Komunikasi, Replikasi, dan Metabolisme Sel

Komunikasi Sel

Sel dalam organisme multiseluler perlu berkomunikasi satu sama lain untuk mengkoordinasikan fungsinya dan mengontrol pertumbuhannya. Tubuh manusia memiliki beberapa cara untuk mentransmisikan informasi antar sel. Mekanisme ini antara komunikasi langsung antara sel-sel yang berdekatan melalui gap junction, pensinyalan autokrin dan parakrin, dan pensinyalan endokrin atau sinaptik.

Pensinyalan autokrin terjadi ketika sel melepaskan zat kimia ke dalam cairan ekstraseluler yang mempengaruhi aktivitasnya sendiri. Dengan pensinyalan parakrin, enzim dengan cepat memetabolisme mediator kimia, dan karena itu mereka bekerja terutama pada sel terdekat.

Pensinyalan endokrin bergantung pada hormon yang dibawa dalam  aliran darah ke sel-sel di seluruh tubuh. Pensinyalan sinaptik terjadi pada sistem saraf, di mana neurotransmiter bekerja pada sel yang berdekatan melalui area kontak khusus yang disebut sinapsis. 

Pada beberapa bagian tubuh, media pensinyalan yang sama dapat berfungsi sebagai neurotransmitter, mediator parakrin, dan mediator hormonal yang disekresikan oleh neuron ke dalam aliran darah.

Reseptor Sel

Sistem pensinyalan terdiri dari reseptor yang berada di membran sel (reseptor permukaan) atau di dalam sel (reseptor intraseluler). Reseptor diaktifkan oleh berbagai sinyal ekstraseluler atau pembawa pesan, neurotransmiter, hormon dan faktor pertumbuhan, steroid, dan pembawa pesan kimia lainnya. 

Beberapa pembawa pesan (messenger) kimiawi yang larut dalam lemak bergerak melalui membran dan berikatan dengan reseptor sitoplasma atau nukleus untuk mengerahkan efek fisiologisnya. 

Sistem pensinyalan juga mencakup transduser dan efektor yang terlibat dalam pengubahan sinyal menjadi respons fisiologis. Jalur tersebut mungkin termasuk mekanisme  intraseluler  tambahan yang disebut second messenger. 

Molekul utama yang terlibat dalam transduksi sinyal adalah protein. Sifat unik dari protein yang memungkinkannya berfungsi dengan cara ini adalah kemampuannya untuk mengubah bentuk atau konformasinya sehingga mengubah fungsinya. Protein menyelesaikan perubahan konformasi ini melalui enzim yang disebut protein kinase yang mengkatalisis fosforilasi asam amino dalam struktur protein.

Reseptor Permukaan Sel

Setiap jenis sel dalam tubuh mengandung satu set reseptor permukaan yang khas yang memungkinkannya untuk merespons satu set molekul pemberi sinyal komplementer dengan cara yang spesifik dan terprogram. 

Protein ini bukanlah komponen statis membran sel, tapi mereka bertambah atau berkurang jumlahnya sesuai dengan kebutuhan sel. Ketika messenger pemberi sinyal kimia berlebih, jumlah reseptor aktif akan berkurang, dimana  proses yang disebut Down-Regulation.

Sebaliknya, ketika ada kekurangan protein pembawa pesan (messenger) , jumlah reseptor aktif meningkat melalui Up-Regulation. Terdapat tiga kelas protein reseptor permukaan sel yang teridentifikasi yaitu G-protein-linked, Ion-Channel-linked, dan Enzyme-linked.

Reseptor terkait protein G

Reseptor terkait protein G (G-protein-linked) merupakan keluarga terbesar dari reseptor permukaan sel dengan lebih dari 1000 jenis. Protein pengatur ini mengikat nukleotida guanin seperti guanin difosfat (GDP) dan guanin trifosfat (GTP). 

Karena protein pengatur ini mengikat nukleotida guanin seperti guanin difosfat (GDP) dan guanin trifosfat (GTP), mereka disebut protein G. Reseptor terkait G-protein memediasi respons seluler untuk berbagai jenis messenger seperti protein, peptida, asam amino, dan turunan asam lemak seperti prostaglandin.

