Sistem endomembran merupakan mekanisme hubungan struktural dan fungsional antar komponen sel, khususnya dalam menghasilkan protein sekret maupun protein untuk kebutuhan internal sel. Bagaimana Sistem Endomembran?
Sel dengan seluruh mekanisme dan dinamika kerjanya mengalami perubahan yang terus menerus, dimana kehidupan sel mengalami banyak sekali translokasi kromosom dengan gelembung-gelembung yang selalu bergerak dalam sitoplasma. Mekanisme kerja sel didukung dengan adanya organel-organel sel dengan struktur dan fungsi yang spesifik. Banyak organel sel tersebut memiliki membran yang memiliki kemiripan struktur dan fungsi, sehingga mampu menunjukkan keterkaitan mekanisme kerja antara satu organel dengan organel lainnya. Istilah sistem endomembran merupakan keterkaitan antara struktur dan fungsi dari organel-organel sel yang memiliki hubungan dalam mekanisme kerjanya.
Contoh mekanisme transport dengan melibatkan banyak organisme dalam sel berdasarkan hasil penelitian dengan menggunakan pelabelan untuk mengetahui jalur transport protein nampak pada perjalanan protein yang disebut VSVG. Kondisi awal dilakukan dengan memberikan perlakuan suhu sehingga akan terjadi ekspresi sel yang menghasilkan protein hibrid (VSVG-GFP) yang timbul karena temperatur yang terbatas tersebut. VSVG-GFP nampak terakumulasi dalam ER, yang nampak nyata dengan pewarnaan fluorescen dan diamati dengan mikroskop. Saat sel kemudian diberikan suhu yang sesuai lagi, VSVG-GFP terlihat berpindah menuju ke AG, dimana konsentrasi protein tersebut nampak jelas di bagian tepi inti, dan kemudian menuju ke permukaan sel. Penelitian menunjukkan berapa lama waktu yang dibutuhkan oleh VSVG-GFP untuk berada pada masing-masing organel pada jalur sekretory, seperti nampak pada Gambar 4.1.
Penelitian dengan hasil seperti ditunjukkan pada Gambar 4.5. dimana kultur sel diberikan gen hibrid sebagai pengkode yang berasal dari membran virus yaitu glykoprotein protein VSVG yang akan berikatan dengan green fluorecent protein (GFP). Mutan yang berasal dari virus tersebut digunakan dan akan menghasilkan protein hibrid (VSVG-GFP) yang akan berada pada ER saat suhu 40oC dan akan ditransportka lagi pada suhu 32oC. Nampak bahwa perpindahan VSVG-GFP dari ER ke AG dan akhirnya ke permukaan sel membutuhkan waktu 180 menit. Untuk gambar b menunjukkan plot level dari VSVG-GFP dalam ER, AG, dan membran plasma pada waktu yang berbeda setelah diberikan perlakuan suhu yang lebih rendah.
Hasil protein sekresi akan dibawa menuju ke luar sel oleh vakuola melalui mekanisme eksositosis melewati membran sel. Komponen yang terlibat dalam sistem endomembran meliputi membrannukleus, retikulum endoplasma, alat golgi, vesikula, dan vakuola untuk menghasilkan protein sekresi.Berbagai membran tersebut dihubungkan melalui sambungan fisik langsung atau melalui transfer segmen-segmen membran sebagai vesikula (gelembung kecil yang terbungkus membran). Meskipun demikian, bukan berarti hubungan tersebut memiliki kesamaan dan fungsi. ketebalan, komposisi molekuler, dan perilaku metabolisme membran tersebut tidak tetap, tetapi dapat dimodifikasi beberapa kali sesuai kebutuhan selama masa hidup membran tersebut. Gambaran hubungan mekanisme kerja sistem endomembran dapat dicermati pada Gambar 4.1. berikut.
Gambar 4.2. menjelaskan mekanisme sistem endomembran yang melibatkan organel-organel yang ada dalam sel untuk bekerjasama menghasilkan protein sekret. Diawali dengan dihasilkannya protein melalui sintesis protein dalam RE dengan kode yang berasal dari DNA dalam inti. Setelah beberapa menit protein disintesis dalam REK maka proses dilanjutkan dengan terbentuknya organel kecil bermembran yang disebut vesikula transport yang berisi protein dari hasil sintesis dalam REK. vesikula-vesikula tersebut akan bergabung sehingga membentuk struktur baru dan bergabung membentuk AG. Pematangan protein dalam AG kemudian akan dilanjutkan dengan proses transfer menuju keluar sel yang ditampung dalam vesikula untuk kemudian dikeluarkan.
Retikulum endoplasma.
