok protein G Gs : Sununit Gβ dapat mengaktivasi Gq : Gi : Subunit G mengaktivasi adenilil siklase Gq : Subunit G mengaktivasi PLCβ Gi : Subunit G menginhibisi adenilil siklase G12/13 : Aktivasi subunit G menyebabkan proliferasi sel Sununit Gβ dapat mengaktivasi PLCβ Saluran ion K+ Adenilil siklase PI3 kinase

Terminasi respons (1): Desensitisasi reseptor Proses yang menghambat reseptor aktif untuk mengaktivasi protein G lainnya GPCR teraktivasi difosforilasi oleh G protein coupled receptor kinase (GRK) Protein arrestin terikat Arrestin yang terikat GPCR juga dapat terikat clathrin GPCR diendositosis Figure 15-51 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

Terminasi respons (2): Inaktivasi protein G GTP pada subunit G terhidrolisis menjadi GDP dan Pi Subunit G terikat kembali dengan subunit Gβ Laju hidrolisis dapat dipercepat oleh regulators of G protein signaling (RGS)

Toksin bakteri Toksin kolera yang disekresi Vibrio cholerae Modifikasi subunit G Adenilil siklase menjadi aktif terus Sel epitel usus mensekresi cairan ke lumen usus secara terus menerus Toksin pertussis yang disekresi Bordetella pertussis Inaktivasi subunit G Menghambat respons immun terhadap bakteri

Molekul sinyal kedua (second messenger) Ligan yang terikat reseptor = molekul sinyal pertama Akibat aktivasi reseptor, akan dihasilkan molekul sinyal lain yang dapat berdifusi di dalam sel seperti: Diasil gliserol (DAG) cGMP NO (Nitric oxide) Ca2+ Fosfoinositida Inositol trifosfat

Fosfolipid pada membran plasma merupakan sumber molekul sinyal Terikat PH domain dari protein Figure 15-37 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

Aktivasi GPCR (G-protein coupled receptor) Figure 15-39 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

Figure 15-38 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

Perubahan [Ca2+] dalam sel hati akibat hormon vasopressin Bagaimana pengaruh [vasopressin] terhadap [Ca2+] di dalam sel? Figure 15-42 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

Spesifisitas respons sel terhadap ligan Ada beberapa isoform reseptor Afinitas terhadap ligan berbeda Interaksi dengan protein G berbeda Genom manusia: 16 G 5 Gβ 11 G 9 adenilil siklase

GPCR berperan dalam indera: Pengecapan Deteksi asin, asam, manis, pahit, gurih (MSG) GPCR berperan dalam deteksi rasa pahit dan manis Manusia: 25 macam reseptor rasa pahit (T2R) Satu macam reseptor rasa manis (heterodimer T1R2/T1R3) Penglihatan Sinyal: cahaya Reseptor: rhodopsin Protein G: transducin Penciuman Manusia: 400 macam GPCR

Rhodopsin Gelap: [cGMP] tinggi Terang: cGMP fosfodiesterase diaktifkan [cGMP] turun saluran Na+ tertutup dihasilkan potensial aksi sepanjang syaraf optik Figure 15-49 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

Sel syaraf untuk penciuman Sinyal kimia Adenilil siklase aktif Saluran kation terbuka Potensial aksi Figure 15-46a Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

15.4 Fosforilasi tirosin protein

Kinase tirosin protein Manusia mempunya > 90 macam Berperan dalam regulasi Pertumbuhan Pembelahan sel Diferensiasi sel Kesintasan sel (survival) Pengikatan ke matriks extraseluler Migrasi sel

Dimerisasi kinase tirosin protein reseptor (RTK) Dimerisasi → domasin kinase aktif → trans-autofosforilasi → terbentuk Tyr-P, sisi pengikatan protein lain Ligand mediated dimerization Receptor mediated dimerization Figure 15-53a Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