Meskipun terdapat perbedaan di antara masing-masing jenis reseptor yang terhubung dengan protein-G, semuanya memiliki sejumlah kesamaan yaitu komponen reseptor ekstraseluler pengikat ligan yang berfungsi sebagai pembeda sinyal dengan mengenali pembawa pesan pertama tertentu dan mengalami perubahan konformasi dengan pengikatan reseptor yang mengaktifkan protein G. 

Semua protein G ditemukan di sisi sitoplasma membran sel dan menggabungkan siklus GTPase yang berfungsi sebagai saklar molekuler. Dalam keadaan aktif protein G memiliki afinitas tinggi terhadap GTP, dan dalam keadaan tidak aktif ia mengikat PDB.

Pada tingkat molekuler, protein G adalah protein heterotrimerik yaitu memiliki tiga subunit protein yaitu alpha, beta, dan gamma. Subunit alfa dapat mengikat GDP atau GTP dan mengandung aktivitas GTPase. GTPase adalah enzim yang mengubah GTP dengan tiga gugus fosfatnya menjadi GDP dengan dua gugus fosfatnya.

Ketika GDP terikat pada subunit alfa, protein G dalam keadaan aktif. Protein G yang teraktivasi memiliki aktivitas GTPase, sehingga akhirnya GTP yang terikat dihidrolisis menjadi GDP, dan protein G kembali ke keadaan tidak aktifnya. 

Aktivasi reseptor menyebabkan subunit alfa terdisosiasi dari reseptor dan subunit beta dan gamma lalu mengirimkan sinyal dari pembawa pesan pertama ke protein efektornya. 

Seringkali, efektor adalah enzim yang mengubah molekul prekursor yang tidak aktif menjadi pembawa pesan kedua (second messenger), yang berdifusi ke dalam sitoplasma dan membawa sinyal melewati membran sel. Pembawa pesan kedua yang umum adalah siklik adenosin monofosfat (cAMP). 

Proses ini diaktifkan oleh enzim adenylyl cyclase, yang menghasilkan cAMP dengan mentransfer gugus cincin fosfat dari ATP ke protein lain. Transfer ini mengubah konformasi dan fungsi protein ini. Perubahan tersebut akhirnya menghasilkan respon sel terhadap pesan pertama, apakah itu sekresi, kontraksi, relaksasi, atau perubahan metabolisme.

Selain itu, proses ini kadang-kadang juga terlibat dalam pembukaan saluran membran dalam keluar masuknya kalsium atau kalium.

Racun bakteri tertentu dapat mengikat protein G, menyebabkan penghambatan atau stimulasi fungsi sinyalnya. Sebagai contoh, toksin Vibrio cholerae mengikat dan mengaktifkan protein G stimulasi yang terhubung dengan sistem cAMP yang mengontrol sekresi cairan ke dalam usus. Menanggapi toksin kolera, sel-sel ini memproduksi cairan secara berlebihan, menyebabkan diare parah dan penipisan volume cairan ekstraseluler yang mengancam jiwa.

Reseptor Terkait Enzim

Reseptor Terkait Enzim (Enzyme-linked) adalah protein transmembran dengan tempat pengikatan ligannya pada permukaan luar membran sel. Domain sitosolnya memiliki aktivitas enzim intrinsik atau berasosiasi secara langsung dengan enzim. 

Terdapat beberapa kelas reseptor terkait-enzim, antara lain yang mengaktifkan atau memiliki aktivitas tirosin kinase. Reseptor terkait-enzim memediasi respons seluler seperti masuknya kalsium, peningkatan pertukaran natrium-kalium, serta stimulasi pengambilan glukosa dan asam amino. Contohnya adalah Insulin, yang bekerja dengan mengikat reseptor permukaan dengan aktivitas tirosin kinase.

Kaskade pensinyalan yang dihasilkan oleh aktivasi reseptor tirosin kinase juga terlibat dalam fungsi faktor pertumbuhan. Sesuai dengan namanya, banyak faktor pertumbuhan merupakan pembawa pesan penting dalam memberi sinyal penggantian sel dan pertumbuhan sel.