Retikulum endoplasma (RE) merupakan sistem membran yang sangat luasyang terdapat di dalam sitoplasma, karena 50% dari semua membran yang terdapat pada sebuah sel adalah membran RE. Membran RE memiliki struktur berlipat lipat, membentuk suatu ruangan yang disebut lumen RE atau sisterna RE yang berbentuk labirin. Terdapat dua daerah RE yang berbeda secara fungsional yaitu daerah RE yang permukaan sitosolik membrannya ditempeli ribosom, disebut retikulum endoplasma granular (REG) atau retikulum endoplasma kasar (REK). Daerah yang kedua tidak terdapat ribosom pada permukaan sitosolik membran RE, disebut retikulum endoplasma agranular (REA) atau retikulum endoplasma halus (REH). Kedua macam retikulum endoplasma ini menyusun sistem membran yang melingkupi suatu ruang, denganbagian dalam membran disebut luminal atau ruang sisterna ( cisternal space ) dan daerah diluar membran yang disebut ruang sitosolik ( cytololic space ). Perbedaan morfologi antara retikulum endplasma kasar dan halu terletak pada ada tidaknya ribosom yang terikat pada membran yang berhadapan dengan ruang sitosolik.
Retikulum endoplasma halus memiliki struktur tubuler dengan permukaan sitoplasmik yang halus.REH memiliki berbagai fungsi terutama untuk sintesis lipid, metabolisme karbohidrat, dan menawarkan obat dan racun. Sintesis asam lemak dan fosfolipid dilakukan oleh REH meskipun banyak sel yang hanya memiliki sedikit REH didalamnya. Enzim dalam REH sel hati memodifikasi untuk membantu proses kimia untuk menawarkan racun dan menetralkannya menjadi air yang akan dikeluarkan dari dalam tubuh. Jika tubuh terserang racun maka akan memicu proliferasi sel-sel hati untuk menghasilkan REH lebih banyak. Enzim-enzim dalam REH membantu menawarkan obat dan racun, khususnya dalam sel hati. Penawaran racun melibatkan penambahan gugus hidroksil dalam obat sehingga obat mudah larut dan dikeluarkan tubuh.
Retikulum endoplasma kasar memiliki struktur tubuler dengan permukaan kasar karena ditempeli oleh ribosom.REK memiliki fungsi utama melakukan sintesis protein, terutama protein yang dipergunakan untuk hasil sekretory. Kebanyakan sel eukariotik memiliki lebih banyak REK dibandingkan REH karena dibutuhkan untuk sintesis protein plasmamembran dan protein sekresi. REK biasanya terdapat pada sel tertentu yang berfungsi untuk menghasilkan protein sekret spesifik seperti sel-sel penghasil antibodi, sel-sel pankreas yang menghasilkan enzim digestiv, dan sel pankreas pada pulau langerhans yang memproduksi hormon insulin dan glukagon.
Seluruh sel-sel eukariotik akan menggunakan jalur sekresi yang sama untuk melakukan sintesis dan memilih protein sekret yang dapat larut dalam RE, Golgi, dan lisosom. Meskipun seluruh sel dapat mensekreskan banyak jenis protein (untuk kebutuhan protein sekret pada lingkungan ekstraseluler) biasanya tipe sel tertentu secara khusus juga akan menghasilkan jenis protein sekret tertentu pula. Contohnya adalah sel-sel pankreas yang banyak mensintesis enzim-enzim pencernaan yang kemudian disalurkan melalui pembuluh menuju ke daerah pencernaan.
Saat protein sekretoris terbentuk, membran RE akan mempertahankan supaya terpisah dengan protein yang dihasilkan oleh ribosom bebas. Protein yang disintesis dalam RE tidak akan dapat keluar dari lumen RE sampai lengkap konformasinya. Protein sekretoris keluar dari RE yang dibungkus dalam membran vesikula untuk selanjutnya akan diproses dalam alat golgi. Vesikula-vesikula tersebut merupakan organel transport berisi protein sekretori yang perlu lebih disempurnakan lagi di dalam aparatus golgi.
Aparatus Golgi (AG)
Aparatus golgi merupakan organel sel yang berbentuk kantung-kantung membran pipih yang disebut sisternae yang pada ujung-ujung yang berlawanan memiliki ketebalan dan komposisi berbeda. membran setiap sisterna dalam satu tumpukan akan memisahkan ruang internalnya dengan sitosol. Dua kutubtumpukan AG terdiri dari cis, mediet ( cisternae ), dan trans yang terdiri dari vesikula berisi berbagai bahan protein sekret. Muka cis terletak dekat dengan RE, dimana vesikula transport akan memindahkan materi dari RE ke AG. Vesikula transport dengan protein-protein sekretori yang perlu disempurnakan tersebut akan bergabung membentuk struktur baru yang disebut aparatus golgi (AG). Sedangkan muka trans akan menghasilkan vesikula dengan isi protein hasil pematangan dalam AG yang siap untuk ditanportkan menuju keluar sel melalui mekanisme eksositosis, sehingga vesikula transport tersebut akhirnya akan berfusi dengan membran plasma.
