Bagaimana Struktur Membran Sel?

image

Membran sel merupakan batas antara sel hidup dengan sekelilingnya yang merupakan bagian tidak hidup. Bagaimana Struktur Membran Sel?

Dengan ketebalan 8 nm, membran sel mengatur lalu lintas keluar masuknya zat-zat yang dibutuhkan sel dari luar ke dalam sel maupun sebalinya. Komposisi utama membran sel adalah lipid, protein, dan sedikit karbohidrat. Tipe lipid penyusun biomembran adalah phospoglyceride, sphingolipids , dan steroid .Keberadaan lipid pada membran sel menjadikan memiliki sifat amfipatik, dengan daerah pada kepala yang hidrofilik dan daerah ekor yang hidrofobik.

Membran sel memiliki lipid, protein dan karbohidrat yang dapat berpindah secara acak dalam bidang membrannya tetapi jarang bertukar tempat secara melintang melintasi membran. Sifat membran adalah fluida untuk memaksimalkan fungsinya pada kondisi suhu lingkungan turun ataupun naik. Apabila membran membeku akan menjadikan permeabilitasnya berubah karena kemungkinan protein enzimatik menjadi inaktif. Keberadaan lipid pada membran sel dapat disesuaikan dengan kondisi lingkungan sebagai bentuk adaptasi sehingga terjadi perubahan pada komposisinya.Membran merupakan ikatan antar molekul dengan interaksi hidrofobik, yang jauh lebih lemah dari ikatan kovalen, sehingga bukanlah lembaran molekul yang statis dan terikat kuat antar molekulnya.

image

Biomembran dengan dominan lemak fosfolipid memberikan batasan untuk sel dengan sel dan juga antar organel yang ada dalam sel sekaligus membatasi dengan permukaan luar dari keberadaan virus. Tidak seperti protein, asam amino, dan polisakarida, maka membran sel tersusun secara ikatan non kovalen dalam penyusunannya. Komponen utama penyusun biomembran adalah fosfolipid sehingga memberikan bentuk yang menyerupai lembaran.
image

Gambar 3.2. menunjukkan struktur dari fosfolipid dengan sifat amfipatik, yang memiliki ekor hidrofobik (warna kuning) dan kepala yang hidrofilik (biru) dimana gliserol terikat oleh fosfat menjadi alkohol. Salah satu atau keduanya yang berada pada sisi rantai asam lemak fosfogliserid kemungkinan berada pada kondisi jenuh atau bisa juga tidak jenuh. Pada asam fosfat (merah), merupakan fosfolipid sederhana, dimana tidak terdapat fosfat yang terikat menjadi alkohol.

Sebagian besar fosfolipid yang ditemukan pada membran, merupakan kelompok fosfat dalam kelompok hidroksil dan merupakan komponen hidrofilik. Pada fosfatidilkolin seperti Gambar 3.2. muatan negatif pada fosfat memberikan kondisi polar sehingga dapat berinteraksi dengan air. Hal ini menjelaskan keberadaan fosfat pada struktur kepala dari fosfolipid yang menjadikannya memiliki sifat hidrofilik tersebut, dan tidak dimiliki pada struktur ekor sehingga menjadikan ekor bersifat hidrofobik.

Kondisi amfipatik tersebut secara alami pada berbagai interaksi sangat menentukan kondisi membran. Saat fosfolipid tersebut secara mekanis dirusak dan diletakkan pada larutan air maka kumpulan-kumpulan fosfolipid akan menjadi salah satu dari tiga jenis bentuk perubahan struktur, yaitu: 1) struktur melingkar yang disebut micell , 2) struktur melingkar yang disebut liposom, atau 3) berbentuk lembaran, dua molekul yang terdapat jarak di tengahnya yang disebut struktur bilayer fosfolipid. Gambaran ketiga struktur kemungkinan terbentuknya lapisan fosfolipid tampak pada Gambar 3.3.
image

Gambar 3.3. yang menunjukkan bulatan putih merupakan kepala hidrofilik dari fosfolipid, dan garis hitam (dengan blok warna kuning) menunjukkan ekor yang hidrofobik. Gambaran membulat sebagai struktur micelle dengan hidrofobik interior memiliki komposisi keseluruhan adalah rantai asam lemak; sedangkan struktur liposome berbentuk membulat dengan dua lapis lembar fosfolipid dan air yang berada di bagian tengahnya. Bentuk terakhir adalah lembaran dua molekul yang berjajar dengan jarak pada bagian tengah bilayer fosfolipidnya, dan merupakan struktur dasar dari biomembran.

