Struktur dan Mekanisme Import Prekursor Protein β-Barrel Membran Luar (Outer Membrane) Mitokondria

Oleh: Rikhsan Kurniatuhadi^*

NIM.1402011140006

^*Magister Biologi , Universitas Diponegoro, Semarang, Jawa Tengah

Struktur dan Topologi Protein  β-Barrel Membran Luar Mitokondria

            Mitokondria merupakan salah satu organel sel eukariotik yang memiliki sistem membran ganda. Becker et al. (2009) menyatakan bahwa mitokondria dikelilingi oleh dua sistem membran yang berbeda, yaitu membran luar (outer membrane) dan membran dalam (inner membrane). Kedua membran ini memiliki perbedaan dalam aspek topologinya (Habib, 2006).

Gambar 1. Topologi protein dari membran luar mitokondria (Sumber: Habib, 2006).

                                                     

            Membran luar mitokondria memiliki kumpulan protein yang bervariasi dalam hal fungsi, diantaranya adalah protein yang berfungsi sebagai gerbang import zat, komponen mesin translokasi protein yang mengatur peristiwa translokasi zat, enzim yang berfungsi dalam biosintesis lipid, dan komponen lain yang mengatur perakitan dan morfologi dari organel tersebut. Beberapa kelompok dari jenis protein yang mendukung fungsi tersebut adalah (Habib, 2006): (a) protein reseptor (Tom20, T0m70); (b) tail-anchored protein (Tom5, Bcl-2, dan Fis1), dimana protein penangkap sinyal dan tail-anchored protein merupakan tipe dari protein α-heliks (Becker et al., 2009); (c) protein Fzo1; (d) dan protein β-Barrel (porin, Tom40, Tob55, dan Mdm10) (Gambar 1.). Komponen-komponen protein struktural tersebut membuat membran luar mitokondria pada umumnya berfungsi dalam pertukaran zat, komunikasi pada sitosol, dan pengaturan morfologi dan topologi membran itu sendiri (Becker et al., 2009).

            Salah satu protein yang terdapat pada membran luar mitokondria adalah kelompok protein β-barrel Mitochondrial β-Barrel Outer Membrane Proteins (MBOMPs). Protein ini merupakan protein yang tersusun oleh struktur lembaran beta yang bersifat ampifatik dan antiparalel dengan bentuk seperti silinder yang melintasi atau tertanam pada membran lipid bilayer (Paschen et al., 2005). Jumlah lembaran beta penyusun protein bervariasi dari 8 sampai 22 helai dengan rata-rata asam amino penyusun struktur lembaran beta terdiri dari 8-11 residu asam amino. Pada saat ini terdapat empat jenis protein yang merupakan kelompok dari Mitochondrial β-Barrel Outer Membrane Proteins (MBOMPs) yakni Tom40, Sam50 (Tobb55), porin/VDAC (voltage-dependent anion-selective channel), dan Mdm10 (Gentle et al., 2004).

Gambar 2. Struktur tiga dimensi protein β-barrel membran luar mitokondria  (Sumber: Welther et al., 2009).

            Kelompok protein β-barrel ini tidak hanya terdapat pada membran mitokondria saja, tetapi juga terdeteksi pada membran organel kloroplas dan membran plasma bakteri Gram-negatif. Kehadiran protein ini pada kedua organel tersebut serta komparatif terhadap protein β-barrel mencerminkan asal-usul evolusi kedua organel tersebut. Teori evolusi endosimbiosis menyatakan bahwa mitokondria yang berasal dari endosimbion antara a-proteobacterium aerobik dan kloroplas dari cyanobacterium fotosintetik terhadap sel eukariota awal (Paschen et al., 2005).

Mekanisme Import Protein β-Barrel di Membran Luar Mitokondria

            Sebagian besar ekspresi protein struktural membran mitokondria berasal dari pekursor yang disintesis di sitosol. Pfanner et al. (2004) menyatakan bahwa lebih dari 98% protein mitokondria dikode oleh gen nuklear dan disintesis sebagai prekursor protein oleh polisom sitosol. Oleh karena itu, prekursor dari protein-protein yang akan menyusun membran mitokondria tersebut harus diimpor ke dalam mitokondria (Čeleketić, 2008), termasuk salah satunya adalah kelompok protein β-barrel yang menyusun membran luar mitokondria (Ryan, 2004).