Sebagian besar faktor pertumbuhan sel merupakan salah satu dari tiga kelompok faktor, yaitu: (a) Faktor yang mendorong multiplikasi dan perkembangan berbagai jenis sel ,misalnya faktor pertumbuhan epidermal dan faktor pertumbuhan endotel vaskular. (b) sitokin yang penting dalam pengaturan sistem imun, dan (c) Faktor perangsang koloni yang mengatur proliferasi dan pematangan sel darah putih dan merah. 

Semua faktor pertumbuhan berfungsi dengan mengikat reseptor spesifik yang mengirimkan sinyal ke sel target. Sinyal-sinyal ini memiliki dua efek umum yaitu merangsang transkripsi banyak gen yang diam dalam sel istirahat, dan mereka mengatur masuknya sel ke dalam siklus sel dan perjalanannya melalui siklus sel.

Reseptor Terkait Saluran Ion

Reseptor yang terhubung dengan saluran ion (Ion-Channel-Linked-Receptor) terlibat dalam pensinyalan sinaptik cepat antara sel-sel yang dapat dirangsang secara elektrik. Banyak neurotransmiter memediasi jenis pensinyalan ini dengan membuka atau menutup sementara saluran ion yang dibentuk oleh protein integral dalam membran sel. Jenis pensinyalan ini terlibat dalam transmisi impuls di sel saraf dan otot.

Reseptor Intraseluler

Beberapa pembawa pesan, seperti hormon tiroid dan hormon steroid, tidak berikatan dengan reseptor membran tetapi bergerak langsung melintasi lapisan lipid membran sel dan dibawa ke inti sel di mana mereka memengaruhi aktivitas DNA. 

Berbagai jenis dari hormon ini berikatan dengan reseptor sitoplasma, dan kompleks reseptor-hormon dibawa ke nukleus. Di dalam nukleus, kompleks reseptor-hormon berikatan dengan DNA, sehingga meningkatkan transkripsi mRNA. MRNA diterjemahkan dalam ribosom, dengan produksi protein dalam jumlah yang meningkat dan mengubah fungsi sel.

Siklus dan Replikasi Sel

Siklus sel biasanya dibagi menjadi lima fase yaitu: G0, G1, S, G2, dan M. G0 adalah tahap ketika sel dapat meninggalkan siklus sel dan tetap dalam keadaan tidak aktif atau masuk kembali ke siklus sel di lain waktu. 

G1 adalah tahap di mana sel mulai mempersiapkan mitosis melalui sintesis DNA dan protein serta peningkatan elemen organel dan sitoskeletal. Fase S adalah fase sintesis, di mana terjadi replikasi DNA dan sentriol mulai bereplikasi. G2 adalah fase pre mitotik dan mirip dengan G1 dalam hal aktivitas RNA dan sintesis protein.

Fase M adalah fase di mana mitosis sel terjadi. Jaringan mungkin sebagian besar terdiri dari sel diam di G0, tetapi sebagian besar jaringan mengandung kombinasi sel yang terus bergerak melalui siklus sel. Sel-sel yang tidak membelah, seperti neuron, sel otot rangka dan jantung tidak mampu melakukan pembelahan mitosis.

Pembelahan sel atau mitosis, adalah proses di mana sel induk membelah dan setiap sel anak menerima kariotipe kromosom somatik yang identik dengan sel induk. Pembelahan sel memberi tubuh sarana untuk menggantikan sel-sel yang memiliki masa hidup terbatas seperti kulit dan sel darah, meningkatkan massa jaringan selama periode pertumbuhan, dan memberikan perbaikan jaringan serta penyembuhan luka.

Mitosis, yang merupakan proses dinamis dan berkesinambungan, dibagi menjadi empat tahap yaitu profase, metafase, anafase, dan telofase. Sedangkan fase di mana sel tidak mengalami pembelahan disebut interfase. 

Pada tahap profase, kromosom menjadi terlihat karena peningkatan gulungan DNA, dua sentriol bereplikasi, dan sepasang bergerak ke setiap sisi sel. Bersamaan dengan itu, mikrotubulus dari gelendong mitosis muncul di antara dua pasang sentriol. Kemudian dalam profase, selubung inti dan nukleolus menghilang. 

Metafase melibatkan pengorganisasian pasangan kromosom di garis tengah sel dan pembentukan gelendong mitosis yang terdiri dari mikrotubulus.

