Biokimia transduksi sinyal dan neurotransmitter

Pengantar biokimia transduksi sinyal membahas proses kompleks di tingkat molekuler yang terlibat dalam pengiriman, pengenalan, dan transmisi sinyal selular. Ini melibatkan berbagai molekul signal transduction seperti protein kinase, fosfolipid, dan kedua messenger.

Transduksi Sinyal

  • Transduksi sinyal merupakan proses dimana sel merespon zat-zat dari luar sel melalui molekul-molekul sinyal, seperti: 
    • hormon
    • neurotransmitter
    • growth factor
  • Molekul-molekul sinyal tersebut kemudian berikatan dengan reseptor protein di permukaan atau di dalam sel.
  • Setelah berikatan, sinyal tersebut dipindahkan dari satu molekul ke molekul lain di dalam sel, menghasilkan respons seluler seperti pembelahan atau kematian sel.

Receptor

  • Reseptor diartikan sebagai struktur kimia berupa protein yang menerima dan mengubah sinyal dari luar menjadi respons biologis. 
  • Reseptor memiliki situs pengikatan khusus yang dapat mengenali dan berikatan dengan molekul-molekul tertentu (hormon, neurotransmitter, atau growth factor).
  • Pengikatan ligan (molekul) ke reseptor memicu serangkaian peristiwa molekuler di dalam sel, yang mengarah pada respons seluler. 
  • Reseptor dapat diklasifikasikan ke dalam berbagai tipe:

*Sumber gambar: ttps://www.sciencefacts.net/

  • Proses transduksi sinyal dimulai ketika molekul sinyal (ligand) berikatan secara spesifik dengan reseptor yang memiliki afinitas terhadap ligand tertentu. 
  • Interaksi ini sering bergantung pada pengenalan bentuk dan muatan kimiawi pada ligand dan reseptor, mirip dengan kunci dan lubang kunci. 
  • Ketika ligand mengikat pada reseptor, terjadi perubahan konformasi pada reseptor tersebut, mengaktifkan fungsi biologis reseptor.

Transmembran Signaling

  • Transmembrane signaling adalah proses penting dalam komunikasi seluler, memungkinkan sel untuk mendeteksi dan merespons sinyal dari luar sel. 
  • Proses ini terjadi melalui protein khusus yang disebut reseptor transmembran
  • Secara umum, proses transmembrane signaling adalah sebagai berikut:

Ligan ekstraseluler berikatan dengan reseptor transmembran 

↓

Terjadi perubahan konformasi pada protein reseptor 

↓

Transmisi 

↓

Sinyal dikirimkan dari ekstraseluler ke ruang intraseluler

 

  • Secara spesifik, terdapat lima mekanisme dasar transmembrane signaling perlu dipahami dengan baik dimana setiap mekanisme menggunakan strategi yang berbeda untuk mengatasi hambatan yang ditimbulkan oleh lapisan ganda lipid pada membran plasma.
    1. Penggunaan ligand larut dalam lemak yang dapat menembus membran dan berinteraksi dengan reseptor intraselular
    2. Protein reseptor transmembran yang aktivitas enzimatik intraselulernya diatur secara alosterik oleh ligand yang berikatan dengan situs pada domain ekstraselular protein
    3. Reseptor transmembran yang berikatan dan merangsang kinase protein tirozin
    4. Saluran ion transmembran yang terkait dengan ligand
    5. Protein reseptor transmembran yang merangsang protein transduser sinyal pengikat GTP (protein G)

*Sumber gambar: www.brainkart.com

Protein G Coupled Receptor (GPCR)

  • G-protein coupled receptors (GPCR) merupakan kelompok terbesar dari reseptor permukaan sel manusia. 
  • GPCR berperan dalam berbagai fungsi penting seperti:

  • Mekanisme aksi GPCR melibatkan konversi sinyal ekstraseluler menjadi respons seluler. Contohnya dalam regulasi suasana hati, GPCR di otak berikatan dengan neurotransmiter seperti dopamine, serotonin, dan GABA untuk menghasilkan respons fisiologis yang berbeda.

Kaskade Sinyal

  • Kaskade sinyal (signaling cascade/signaling pathway/biochemical cascade) merujuk pada serangkaian peristiwa molekuler dalam sel yang terjadi sebagai respons terhadap sinyal dari luar sel (stimulus). 
  • Kaskade sinyal ini penting dalam berbagai proses biologis, seperti: 
    • pertumbuhan sel
    • perkembangan sel
    • respons terhadap lingkungan 
    • menjaga keseimbangan dalam sel 
    • mengkoordinasikan berbagai aktivitas seluler.
  • Komunikasi antar sel pada organisme multiseluler umumnya dimediasi oleh extracellular signal molecules.
  • Mekanisme:

Molekul sinyal berikatan dengan protein reseptor yang terbenam dalam membran plasma sel target.

↓

Reseptor mengaktifkan satu atau lebih jalur sinyal intraseluler yang melibatkan serangkaian protein sinyal.

↓

Akhirnya, satu atau lebih protein sinyal intraseluler mengubah aktivitas protein efektor dan dengan demikian memengaruhi perilaku sel.