Proses translokasi prekursor protein β-barrel dari sitosol ke ruang intermembran melalui gerbang internal (gate internal pore) tidak menggunakan energi yang berasal dari ATP, melainkan melalui binding-chain process. Berdasarkan hipotesis binding-chain tersebut, translokasi perkursor tejadi ketika suatu sinyal dari prekursor protein berinteraksi dengan beberapa reseptor melalui peristiwa peningkatan afinitas (Paschen et al., 2005).

Suatu sinyal peptidase yang membantu dalam mengarahkan prekursor protein β-barrel dari sitosol ke membran mitokondria pada proses post-translasional sering disebut dengan targeting signal sequence. Sekuens ini merupakan sebuah heterodimer dengan subunit 32-kDa dan 30-kDa (Hachiya et al., 1993 dalam Pfanner et al., 1997). Sekuens tersebut berupa sekuens N-terminal (N-terminal sequences) yang disusun oleh sekitar 15-30 residu asam amino bermuatan positif (Gambar 3.) (Horwich, 1990 dalam Pfanner et al., 2004).

Gambar 3. Targeting signal post-translasional mitokondria (Sumber: Paetzel et al., 2002).

            Proses translokasi prekursor protein β-barrel dilakukan oleh kompleks protein TOM (the translocase of the outer membrane) yang terdapat di membran luar mitokondria. Becker et al. (2009) dan Habib (2006) menyatakan bahwa kompleks protein TOM pada membran luar mitokondria merupakan kompleks multi-subunit dengan berat molekul 450-kDa yang tersusun atas beberapa protein reseptor, yaitu Tom20, Tom70, dan Tom22, protein Tom kecil yaitu Tom5, Tom6, dan Tom7, dan bagian tengah yang merupakan gerbang masuk prekursor adalah Tom40.

Gambar 4. (a)Proses penambahan targeting signal pada prekursor oleh chaperone yaitu MSF (The mitochondrial import stimulation factor) dan cHsp70 di sitosol sebelum ditranslokasikan; (b) Translokasi prekursor protein β-Barrel melalui kompleks TOM dan kompleks SAM hingga proses import pada lapisan lipid bilayer membran luar mitokondria (Outer Membrane) (Sumber: Becker et al., 2009; Pfanner et al., 1997).

            Prekursor protein β-barrel yang telah disintesis di sitosol pada awalnya akan membentuk komponen targeting signal sequence. Sekuens targeting signal dari prekursor protein β-barrel kemudian dikenali oleh subunit Tom70 yang dibantu oleh chaperon sitosolik yaitu oleh MSF (The mitochondrial import stimulation factor) dan Hsp70 (Gambar 4a.) (Habib, 2006; Čeleketić, 2008). Sherman dan Nargang (2005) menyatakan bahwa subunit Tom70 berfungsi sebagai reseptor prekursor protein kompleks TOM pada membran luar mitokondria (Gambar 4b). Prekursor protein β-barrel kemudian dipindahkan ke unit Tom20, yang berhubungan dengan Tom22 (Paschen, et al., 2005). Setelah itu, dengan bantuan subunit Tom5, Tom6, Tom7 prekursor tersebut kemudian ditranslokasikan melintasi membran luar melalui pori umum GIP (general internal pore; Tom40) dari kompleks TOM hingga memasuki ruang intermembran (Pascen et al., 2005).

