Konsep, Struktur, Fungsi, dan Mekanisme Transport pada Membran Plasma

Bagaimana membran disusun

Untuk tetap hidup, semua benda hidup memerlukan membran. Membran merupakan lapisan yang memisahkan lingkungan luar sel dengan kompartemen-kompartemen yang ada di dalam sel. Memiliki sifat yang selektif permeabel, membran mengontrol perpindahan substansi dari dalam dan keluar sel. Membran juga mengontrol aliran informasi diantara sel melalui pencocokan molekul  sinyal yang diterima dari sel lain. Akhirnya, membran juga berkaitan dengan proses penangkapan dan pelepasan energi dalam hal ini fotosintesis dan fosforilasi oksodatif yang terjadi di membran. Secara luas, membran biologis adalah sesuatu yang tidak hanya berfungsi sebagai pemisah dan penutup saja, tetapi mereka memainkan peranan penting dalam kehidupan sel.

Tiga komponen membran

Membran biologis disusun oleh tiga komponen utama yaitu lipid, protein, dan senyawa gula. Semua membran memiliki struktur yang sama (Gambar 1). Dalam bentuk lembaran lipida bilayer pada molekul lipid memiliki berbagai protein yag tertanam pada struktur tersebut.  Struktur membran sangat cair dan sebagian besarmolekul  lipid dan protein dapat bergerak.  Lipid dan protein berikatan satu sama lain melalui ikatan kovalen. Senyawa gula juga diikat dengan ikatan kovalen pada molekul lipid dan protein. Mereka ditemukan dalam satu sisi saja yaitu pada permukaan luar dari membran plasma.

                                        Gambar 1. Representasi dari struktur membran biologis

Tiga jenis lipid pada sistem membran

Lipid merupakan substansi yang sangat penting secara biologis yang merupakan senyawa yang tidak larut di dalam air tetapi larut di dalam pelarut organik seperti propanone (aseton), etanol, triklorometan (klorofom), dietil eter, dan petroleum. Terdapat tiga jenis utama dari lipid yang ditemukan di membran biologis yaitu fosfolipid, glikolipid, dan kolesterol. Masing-masing jenis memainkan peranan tersendiri pada sistem membran.

Fosfolipid mengandung fosfat

Bentuk paling umum dari fosfolipid penyusun gliserol (propan-1,2,3-triol) berhubungan dengan dua rantai asam lemak, fosfat dan kolin (Gambar 2.) Rantai asam lemak biasanya mengandung 14 sampai 24 atom karbon (C). Satu rantai biasanya bersifat unsaturated yang mengandung satu hingga empat ikatan rangkap cis.

Gambar 2. (a) Fosfatidil kolin, sebuah gliserofosfolipid; (b) Sfingomielin, sebuah sfingofopsfolipid.

Karena mereka mengandung gliserol, tipe dari lipid tersebut disebut dengan gliserofosfolipid. Tiga kelompok gliserofosfolipid mengandung kolin atau serine (HOCH₂CH(COO^-)NH₃⁺), atau etanolamin (HOCH₂CH₂NH₃⁺) yang terikat dengan gugus fosfat. Apakah kamu melihat dari Gambar 2 bagaimana setiap molekul dapat menggantikan kolin menjadi bentuk atau bagian dari fosfolipid? Tipe lain dari fosfolipid mengandung sfingosin sebagai ganti dari gliserol.

Glikolipid mengandung senyawa gula

Sama halnya dengan fosfolipid, molekul glikolipid juga mengandung gliserol atau sfingosin yang berikatan dengan rantai asam lemak (Gambar 3.). glikolipid berbeda dari fosfolipid karena memiliki sebuah gula seperti glukosa atau galaktosa. Glikolipid pada membran sel hewan hampir selalu mengandung sfingosin, sedangkan pada bakteri dan tumbuhan mengandung gliserol. Pada semua kasus, glikolipid ditemukan pada permukaan membran plasma dengan senyawa gula pada permukaan sel.

                                                               Gambar 3. Struktur glikolipid

Kolesterol

Tipe ketiga dari lipid penyusun membran adalah kolesterol, sebuah molekul yang secara struktural sangat berbeda dengan fosfolifid dan glikolipid. Kolesterol mengandung empat buah cincin steroid dengan rantai hidrokarbon pendek dan sebuah grup hidroksi (Gambar 4). Kolesterol ditemukan pada beberapa membran mamalia, dan juga salah satu jenis mikroorganisme (mycoplasma). Kolesterol tidak ditemukan pada kebanyakan membran sel bakteri, begitu juga pada tumbuhan.