Protein Kinase

  • Protein kinases (PTKs) adalah enzim yang mengatur aktivitas biologis protein dengan cara mengfosforilasi asam amino tertentu menggunakan ATP sebagai sumber fosfat, sehingga menginduksi perubahan konformasi dari bentuk protein yang tidak aktif menjadi aktif.
  • Mekanisme:

*Sumber gambar: www.creative-diagnostics.com

  1. Pengenalan substrat: Protein kinase memiliki situs pengikatan khusus yang berinteraksi dengan protein target. Motif asam amino yang konservatif digunakan untuk mengenali dan berikatan dengan situs fosforilasi pada protein substrat.
  2. Transfer fosfat: Setelah berikatan dengan substrat, protein kinase mentransfer gugus fosfat dari ATP ke residu asam amino spesifik pada protein substrat. Gugus fosfat biasanya terikat pada serin, treonin, atau tirosin tergantung pada jenis kinase.
  3. Pelepasan produk: Setelah transfer fosfat selesai, protein kinase melepas protein substrat yang telah difosforilasi. Hal ini memungkinkan protein tersebut mengalami peristiwa sinyal selanjutnya atau perubahan fungsional
  • Klasifikasi protein kinase:

Neurotransmitter

  • Neurotransmitter adalah zat kimia yang dilepaskan oleh neuron (sel saraf) untuk mengirimkan sinyal ke neuron atau sel target lainnya, seperti sel otot atau kelenjar. 
  • Neurotransmitter berperan penting dalam komunikasi antara neuron dan terlibat dalam berbagai proses fisiologis (e.g. kognisi, emosi, gerakan, dan regulasi fungsi tubuh)
  • Salah satu contohnya adalah pada sinaps dimana akan terjadi serangkaian peristiwa sebagai berikut:

Vesikel sinaptik menyatu dengan membran plasma 

 ↓

Molekul neurotransmitter dilepaskan

 ↓

Saluran ion terbuka

 ↓

Terjadi perubahan potensial membran dari membran postsinaptik

 ↓

Terjadi transmisi sinyal

*Sumber gambar: Silverthorn (2019)

  • Jenis-jenis neurotransmitter yang penting dalam sistem saraf:

 

Reuptake

  • Setelah neurotransmitter melepaskan sinyalnya di sinaps, sebagian besar akan diambil kembali oleh terminal saraf yang melepaskannya melalui proses yang disebut reuptake.
  • Proses reuptake memungkinkan saraf untuk dengan cepat:
    • Menghentikan transmisi sinyal,
    • Mengatur konsentrasi neurotransmitter di sinaps, 
    • Mengontrol durasi serta intensitas sinyal saraf.
  • Dalam prosesnya, reuptake melibatkan transporter khusus yang berperan penting dalam mengambil kembali neurotransmitter dari celah sinaptik ke dalam terminal saraf. 
  • Transporter ini berfungsi sebagai pemompa kembali neurotransmitter ke dalam terminal saraf untuk digunakan kembali.

Enzim Degradasi

  • Enzim degradatif adalah kelompok enzim yang terlibat dalam pemecahan dan degradasi berbagai molekul di dalam sel 
  • Enzim ini bertanggung jawab atas degradasi protein, asam nukleat, karbohidrat, dan lipid dengan mengkatalisis reaksi kimia khusus yang menghasilkan pemecahan molekul-molekul makromolekul tersebut menjadi unit yang lebih kecil dan lebih mudah dikelola sehingga homeostasis seluler tetap seimbang
  • Contoh enzim degradatif:

Keseimbangan Ion

  • Keseimbangan ion mengacu pada pemeliharaan konsentrasi ion yang seimbang dalam sel dan lingkungan ekstraseluler. 
  • Regulasi konsentrasi ion tercapai melalui koordinasi saluran ion, transporter, dan pompa dalam membran sel.
  • Ion-ion seperti natrium (Na+), kalium (K+), kalsium (Ca2+), dan klorida (Cl-) memainkan peran penting dalam:
    • Sinyal sel
    • Potensial membran
    • Aktivitas enzim, 
    • Keseimbangan osmotik 
  • Regulasi keseimbangan ion melibatkan jalur sinyal dan mekanisme umpan balik yang kompleks yang merespons perubahan konsentrasi ion. 
  • Misalnya, jika konsentrasi ion tertentu meningkat, sel dapat mengaktifkan transporter atau pompa untuk menghilangkan kelebihan ion dari sitoplasma.

Referensi

  1. Nelson, D.L., Cox, M.M. Lehninger Principles of Biochemistry. Edisi ke-7. W.H. Freeman and Company, 2017.
  2. Silverthorn, D.U. (2019). Human Physiology: An Integrated Approach (Edisi ke-8). Pearson.
  3. Carlson, N.R. (2013). Physiology of Behavior (Edisi ke-11). Pearson.
  4. Reith, A. D. (Ed.). (2001). Protein Kinase Protocols. Humana Press.
  5. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K., & Walter, P. (2014). "Molecular Biology of the Cell." Edisi ke-6. Garland Science.
  6. Johnson, L. N., & Lewis, R. J. (2001). Structural basis for control by phosphorylation. Chemical Reviews, 101(8), 2209-2242.
  7. Roberts, K., & Walter, P. (2014). "Molecular Biology of the Cell." Edisi ke-6. Garland Science.
  8. Rehman, S., & Dimri, M. (2022). "Biochemistry, G Protein Coupled Receptors." In StatPearls. StatPearls Publishing.
  9. Purves D, Augustine GJ, Fitzpatrick D, et al., editors. Neuroscience. 2nd edition. Sunderland (MA): Sinauer Associates; 2001. Receptor Types. Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK10989/
  10. Guyton, A.C., Hall, J. (2016). "Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology." Philadelphia, PA: Elsevier. Saunders.

Daftar Isi

Customer Support umeds