            Tom5 sangat erat kaitannya dengan Tom40 dan merupakan link yang menghubungkan antara reseptor impor dan pori impor umum (Dietmeier et al., 1997). Hal ini diperlukan untuk transfer dan penyisipan prekursor protein melintasi pori umum (general pore; Tom40). Sedangkan Tom 6 dan Tom 7 tidak secara langsung berinteraksi dengan prekursor protein transit (prekursor protein β-barrel), namun kedua subunit tersebut memodulasi perakitan dan disosiasi subunit kompleks translokasi tersebut. Tom6 mempromosikan asosiasi dari kedua reseptor sub-kompleks, Tom20-Tom22 dan Tom70-Tom37, dengan komponen impor pori Tom40 (Alconada et al., 1995). Tom7 lebih cenderung mempengaruhi interaksi antara Tom20, Tom22, dan Tom40 dalam memfasilitasi pelepasan lateral preprotein ke dalam membran luar atau pada bagian ruang intermembran (Honlinger et al., 1996).

            Prekursor protein β-barel yang masuk ke dalam ruang intermembran melalui protein Tom40 kemudian berasosiasi dengan kompleks protein Tim yang berasal dari ruangan intermembran (Walther et al., 2009). Protein Tim9-Tim10 dan Tim8-Tim13 tersebut mencegah terjadinya agregasi pada prekursor di dalam ruang intermembran (IMS) serta mengantarkan prekursor protein β-barel menuju ke kompleks SAM/TOB (sorting and assembly machinery) (Koehler, 2004 dalam Walther et al., 2009). Becker et al. (2009) menyatakan bahwa kompleks SAM memainkan peran penting dalam perakitan kompleks TOM dari prekursor β-barel. Kompleks SAM yang terdiri atas Sam50 (Tob 55) dan dua subunit perifer Sam35 dan Sam37 membentuk kompleks SAM_core.

            Protein β-barrel kemudian akan berinteraksi dengan Sam50 dan Sam35. Perkursor tersebut masuk ke kompleks TOM melalui Sam50 khususnya pada bagian POTRA (polypeptide-transport associated) (Imai et al., 2011). Habib et al. (2007) menyatakan bahwa bagian POTRA dari Sam50 berfungsi sebagai reseptor bagi prekursor protein β-barrel yang telah ditranslokasikan ke dalam ruang intermembran. Setelah itu, subunit Sam35 akan mengikat bagian β-signal, yang merupakan sebuah sekuens yang terletak di bagian C-terminal dari prekursor dan merupakan sebuah sinyal insersi (insertion signal) dari prekursor protein β-barrel. Proses selanjutnya adalah mengimpor prekursor β-barel dan melakukan proses topogenesis oleh kompleks TOM pada membran luar (outer membrane) mitokondria (Habib, 2006).

            Topogenesis dari prekursor protein β-barrel dapat berupa protein porin, Tom40, ataupun Mdm10. Salah satu contoh topogenesis atau perakitan dari protein β-barrel adalah protein Tom40, dimana dalam biogenesisnya subunit ini bergabung dengan subunit lain untuk membentuk kompleks TOM (Gambar 5). Setelah terjadi translokasi dari sitosol menuju ruang intermembran (dalam hal ini prekursor protein Tom40 adalah salah satu jenis prekursor protein β-barrel), prekursor tersebut kemudian berasosiasi dengan kompleks SAM membentuk senyawa inetrmediat 1 yang memiliki berat atom 250-kDa dan diinsersi pada lapisan lipida bilayer membran luar mitokondria (Paschen et al., 2005).

Gambar 5. Proses Biogenesis Tom40 (protein β-barrel) membentuk kompleks TOM  (Sumber: Paschen et al., 2005).

            Setelah proses import yang dimediasi oleh kompleks SAM, prekursor Tom40 kemudian membentuk kompleks intermediat kedua yang berasosiasi dengan molekul subunit Tom5 dengan berat atom 100-kDa. Senyawa intermediat yang kedua ini kemudian diubah menjadi kompleks TOM_core yang berasosiasi dengan molekul subunit Tom6, Tom7, dan Tom22 yang dibantu oleh subunit Mdm10 (Paschen et al., 2005). Pada akhirnya, subunit Mim1, yang merupakan komponen penting dalam proses integrasi dan perakitan kompleks TOM, berasosiasi dengan kompleks SAM membantu dalam interaksi dan perakitan dari subunit terakhir yaitu subunit Tom22 dan Tom70 terhadap kompleks TOM_core hingga membentuk kompleks TOM_holo (Becker et al., 2009).