Protein sinyal yang terikat Tyr-P Figure 15-55c Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) Mempunyai domain SH2 100 asam amino Bentuk kantong Manusia mempunyai 110 macam domain SH2 Domain PTB Terikat motif Asn-Pro-X-Tyr

Kelompok protein sinyal Protein adaptor Menghubungkan dua protein sinyal atau lebih Mempunyai Domain SH2 Domain interaksi protein-protein Enzim Kinase protein, fosfatase protein, kinase lipid, fosfolipase, protein pengaktivasi GTPase Mempunyai domain SH2 Aktivasi dengan cara Translokasi ke membran Perubahan allosterik Fosforilasi Protein docking Menyediakan reseptor dengan tambahan residu Tyr untuk difosforilasi oleh reseptor Mempunyai domain SH2 atau PTB Faktor transkripsi Keluarga protein STAT yang berperan dalam sistem imun Mempunyai domain SH2 sisi fosforilasi Tyr, yang dapat terikat domain SH2 protein STAT lain Dimer pindah ke inti sel dan menyebabkan transkripsi gen-gen yang terlibat respons imun

Jalur Ras-MAP Kinase (1) Berperan dalam proliferasi dan diferensiasi sel Diaktivasi oleh faktor tumbuh yang terikat RTK Protein Ras GTPase pada permukaan sitoplasmik membran plasma 1 polipeptida Bila termutasi: menjadi onkogen Mamalia mempunyai 14 macam MAPKKK 7 macam MAPKK 13 macam MAPK Spesifisitas MAP kinase ditentukan Macam MAP kinase yang berfungsi Lokasi di dalam sel

Jalur Ras-MAP Kinase (2) (Grb2) Figure 15-58 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

Regulasi gula darah (1) Glukosa → glikolisis → siklus Krebs → CO2 + H2O + ATP [glukosa] darah ditingkatkan bila [glukosa] darah rendah (oleh hormon glukagon dari pankreas) Stress (oleh hormon epinefrin dari kelenjar adrenal) www.geneticsrus.org/DNA/dna2.php , 7-5-09

Regulasi gula darah (2) RTK GPCR Gs http://faculty.uca.edu/weijiul/graphs/glucose-regulation-1.jpg, 7-5-09

Setiap tahap terjadi amplifikasi sinyal PKA ke inti sel Fosforilasi CREB (cAMP response element binding protein) CREB terikat pada CRE (cAMP response element) pada daerah regulator berbagai gen pengkode enzim-enzim untuk sintesis glukosa Sintesis enzim-enzim untuk sintesis glukosa Respons terhadap glukagon dihentikan oleh Fosfatase 1 cAMP fosfodiesterase Substrat PKA > 100 PKA anchoring proteins (AKAP) mengkoordinasi interaksi protein-protein dengan mengumpulkan PKA ke bagian tertentu sel Protein yang difosforilasi adalah protein-protein yang berada dekat PKA

Glut4 pada vesi doctortsai.vox.com/library/posts/tags/medicine/ (7-5-09)

Diabetes Tipe 1 =tidak dapat menghasilkan insulin Tipe 2 = resisten insulin Diperlukan [insulin] yang makin tinggi untuk memberikan respons (translokasi Glut4 ke membran plasma) Pankreas bekerja terlalu keras, akhirnya kehilangan kemampuan untuk menghasilkan insulin Fungsi insulin Menyimpan kelebihan glukosa darah ke dalam Sel otot sebagai glikogen (jumlah yang disimpan hanya sedikit) Sel lemak sebagai lemak (jumlah yang disimpan bisa banyak) Cara meningkatkan sensitivitas sel terhadap insulin Kurangi makan pati dan gula Olah raga

Bakteri, ragi dan tumbuhan Protein kinase yang memfosforilasi His Protein transmembran Domain ektraseluler: resptor Domain sitoplasmik: his kinase Etr1 Reseptor gas etilen (C2H4) Regulasi perkecambahan biji, pembungaan, pematangan buah Jalur MAP kinase

