Membran Seluler

Membran Plasma

Membran plasma (membran sel, plasmalemma) pada sel hewan merupakan selaput tipis yang menyelubungi sel berada pada bagian paling luar dari sel yang membatasi bagian dalam sel dengan lingkungan luarnya. Membran plasma disusun oleh lipid dan protein yang komponen-komponennya disatukan dalam lembaran tipis oleh ikatan nonkovalen. Membran plasma menjadi suatu pembatas atau filter yang hanya dapat dilalui oleh molekul-molekul tertentu seperti glukosa, asam amino, gliserol dan berbagai ion lain. Sehingga membran plasma disebut sebagai selektif permeabel. Membran plasma juga membentuk kontak fisik antara sel dan struktur yang berdekatan dan bertanggung jawab sebagai perantara dalam komunikasi antar sel.

Membran plasma mempunyai struktur yang dinamis, adanya hubungan yang sangat dekat ke internal sitoskeleton memungkinkan beberapa sel dapat menelan dan menginternalisasi volume kecil dari media ekstraseluler (atau bahkan bergerak dengan cara amoeboid). Vesikel intraseluler dapat menyatu dengan membran plasma agar diguanakn sebagai penghubung sekresi seluler yang sangat penting, seperti hormon atau neurotransmiter. Sifat-sifat membran plasma ini telah termodifikasi di banyak sel seperti, fungsi sistem saraf bergantung pada sifat khusus neuron, yang memiliki membran dan dapat dirangsang secara elektrik.

Struktur

Matriks dasar membran plasma terdiri atas lapisan ganda molekul fosfolipid. Fosfolipid merupakan molekul amfoter yaitu salah satu ujung molekul bersifat hidrofilik (larut dalam air) dan ujung lainnya bersifat hidrofobik (tidak larut dalam air). ujung hidrofobik molekul di bagian dalam lapisan ganda dan ujung hidrofilik di bagian luar. Bagian ujung hidrofobik berada di bagian dalam lapisan ganda (menghadap ke dalam) dan ujung hidrofilik di bagian luar (menghadap ke luar). Pada fosfolipid tertanam berbagai jemis molekul protein, yang memiliki banyak fungsi khusus. Mosaik Fluida merupakan model dalam penyusunan molekul membran plasma yang diformulasikan tahun 1960-an dan awal 1970-an. Memran plasma memiliki kisaran ketebalan 6-10 nm dan berdasarkan beratnya terdiri 50% lipid dan 50% protein. Selain berbagai jenis fosfolipid dan protein, molekul lain yang terdapat pada membran plasma yaitu kolesterol dan karbohidrat  dalam jumlah yang sedikit kecil. Karbohidrat pada membran plasma berdasarkan tempat melekatnya dibedakan atas 2 yaitu melekat pada protein (untuk membentuk glikoprotein) atau melekat pada lipid (untuk membentuk glikolipid). Bagian karbohidrat dari glikoprotein dan glikolipid terletak pada permukaan ekstraseluler membran dan membentuk lapisan (glikokaliks). Glikokaliks menyediakan penutup pelindung untuk sel dan banyak bagian gula yang berperan sebagai penanda seluler, yang menjadi perantara interaksi berbagai sel.

Adapun fungsi dari membran plasma yaitu:

1. Sebagai penerima rangsangsan dari luar, seperti hormon, antigen metabolisme maupun bakteri atau virus. Selain itu dapat juga berfungsi sebagai reseptor terhadap perubahan suhu, intensitas cahaya dan lain-lain.
2. Melindungi isi sel agar tidak keluar meninggalkan sel.
3. Mengontrol zat-zat yang boleh masuk maupun keluar meninggalkan sel.
4. Sebagai tempat terjadinya proses biokimiawi, seperti reaksi oksidasi dan respirasi.
5. Penyedia enzim karena membran plasma menjadi sebuah sarana terselenggaranya aktivitas seluler yang terorganisasi.

Komponen-Komponen Penyusun Membran

Lipid Membran

A. Fosfolipid
Fosfolipid merupakan komponen kimia terbanyak yang menyusun membran sel maupun membran intra sel. Fosfolipid tersusun atas asam lemak dan gliserol yang mengandung gugus fosfat. Tiap molekul fosfolipid bersifat amfipatik (terdiri dari dua bagian), bagian kepala yang bersifat hidrofilik (larut dalam air) dan bagian ekor yang bersifat hidrofobik (tidak larut dalam air). Bagian kepala (polar head) yang mengandung fosfat dan menghadap ke air, sedangkan bagian ekor (nonpolar tail) yang menghadap ke dalam. Sifat lipid yang menyusun matriks dasar sangat menentukan fluiditas dari membran plasma. Fluiditas lapisan ganda fosfolipid sangat penting dalam membran plasma yang dapat mempengaruhi fungsi berbagai protein yang tertanam dalam matriks. Selain itu, lapisan ganda dapat menentukan sifat permeabilitas membran plasma secara pasif, memungkinkan air dan molekul lipofilik kecil untuk dapat melewatinya, tetapi juga berperan sebagai penghalang ion dan molekul hidrofilik. Fosfolipid membentuk sebagian besar lipid membran seperti sfingomielin dan fosfatidilkolin.

Gambar 2. Pengangkutan, pengaturan molekul lipid di lingkungan berair. A) molekul lipid berbentuk kerucut (atas), molekul fosfolipid berbentuk silinder (bawah), B) molekul lipid secara spontan membentuk satu atau struktur yang lain dalam air.