Referensi

Alconada A., Gartner F., Honlinger A., Kubrich M., Pfanner N.,1995, Mitochondrial Receptor Complex from Neurospora crassa and Saccharomyces cerevisiae, Meth. Enzymol. Vol.260:263–286.

Becker, T., Gebert, M., Pfanner, N., Laan Vd.M., 2009, Biogenesis of Mitochondrial Membrane Proteins, ScienceDirect, Vol. 21:484–493.

Čeleketić, J.P., 2008, The Function of Mim1 in The Biogenesis of The Mitochondrial TOM Complex, Disertasi, Universitas München, Jerman.

Gabriel, K., Buchanan S.K., dan Lithgow T., 2001, The Alpha and Beta: Protein

Translocation Across Mitochondrial and Plastid Outer Membranes. Trends Biochem. Science, Vol.26:36-40.

Gentle I, Gabriel K, Beech P, Waller R, Lithgow T., 2004, The Omp85 Family of Proteins Is Essential for Outer Membrane Biogenesis in Mitochondria and Bacteria. J Cell Biol, Vol.164:19-24.

Gunter, T.E., Yule D.I., Gunter K.K., Eliseev R.A., dan Salter J.D., 2004, Calcium and Mitochondria, FEBS Lett,  Vol.567:96-102.

Habib, S.J., 2006, Biogenesis and Function of Mitochondrial Outer Membrane Proteins, Disertasi, Universitas München, Jerman.

Habib S.J., Waizenegger T., Niewienda A., Paschen S.A., Neupert W., Rapaport D., 2007, The N-terminal Domain of Tob55 Has a Receptor Like Function in The Biogenesis of Mitochondrial b-barrel Proteins., J Cell Biol, Vol.176:77-88.

Honlinger A., Kubrich M., Moczko M.,Gartner F., Mallet L., 1995. The Mitochondrial Receptor Complex: Mom22 Is Essential for Cell Viability and Directly Interacts With Preproteins, Mol. Cell. Biol, Vol.15:3382–3389.

Imai, K.; Fujita, N.; Gromiha, M.M.; Horton, P., 2011, Eukaryote-wide Sequence Analysis of Mitochondrial β-barrel Outer Membrane Proteins, BMC Genomics, Vol.12:79-95.

Model K., Prinz T., Ruiz T., Radermacher M., Krimmer T., Kuhlbrandt W., Pfanner N., dan Meisinger C., 2002, Protein Translocase of The Outer Mitochondrial Membrane: Role of Import Receptors in The Structural Organization of The TOM Complex, J. Mol. Biol, Vol.316:657-666.

Muhlenhoff, U. dan Lill R., 2000. Biogenesis of Iron-Sulfur Proteins in Eukaryotes: A Novel Task of Mitochondria That Is Inherited from Bacteria. Biochim Biophys Acta, Vol.1459:370-82.

Paschen, S.A., Waizenegger, T., Stan, T., Preuss, M., Cyrklaff, M., Hell, K., Rapaport, D., and Neupert, W., 2003, Evolutionary Conservation of Biogenesis of Beta-Barrel Membrane Proteins, Nature, Vol.426:862-866.

Paetzel M., Karla A., Natalie C. J., Strynadka,  dan Ross E.D., 2002, Signal Peptidase. Chem. Rev., Vol.102: 4549-4579.

Pfanner N., Craig E.A., Honlinger A., 1997, Mitochondrial Preprotein Translocase, Cell Dev. Biol, Vol.13:25-51.

Ryan, Michael T., 2004, Chaperones: Inserting Beta Barrels Dispath into Membranes, Current Biology, Vol.14:207–209.

Sherman E.L., Go N.E., dan Nargang F.E., 2005, Function of the Small Protein in the TOM Complex of Neurosspora crassa, Mol Biol Cell, Vol.16:4172-4182.

Walther D.M, Rapaport D., Tommasen J., 2009, Biogenesis of b-barrel Membrane Proteins in Bacteria and Eukaryotes: Evolutionary, Conservation, and Divergence, Cell. Mol. Life Sci.,Vol.66:2789–2804.