Beberapa menit setelah protein disintesis dalam RE kasar, maka hasil sekresi RE tersebut akan ditampung dalam vesikula transport untuk dibawa menuju ke organel bermembran lain yaitu aparatus golgi. RE memiliki keterkaitan mekanisme kerja dengan aparatus golgi, tetapi struktur membran keduanya berbeda yang juga menunjukkan perbedaan fungsi, seperti misalnya fosfolipid disintesa didalam RE dan spingolipid disintesis dalam aparatus golgi. Berdasarkan penelitian tersebut memberikan bukti bahwa proporsi spingomielin pada total persentase membran lipid fosfor nampakenam kali lebih banyak dalam golgi dibandingkan dalam RE. Kasus lain menunjukkan bahwa translokasi membran menuju ke membran sel akan sangat selektif dengan membran tertentu saja.
Protein sekretori yang akan dieksositosiskan biasanya diolah terlebih dahulu dalam RE dan akan dimatangkan dalam AG. Mekanisme sistem sekresi bahan melalui eksositosis yang mampu menyusun membran plasma. Produk dari RE dimodifikasi selama berada dalam kutub cis dan trans AG, dimana protein dan fosfolipid membran dapat berubah komposisinya. Misalkan, banyak enzim dimodifikasi dalam AG pada bagian oligosakarida glikoprotein. Saat dihasilkan oleh RE, maka protein-protein yang cenderung identik dalam AG sebagian monomer gulanya diganti dengan molekul yang lain sehingga akan menghasilkan berbagai macam oligosakarida dengan struktur dan fungsi yang spesifik.
Perbedaan komposisi lipid juga menunjukkan fungsi khusus membran. Contohnya: membran plasma pada sel-sel epitel absorbsi pada usus akan berada pada dua daerah: bagian atas permukaan lumen, permukaan basolateral yang merupakan tempat interaksi dengan sel-sel epitel yang lain dan dengan struktur ekstraseluler.Sebagai fungsi polarisasi sel, perbandingan sphingolipid dengan phospogliseride dengan kolesterol pada membran basolateral adalah 0,5:1,5: 1. Kondisi yang biasanya nampak pada membran plasma sebagai tipe sel yang tidak terpolarisasi yang disebabkan karena berada dalam kondisi stres.
Lisosom.
Lisosom merupakan organel sel yang banyak berisi enzim pencerna yang berasal dari mekanisme kerja oleh RE dan aparatus golgi, dimana keberadaan enzim pencerna dalam membran tersebut menjadikan komposisi lisosom berbeda dengan kondisi lingkungan sekitar ( cytosol ). Kebanyakan berada dalam sel hewan yang bertanggung jawab untuk menguraikan komponen yang sudah tidak dibutuhkan sel kemudian dicerna sebagai molekul yang lebih sederhana.
Lisosom melakukan mekanisme pencernaan apabila sudah tergabung dengan bahan yang siap dicerna dan berubah dari lisosom primer menjadi lisosom sekunder.Bahan yang dicerna dapat berasal dari luar sel maupun dari dalam sel itu sendiri melalui mekanisme autolisosom.Lisosom berisi sejumlah enzim untuk mendegradasi polimer menjadi monomer sebagai sub unitnya. Sebagai contoh, enzim nuclease akan menguraikan RNA dan DNA menjadi mononucleotida, protease yang akan mendegradasi protein dan peptida menjadi asam amino, posphatase yang akan memindahkan kompleks phospat dari mononukleotida, phospolipid, dan komponen yang lainnya. juda enzim-enzim yang akan menguraikan kompleks polisakarida dan glikolipid menjadi unit yang lebih kecil. Keseluruhan enzim dalam lisosom bekerja efisien pada kondisi asam sehingga seringkali disebut sebagai asam hidrolase .
Enzim hidrolitik dan membran lisosom dibuat oleh RE kasar yang kemudian ditransfer ke AG untuk proses lebih lanjut. Enzim hidrolitik dalam lisosom dipergunakan untuk mendaur ulang materi organik selnya sendiri ( autofagi ) menjadi monomer organik yang akan dikembalikan ke sitosol untuk digunakan lagi. Dengan adanya lisosom maka sel secara terus menerus akan memperbarui dirinya sendiri. Sel hati manusia misalnya, akan mendaur ulang setengah makromolekulnya setiap minggu.
Hubungan mekanisme kerja RE dan alat golgi meliputi struktur dan fungsi, dimana sesaat setelah protein disintesis dalam REK, maka protein-protein tersebut akan meninggalkan REK dalam vesikel transport yang selanjutnya menuju ke AG yang memiliki tiga bagian yaitu cis , medial, dan trans . Masing-masing bagian memiliki enzim berbeda yang akan memodifikasi protein sekret dan protein membran tergantung dari struktur dan tujuan akhir. Gambaran mekanisme hubungan RE, AG dan lisosom, dalam menghasilkan protein sekret serta protein yang dibutuhkan untuk organel di dalam sel secara skematis dapat dicermati dalam Gambar 4.4. sebagai berikut.