Anafase adalah periode dimana terjadi pemisahan pasangan kromosom dengan mikrotubulus menarik satu anggota dari setiap pasangan dari 46 kromosom menuju kutub sel yang berlawanan.

Pembelahan sel atau sitokinesis selesai setelah telofase, tahap di mana gelendong mitosis menghilang dan membran nuklear baru berkembang dan membungkus setiap set lengkap kromosom.

Pembelahan sel dikendalikan oleh perubahan konsentrasi dan aktivitas tiga kelompok utama protein intraseluler yaitu: (1) siklin, (2) kinase yang bergantung pada siklin (CDK), dan (3) kompleks pemacu anafase. 

Komponen utama dari sistem kontrol siklus sel adalah CDK, yang aktivitasnya bergantung pada hubungannya dengan unit pengatur yang disebut siklin. Osilasi dalam aktivitas berbagai CDK mengarah pada inisiasi berbagai fase siklus sel.

Pembelahan sel juga dikendalikan oleh beberapa faktor eksternal,seperti adanya sitokin, berbagai faktor pertumbuhan, atau bahkan faktor adhesi ketika sel tersebut berhubungan dengan sel lain dalam suatu jaringan.

Metabolisme dan Sumber Energi Sel

Energi adalah kemampuan untuk melakukan usaha. Sel menggunakan oksigen untuk mengubah hasil pemecahan makanan yang kita makan menjadi energi yang dibutuhkan untuk kontraksi otot; pengangkutan ion dan molekul lain melintasi membran sel; dan sintesis enzim, hormon, dan makromolekul lainnya. 

Metabolisme energi mengacu pada proses di mana lemak, protein, dan karbohidrat dari makanan yang kita makan diubah menjadi energi atau sumber energi kompleks di dalam sel. 

Katabolisme dan anabolisme adalah dua fase metabolisme. Katabolisme terdiri dari memecah nutrisi yang disimpan dan jaringan tubuh untuk menghasilkan energi. Anabolisme adalah proses konstruktif di mana molekul yang lebih kompleks terbentuk dari yang lebih sederhana.

Pembawa khusus untuk energi seluler adalah ATP. Molekul ATP terdiri dari adenosin, basa nitrogen; ribose, karbon, dan tiga gugus fosfat. Gugus fosfat diikat oleh dua ikatan berenergi tinggi. 

Sejumlah besar energi bebas dilepaskan ketika ATP dihidrolisis untuk membentuk adenosin difosfat (ADP), molekul adenosin yang mengandung dua gugus fosfat. Energi bebas yang dibebaskan dari hidrolisis ATP digunakan untuk menggerakkan reaksi yang membutuhkan energi bebas. Energi dari bahan makanan digunakan untuk mengubah ADP kembali menjadi ATP. Karena energi dapat disimpan atau dihabiskan.

Transformasi energi terjadi di dalam sel melalui dua jenis produksi energi, yaitu jalur glikolitik anaerobik (tanpa oksigen) yang terjadi di sitoplasma, dan jalur aerobik (dengan oksigen), yang terjadi di mitokondria. 

Jalur glikolitik anaerob berfungsi sebagai pendahuluan penting untuk jalur aerobik. Kedua jalur melibatkan reaksi oksidasi-reduksi yang melibatkan donor elektron, yang teroksidasi dalam reaksi, dan akseptor elektron yang tereduksi dalam reaksi. 

Dalam metabolisme energi, hasil pemecahan metabolisme karbohidrat, lemak, dan protein menyumbangkan elektron dan dioksidasi, serta koenzim nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+) dan flavin adenine dinucleotide (FAD) menerima elektron dan direduksi.

Metabolisme Anaerob

Glikolisis adalah proses pemecahan glukosa menjadi energi. Proses ini adalah penyedia energi penting untuk sel dengan jumlah mitokondria yang kurang. Proses ini juga menyediakan energi dalam kondisi terganggunya pengiriman oksigen ke sel. 

Glikolisis melibatkan serangkaian reaksi yang mengubah glukosa menjadi piruvat, bersamaan dengan produksi ATP dari ADP. Jumlah energi yang dihasilkan proses glikolisis dari satu molekul glukosa adalah dua molekul ATP. 