15.5 Peranan Ca

[Ca2+] = 10-3 M [Ca2+] = 10-7 M Figure 15-41b Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

Peningkatan [Ca2+] di dalam sel Menghasilkan IP3, [Ca2+] sitoplasma naik GPCR : fosfolipase C-β RTK : fosfolipase C- (punya domain SH2) [Ca2+] : fosfolipase C- Ras-GTP: fosfolipase C- Impuls syaraf Voltage gated [Ca2+] channels dalam membran plasma [Ca2+] dari retikulum endoplasma masuk sitoplasma melalui Reseptor IP3 Reseptor ryanodin (RyR): pada sel otot rangka dan jantung, menyebabkan kontraksi otot

Pengamatan perubahan [Ca2+] di dalam sel Fertilisasi telur bintang laut Menggunakan molekul pengikat [Ca2+] yang dapat berfluorosensi Biru: [Ca2+] bebas rendah Merah: [Ca2+] bebas tinggi Figure 15-40 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

Calmodulin (CaM) Kompleks Ca2+-CaM dapat terikat Kinase protein Fosfodiesterase nukleotida siklik Saluran ion Sistem transport Ca2+ pada membran plasma Figure 15-44 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

Regulasi [Ca2+] pada sel tumbuhan [Ca2+] berubah akibat cahaya, tekanan, gravitasi, [hormon tumbuh]

Penutupan stomata ABA (abscisic acid) dihasilkan pada suhu tinggi dan kelembaban rendah Osmolaritas turun, tekanan (turgor) turun www-biology.ucsd.edu/.../clickablegc.html, 7-5-09

15.6 Interaksi antar jalur sinyal

Jalur sinyal bisa menyatu, memisah atau pindah Figure 15-66 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

Protein sinyal sama diaktifkan Efek tergantung pada Jenis sel dan protein-protein yang ada di da;amnya Isoform protein yang berbeda Gen beda Alternative splicing

15.7 Peranan NO

NO (nitric oxide) Molekul sinyal ektraseluler dan sinyal kedua (second messenger) Nitrosilasi mengubah aktivitas protein Figure 15-12b Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

15.8 Apoptosis

Apoptosis Volume sel and inti sel menyusut Adesi dengan sel lain hilang Kromatin dipotong kecil-kecil Badan apoptotik difagositosis Manusia: 1010-1011 sel/hari mati karena apoptosis C. elegans: selama perkembangannya, 1090 sel dihasilkan dan 131 sel mati karena apoptosis Caspase: protease cystein (residu Cys pada sisi katalitiknya) yang terlibat pada awal proses apoptosis

Jalur ekstrinsik dari apoptosis TNF (tumor necrosis factor) diproduksi sel-sel sistem imun bila terpapar radiasi, suhu tinggi, infeksi virus dan toksin Figure 18-6 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

Jalur instrinsik dari apoptosis Diregulasi protein keluarga Bcl-2 Pro-apoptosis: Bad & Bax Anti-apoptosis: Bcl-xL, Bcl-w Bcl-2 Figure 18-8 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

Bila protein pro-apoptosis diaktivasi Protein pro-apoptosis translokasi adri sitosol ke membran luar mitokondria Permeabilitas membran meningkat Permeabilitas diakselerasi oleh peningkatan [Ca2+] yang dilepaskan dari retikulum endoplasma Sitokrom C Keluar dari mitokondria Membentuk apoptosom dan mengaktivasi pro-kaspase 9 Badan apoptotik dikenali oleh adanya fosfatidil serin pada lapisan membran plasma yang menghadap ke luar sel Fosfolipid scramblase memindahkan fosfatidil serin dari lapisan dalam ke lapisan luar membran plasma

Sebagian besar sel yang yang mempunyai reseptor TNF tidak mengalami apoptosis bila diberikan TNF Cell survival Figure 15-79 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)