Tipe struktur dari biomembran dengan bentuk fosfolipidnya atau campuran dari banyak jenis fosfolipid tersebut tergantung pada banyak faktor, termasuk diantaranya adalah panjangnya rantai asam lemak, tingkat kejenuhan, dan temperatur atau suhu. Dari tiga struktur yang memungkinkan tersebut, efek hidrofobik disebabkan oleh rantai asam lemak menjadi agregat dan menyebabkan air tidak dapat keluar dari ‘dalam’ lingkaran (liposom). Sedangkan struktur micelle merupakan bentuk natural dari fosfoglicerida, dimana rantai asam lemak memang secara umum akan berbentuk mengumpul apabila diletakkan pada kondisi cairan karena sifatnya yang hidrofobik.

Pada kondisi yang sesuai, fosfolipid akan menghasilkan komposisi pada sel yang secara spontan membentuk lapisan bilayer fosfolipid yang simetris. Masing-masing lapisan fosfolipid pada struktur lamela ini disebut lembaran. Rantai asam lemak masing-masing lembaran meminimalkan kontak dengan air dengan menyusun secara rapat antar sesamanya dan secara bersama menyusun bagian tengah bilayer, sehingga terjadi jarak yang rapat diantara lembarnya dengan jarak 3nm. Komposisi bilayer fosfolipid tersebut merupakan ekor nonpolar yang menjadi stabil dan memberikan dampak hidrofobik karena adanya ikatan van der waals diantaranya. Ikatan ionik dan hidrogen juga menjadikan stabil pada kepala fosfolipid antara satu dengan lainnya sehingga memberikan kondisi yang hidrofilik.

Bilayer fosfolipid dapat tersusun dari banyak ukuran dari mikrometer (µm) sampai milimeter (mm) pada panjang atau lebar dan berisi sepuluh hingga milyar molekul fosfolipid. Karena sifat utamanya yang hidrofobik, bilayer tersebut biasanya impermeabel terhadap garam, gula, dan banyak molekul kecil yang bersifat hidrofilik. Bilayer fosfolipid merupakan struktur dasar dari seluruh biomembran, meskipun terkadang juga terdapat molekul yang lain (kolesterol, glikolipid, protein), maka biomembran dengan sifat utama yang hidrofobik memberikan dua batas untuk kondisi lingkungan yang dominan air dan menjadi batas yang permeabel.

Membran sel memiliki protein yang terintegrasi dalam bilayer lipid yang keberadaannya sangat tergantung pada jenis, tempat, dan aktifitas sel bersangkutan.Protein dapat berada pada sisi luar, sisi dalam atau bahkan tertanam dalam bilayer lipid tersebut. Dua populasi utama protein penyusun membran adalah protein integral yang umumnya adalah protein transmembran , dengan daerah hidrofobik yang seluruhnya membentang sepanjang interior hidrofobik membran tersebut. Protein kedua adalah protein periferal yang sama sekali tidak tertanam dalam bilayer fosfolipid, dan terikat secara longgar pada permukaan membran, seperti ditunjukkan oleh model pada Gambar 3.4.
image