Gambar 4. Kolesterol

Dua sisi lipid membran

Sifat utama dari lipid membran adalah sifat ampifatik. Ini berarti bahwa lapisan tersebut memiliki daerah yang hidrofilik (suka air, polar) dan hidrofobik (takut air, non polar). Tiap Fosfolipid dan glikolipid memilikiu kepala yang hidrofilik dan dua ekor yang hidrofobik. Jika ditenggelamkan di dalam air, molekul ini akan berasosiasi secara spontan membentuk bilayer, dengan ekornya yang hidrofobik ditutupi oleh kepala yang hidrofilik (Gambar 5). Bentuk bilayer terjadi karena rantai hidrokarbon pada ekor memiliki kecenderungan yang kuat untuk menjauhi air.

                                        Gambar 5. Konstruksi Lipida Bilayer Membran.

Protein pada membran

Beberapa dari fungsi spesifik pada membran pada dasarnya diselesaikan atau dibantu oleh protein. Dari fungsi tersebut, jumlah dan jenis protein yang ada pada membran bervariasi pada setiap membran yang berbeda. Lebih banyak aktivitas suatu membran, maka semakin banyak pula protein yang dikandungnya. Terdapat beberapa perbedaan protein diasosiasikan pada lipida bilayer membran untuk membentuk bentuk fungsional dari membran tersebut. Jenis protein yang pertama adalah protein yang terbenam dan melintasi lipida bilayer. Contohnya adalah protein transmembran yang terbenam didalam lipida bilayer dan berinteraksi dengan ekor yang hidrofobik dari fosfolipid. Protein ini memiliki bagian hidrofobik yang tertanam pada lipida bilayer dan bagian hidrofilik pada kedua sisi membran (Gambar 6).

                          Gambar 6. Protein Transmembran (Integral) pada fosfolipid bilayer

Protein jenis yang kedua adalah protein yang tidak melintasi membran, melainkan hanya menempel pada membran sisi dalam (sisi sitoplasma) khususnya pada bagian fosfolipid yang menghadap ke sitoplasma. Protein ini biasanya disebut dengan protein intergral (Gambar 7b). Protein-protein integral secara kuat menempel pada fosfolipid dan hanya dapat dirusak atau dilepaskan dengan perlakuan tertentu misalnya deterjen dan pelarut-pelarut organik.  Jenis lainnya adalah protein-protein yang berikatan secara lemah dengan permukaan membran melalui ikatan non-kovalen dengan protein lain di membran. Protein ini biasanya disebut protein perifer. Protein ini dapat dilepas ataupun dapat dihilangkan dengan perlakuan yang ringan seperti mengubah pH lingkungan membran (Gambar 7c).

                           Gambar 7. (a) Protein transmembran; (b) Protein Integral; (c) Protein perifer.

Glikoprotein mengandung senyawa gula

Hampir seluruh protein dari membran plasma yang disusun dan dibeberkan pada permukaan luar sel memiliki senyawa-senyawa gula yang terikat secara kovalen (Gambar 8).  Senyawa gula tersebut diikat pada protein khususnya pada rantai atau sisi –CONH₂ dari asam amino asparagin atau sisi –OH pada asam amino serin atau treonin. Senyawa gula yang berikatan biasanya pendek, memiliki percabangan yang biasanya mengandung sekitar 4 sampai 12 residu monosakarida.

                         Gambar 8. Senyawa gula yang berikatan dengan protein membran.