Meskipun relatif tidak efisien untuk menghasilkan energi, jalur glikolitik penting selama periode penurunan oksigen, seperti yang terjadi pada otot rangka selama beberapa menit pertama latihan.

Glikolisis membutuhkan adanya NAD+, produk akhir penting dari glikolisis adalah piruvat dan NADH (bentuk tereduksi dari NAD+) plus H+. Ketika ada oksigen, piruvat bergerak ke jalur mitokondria aerobik, dan NADH + H+ mengirimkan elektron dan protonnya (H+) ke sistem transpor elektron oksidatif. Transfer elektron dari NADH + H+ ke sistem transpor elektron memungkinkan proses glikolitik berlanjut dengan memfasilitasi regenerasi NAD+.

Dalam kondisi anaerobik seperti henti jantung atau syok sirkulasi, piruvat diubah menjadi asam laktat, yang berdifusi keluar sel ke dalam cairan ekstraseluler. Konversi piruvat  menjadi asam laktat bersifat reversibel, dan setelah pasokan oksigen kembali, asam laktat diubah kembali menjadi piruvat dan digunakan langsung untuk energi atau untuk mensintesis glukosa.

Sebagian besar pengubahan asam laktat terjadi di hati, tetapi sejumlah kecil dapat terjadi di jaringan lain. Hati menghilangkan asam laktat dari aliran darah dan mengubahnya menjadi glukosa dalam proses yang disebut glukoneogenesis. Glukosa ini dilepaskan ke dalam aliran darah untuk digunakan kembali oleh otot atau oleh sistem saraf pusat.

Otot jantung juga efisien dalam mengubah asam laktat menjadi asam piruvat dan kemudian menggunakan asam piruvat sebagai bahan bakar. Asam piruvat adalah sumber bahan bakar yang sangat penting bagi jantung selama latihan berat ketika otot rangka memproduksi asam laktat dalam jumlah besar dan melepaskannya ke aliran darah.

Metabolisme Aerobik

Metabolisme aerobik terjadi di mitokondria sel dan melibatkan siklus asam sitrat dan rantai transpor elektron. Di sinilah senyawa karbon dari lemak, protein, dan karbohidrat dalam makanan kita dipecah dan elektronnya bergabung dengan molekul oksigen untuk membentuk karbon dioksida dan air sebagai energi yang dilepaskan. 

Tidak seperti asam laktat yang merupakan produk akhir metabolisme anaerobik, karbon dioksida dan air umumnya tidak berbahaya dan mudah dikeluarkan dari tubuh. Dalam periode 24 jam, metabolisme oksidatif menghasilkan 300 hingga 500 mL air.

Siklus asam sitrat, kadang-kadang disebut asam trikarboksilat (TCA) atau siklus Krebs, menyediakan jalur umum terakhir untuk metabolisme nutrisi. Dalam siklus asam sitrat, yang terjadi dalam matriks mitokondria, molekul dua karbon aktif dari asetil-koenzim A (asetil-KoA) mengembun dengan molekul empat karbon asam oksaloasetat dan bergerak melalui serangkaian enzim. langkah-langkah yang dimediasi.

Proses ini menghasilkan atom hidrogen dan karbon dioksida. Saat hidrogen dihasilkan, ia bergabung dengan NAD+ atau FAD untuk ditransfer ke sistem transpor elektron. 

Dalam siklus asam sitrat, masing-masing dari dua molekul piruvat yang terbentuk di sitoplasma dari satu molekul glukosa menghasilkan molekul ATP lainnya bersama dengan dua molekul karbon dioksida dan delapan elektron yang berakhir pada tiga molekul NADH + H+ dan satu dari FADH2. Selain piruvat dari glikolisis glukosa, produk degradasi asam amino dan asam lemak memasuki siklus asam sitrat dan berkontribusi pada pembentukan ATP.

Metabolisme oksidatif, yang memasok 90% kebutuhan energi  tubuh, berlangsung dalam rantai transpor elektron di mitokondria. Rantai transpor elektron mengoksidasi NADH + H+ dan FADH2 dan menyumbangkan elektron ke oksigen, yang direduksi menjadi air. 