Protein penyusun membran dapat diklasifikasikan menjadi tiga kategori yaitu

  1. protein integral, 2) protein terikat pada lemak, dan 3) periferal. Jenis pertama, protein membran integral disebut juga protein transmembran, terentang melewati bilayer fosfolipid dan tersusun dari tiga bagian. Bagian sitosol dan bagian eksoplasmik memiliki bagian yang hidrofilik pada permukaannya yang langsung berinteraksi dengan lingkungan air pada sitosol dan bagian luar membran. Protein tersebut terdiri dari satu atau banyak jenis dengan struktur α helix atau β sheet. Kenyatannya banyak protein transmembran adalah glikosilad dengan percabangan gula yang terikat pada satu atau banyak rantai asam amino. Rantai gulai tersebut selalu berada pada bagian eksoplasma dari membran sel.Jenis kedua, protein membran yang terikat pada lemak terikat secara kovalen pada satu atau banyak molekul lemak. Rantai karbon yang hidrofobik adalah lemak yang berdempetan dan terikat menjadi satu lembar membran dimana terdapat protein yang terikat. Rantai polipeptida tersebut tidak menembus dua lapis bilayer fosfolipid biomembran.

Jenis protein membran ketiga adalah periferal yang tidak berinteraksi dengan bagian hidrofobik dari bilayer fosfolipid. Protein tersebut biasanya tidak langsung terikat dengan membran tetapi berinteraksi dengan protein integral atau dapat juga secara langsung terikat dengan kelompok kepala lemak. Protein periferal berada pada bagian luar sitosol atau bagian eksoplasma dari membran plasma.

image

Gambar 3.5. menjelaskan struktur detail dua jenis protein penyusun biomembran atau membranplasma. Salah satu jenis protein transmembran adalah glycoporin A , yang pada gambar menunjukkan bagian yang hidrofilik dengan susunan rantai asam amino berbentuk α helix yang juga berikatan dengan bagian rantai asam amino yang bersifat hidrofobik (asam amino berwarna merah). Melalui ikatan negatif pada kelompok kepala fosfolipid, maka bagian positif yang terdiri dari kumpulan arginin dan lisin (warna biru) melekat pada bagian sitosol dan membantu mengikat glikoporin tersebut pada membran. Gambar b adalah jenis protein yang terikat pada lemak pada salah satu sisi dari layer membran. Terdapat contoh tiga jenis protein yaitu prenylation yaitu protein yang terdapat pada bagian sitosol dengan asam amino yang terikat pada satu lembar lapisan lemak dengan bagian akhir terdapat residu atau kumpulan glysine (Gly). Jenis kedua adalah acylation yang asam aminonya terikat dengan satu atau dua cystein (Cys). Jenis ketiga adalah contoh protein yang terikat pada lemak pada bagian permukaan luar membran plasma dan disebut glycosilphospatidilnositol (GTI).

Karbohidrat yang terletak pada membran sel biasanya berupa oligosakarida bercabang dengan jumlah kurang dari 15 satuan gula. Oligosakarida tersebut secara kovalen akan terikat dengan lipid membentuk glikolipid, atau terikat dengan protein membentuk glikoprotein. Banyak protein transmembran yang berikatan kovalent dengan rantai karbohidrat membentuk glykoprotein , dan biasanya terletak pada membran bagian luar. Kondisi yang sama adalah glykolipid , dimana rantai karbohidrat berupa glyserol atau sphingosine selalu berada pada membran permukaan. Khusus glycoprotein dan glycolipid hanya terdapat pada membran sel eukariotik, tetapi tidak ada pada membran mitokondria, lamela khloroplas, dan membran organel sel. Hal tersebut disebabkan karena keberadaan rantai karbohidrat tersebut dibutuhkan untuk berinteraksi dan berkomunikasi dengan komponen lain yang berada dalam matriks ekstraseluler seperti lectin, hormon pertumbuhan, dan antibodi.

Seringkali keberadaan karbohidrat menjadi hal penting pada membran sel karena berfungsi untuk pengenalan sel tetangga dan juga membedakan satu jenis sel tetangga dengan sel lainnya. Kondisi tersebut penting misalnya dalam hal memilah sel menjadi jaringan dan organ dalam embrio hewan. Selain itu pengenalan juga merupakan dasar dalam melakukan penolakan terhadap sel asing (termasuk sel organ cangkokan) oleh sistem imun, sebagai langkah penting pertahanan pada hewan vertebrata.