Transport  Pasif dan Aktif pada membran

Pada kehidupan sel secara keseluruhan, material masuk dan keluar secara kontinyu. Sel-sel memasukkan nutrient-nutrien penting dan mengksresikan limbah-limbah yang bersifat racun bagi sel. Mereka juga mngatur pergerakan ion-ion sehingga komposisi ionik pada bagian dalam sel akan berbeda dari lingkungan luarnya. Akan tetapi tidak semua molekul dapat melintasi membran dengan baik, hal ini dikarenakan membran sel bersifat selektif permeabel. Penyebab dari munculnya sifat ini merupakan akibat dari komponen struktural utama dari membran biologis yaitu lapisan fospolipid (phospholipid bilayer) dengan kepalanya yang bersifat hidrofilik dan ekor yang hidrofobik. Molekul kecil yang bersifat hidrofobik dapat melintasi lapisan dwi-fosfolipid melalui bagian yang hidrofobik. Proses ini dikenal sebagai difusi sederhana. Molekul yang lebih kecil dan lemak yang dapat larut (fat-soluble) akan menembus membran. Molekul-molekul non-polar yang berukuran kecil seperti O₂, dan N₂, serta molekul-molekul polar seperti CO₂, etanol, urea, dapat melintasi membran dengan cepat yang berukuran 10 nm dalam hitungan detik. Semua saluran protein dan beberapa protein karier mentransfer molekul-molekul dan ion-ion melintasi membran ke arah dalam sel. Proses ini disebut dengan transport pasif rena tidak diperlukan input energi untuk peristiwa transport tersebut.

                   Gambar 9. Mekanisme transport umum pada membran sel/ membran plasma.

Sel juga memiliki sistem transport protein yang melakukan transport molekul keluar dari sel, melawan arah gradien elektrokimia sel. Proses ini disebut juga dengan mekanisme transpor aktif karena diperlukan input energi untuk proses atau mekanisme transpor molekul tersebut.  Transpor ini dllakukan oleh protein carier, bukan oleh saluran protein (protein channel). Energi yang digunakan untuk menjalankan transport aktif berasal dari beberapa sumber. Sumber utama energi tersebut adalah dari proses hidrolisis ATP, sedangkan energi lain dapat berasal dari energi cahaya dan energi-energi yang tersimpan dalam gradien ion. Semua sel hewan secara aktiv memiliki mekanisme pompa ion Na⁺ yang keluar dan ion K⁺ yang masuk. Kedua proses transport ini selesaikan atau dibantu dengan enzim pertukaran ATP ase dan protein yang biasa disebut pompa natrium (Sodium pump). Pompa natrium ini merupakan jenis protein intergral dari membran plasma.

Protein ini merupakan tetramer dari dua tipe subunit, yaitu subunit besar dan subunit kecil. Subunit besar mengandung situs pengikatan ATP dan dilibatkan di dalam transport ion. Subunit kecil memiliki senyawa gula pada permukaan ekstra seluler, namun fungsinya belum diketahui(Gambar 23).

Mekanisme transport aktif dalam hal ini pompa ion yang dilakukan pertama kali melalui proses pengikatan ion-ion Na⁺ pada sisi sitosol yang melibatkan fosforilasi dari subunit besar protein karier oleh ATP. Fosforilasi kemudian mengubah bentuk dari subunit sehingga situs pengikatan ion Na⁺  menghadap ke permukaan sisi luar dan ion Na⁺ dilepaskan. Tahap selanjutnya adalah ion-ion K⁺ berikatan dengan subunit pemacu defosforilasi. Proses defosforilasi menyebabkan subunit protein mengubah bentuknya kembali seperti semula oleh karena itu, situs pengikatan kembali menghadap bagian sitosol, dan melepaskan ion-ion K⁺ ke dalam sitosol.

Kelas Biologi Sel A, untuk semua mahasiswa wajib menonton video dari link ini mengenai MEMBRAN PLASMA: https://youtu.be/x3HQ-LTpB1M

Kelas Biologi Sel A, untuk semua mahasiswa wajib menonton video dari link ini untuk mengulang materi minggu lalu mengenai Konsep dan Komponen Sel: https://youtu.be/URUJD5NEXC8

WANNA BE FUN WITH CELL? LET'S SING: https://youtu.be/dGa3P9yKe58

Adapun kelompok dua yang akan membawa diskusi mengenai membran plasma (KONSEP, STRUKTUR, FUNGSI, DAN SISTEM TRANSPORT) adalah:

1. Irvan Yeremia Sirait

2. Nurul Fadillah

3. Niken Farah Ayuhannas
4. Tia Shafira Salsabila
5. Heru Kesuma
6. Yoshephine Dinda Visday Diniari
7. Rika Ratnaningsih
8. Sri Wahyuni

File PPT dikirim ke rikhsan.kurniatuhadi@fmipa.untan.ac.id