Energi dari reduksi oksigen digunakan untuk fosforilasi ADP menjadi ATP. Karena pembentukan ATP melibatkan penambahan ikatan fosfat berenergi tinggi ke ADP, proses ini terkadang disebut fosforilasi oksidatif.

Di antara anggota rantai transpor elektron terdapat beberapa molekul yang mengandung besi yang disebut sitokrom. Setiap sitokrom adalah protein yang mengandung struktur heme yang mirip dengan hemoglobin. 

Kompleks sitokrom terakhir adalah sitokrom oksidase yang meneruskan elektron dari sitokrom c ke oksigen. Sitokrom oksidase memiliki afinitas pengikatan yang lebih rendah terhadap oksigen daripada mioglobin (pembawa oksigen yang mengandung heme intraseluler) atau hemoglobin (transporter oksigen yang mengandung heme dalam eritrosit dalam darah). 

Jadi, oksigen ditarik dari eritrosit ke mioglobin dan dari mioglobin ke sitokrom oksidase, di mana ia direduksi menjadi H2O. Meskipun anemia defisiensi besi ditandai  dengan penurunan kadar hemoglobin, sitokrom yang mengandung besi dalam rantai transpor elektron dalam jaringan seperti otot rangka juga terpengaruh. Dengan demikian, kelelahan yang berkembang pada anemia defisiensi besi sebagian disebabkan  oleh  gangguan  fungsi rantai transpor elektron.

Kesimpulan

Sel berkomunikasi satu sama lain dengan sistem perantara kimia. Di beberapa jaringan, pembawa pesan kimia berpindah dari sel ke sel melalui sambungan celah tanpa memasuki cairan ekstraseluler. 

Jenis pembawa pesan kimia lainnya berikatan dengan reseptor di atau permukaan sel. Tiga kelas protein reseptor permukaan sel antara lain: G-protein-linked, ion-channel-linked, dan enzim-linked. 

Reseptor terkait G-protein (G-protein-linked) bergantung pada kelas molekul yang disebut protein G yang berfungsi sebagai saklar on-off untuk mengubah sinyal eksternal (first messenger) menjadi sinyal internal (second messenger). 

Pensinyalan terkait saluran ion dimediasi oleh neurotransmiter yang secara sementara membuka atau menutup saluran ion (ion-channel-linked) yang dibentuk oleh protein integral dalam membran sel. 

Sedangkan reseptor terkait enzim (enzim-linked) berinteraksi dengan hormon peptida tertentu, seperti insulin dan faktor pertumbuhan, dan secara langsung memulai aktivitas enzim protein-tirosin kinase intraseluler.

Siklus sel dibagi menjadi lima fase yaitu: G0 atau fase istirahat; G1 di mana sel mulai mempersiapkan pembelahan melalui sintesis DNA dan protein, fase S atau sintetik di mana terjadi replikasi DNA, G2 yang merupakan fase pre mitotik dan mirip dengan G1 dalam hal sintesis RNA dan protein,  dan fase M di mana pembelahan sel terjadi. 

Pembelahan sel atau mitosis adalah proses di mana sel induk membelah menjadi dua sel anak dan masing-masing menerima sepasang kromosom yang identik. Proses mitosis bersifat dinamis dan berkesinambungan dan dibagi menjadi empat tahap yaitu: profase, metafase, anafase, dan telofase.

Metabolisme adalah proses di mana karbohidrat, lemak, dan protein dari makanan yang kita makan dipecah dan selanjutnya diubah menjadi energi yang dibutuhkan untuk fungsi sel.

Terdapat dua situs konversi energi pada sel, yaitu jalur glikolitik anaerobik di sitoplasma dan jalur aerob di mitokondria. Yang paling efisien dari jalur ini adalah siklus asam sitrat aerobic dan rantai transpor elektron dalam mitokondria. 

Jalur ini membutuhkan oksigen dan menghasilkan karbon dioksida dan air sebagai produk akhir. Jalur glikolitik dalam sitoplasma melibatkan pemecahan glukosa untuk membentuk ATP. Jalur jalur ini dapat berfungsi tanpa oksigen dengan menghasilkan asam laktat. 

Sumber:  Port C. M & Matfin G. 2009. Pathophysiology: Concepts of Altered Health States. Lippincott Williams & Wilkins.