B. Glikolipid
Glikolipid merupakan lipid yang berikatan dengan karbohidrat (gula). Glikolipid dapat dijumpai di membran sel pada konsentrasi yang lebih rendah dari fosfolipid dan kolesterol. Bagian karbohidrat selalu berada pada arah luar sel yang diproyeksikan ke lingkungan. Glikolipid yang paling sederhana ialah serebrosida yaitu hanya ada satu residu gula, glukosa dan galaktosa. Sedangkan glikolipid yang majemuk seperti gangliosida artinya terdiri dari tujuh rantai cabang. Glikolipid berfungsi sebagai interaksi antara sel satu ke sel yang lain dan menjadi sumber antigen golongan darah dan berperan sebagai reseptor untuk racun. Glikolipid gangliosida yang mengikat toksin menjadi perantara dari tindakan toksin kolera sedangkan karbohidrat gangliosida dalam membran eritrosit menjadi antigen yang berperan sebagai penentu pengelompokkan darah A dan B.

C. Kolesterol
Lipid lain yang penting dalam beberapa membran plasma yaitu kolesterol. Kolesterol dan senyawa turunan esternya serta dengan asam lemaknya yang berantai panjang merupakan komponen penting dari membran sel bagian luar. Kolesterol merupakan lipid yang dapat mempengaruhi sifat keenceran dari membran plasma. Kolesterol dan steroid secara umum juga berfungsi untuk mengatur fluiditas bilayer membran.

Protein Membran

Berbagai jenis molekul protein yang berhubungan dengan membran plasma secara luas dapat diklasifikasikan menjadi sebagai ekstrinsik (perifer) atau intrinsik (integral). Protein intrinsik termasuk ke dalam reseptor yang menjangkau lebar membran sedangkan protein ekstrinsik mencakup berbagai enzim yang terlibat dalam penghubung efek intraseluler dari aktivasi reseptor oleh molekul sinyal. Secara fungsional, protein membran dapat dibagi menjadi beberapa kelompok berbeda:
1) reseptor = merespons pengikatan molekul sinyal tertentu,
2) saluran ion = memungkinkan lewatnya ion-ion tertentu,
3) pengangkut = membawa ion atau molekul penting untuk melintasi membran, terkadang juga melawan gradien konsentrasi,
4) lain-lain = kompleksitas struktur membran yang mencakup banyak molekul penting, terlibat dalam dinamika membran seperti protein SNARE, ‘pita 3’ protein dan glikoforin).

A. Protein Integral (Protein Intrinsik)
Protein integral merupakan protein transmembran, yaitu protein yang melewati seluruh lapisan ganda lipid dengan struktur memanjang dari lingkungan ke dalam sitosol. Hal tersebut menjadikan protein integral menjadi lebih menonjol baik dari sisi ekstraseluler maupun sitoplasma membran. Protein membran integral mengandung daerah hidrofilik (suka terhadap air) dan hidrofobik (tidak suka air). Protein membran intergral yang berada pada bilayer lipid memiliki sifat hidrofobik. Adapun fungsi dari protein integral yaitu sebagai reseptor yanng mengikat zat spesifik pada permukaan membran. Dapat sebagai saluran yang terlibat dalam pergerakan zat maupun sebagai agen untuk mentransfer elektron dalam proses fotosintesis dan respirasi.

B. Protein Perifer (Protein Ekstrinsik)
Protein porifer umumnya terikat longgar pada membran protein yang kaya akan asam amino dan memiliki rantai samping hidrofilik. Hal tersebut yang menyebabkan adanya interaksi antara permukaan lipid bilayer dengan lingkungan. Protein perifer dihubungkan dengan membran sel oleh ikatan elektrostatik yang lemah. Protein perifer dapat dilarutkan dengan ekstraksi menggunakan larutan garam yang berkonsentrasi tinggi sehingga dapat melemahkan ikatan elektrostatik dan menahan protein perifer ke membran. Protein perifer yang paling baik terdapat pada permukaan sitosol membran plasma, di mana protein tersebut dapat membentuk jaringan fibrilar yang bertindak sebagai kerangka membran, serta memberikan dukungan mekanis untuk membran. Protein perifer lain terdapat pada permukaan membran plasma internal yang berfungsi sebagai enzim, selaput khusus ataupun sebagai faktor yang dapat mengirimkan sinyal transmembran.

Gambar 3. Glikolipid, Glikoprotein, Protein integral, Protein Perifer

Gambar 3. Tiga tampilan membran sel, A) Mikrograf elektron membran plasma terlihat pada gambar (B dan C) menunjukkan tampilan dua dimensi dan tiga dimensi dari membran sel (komponen lipid dan protein)

Karbohidrat Membran

Karbohidrat membran merupakan protein yang mengandung karbohidrat (monosakarida atau oligosakarida) yang terikat secara kovalen. Karbohidrat membran ini terdapat pada permukaan membran plasma di sel eukariotik yang sebagian besar berbentuk oligosakarida. Karbohidrat membran tersebut dibedakan menjadi glikoprotein (karbohidrat yang terikat pada protein membran) dan glikolipid (karbohidrat yang terikat pada lipid). Sekitar lebih dari 90 % karbohidrat membran terikat kovalen dengan protein yang membentuk glikoprotein, sedangkan karbohidrat yang tersisa terikat kovalen untuk membentuk glikolipid. Perbandingan karbohidrat pada membran plasma secara keseluruhan berkisar antara 2-10% terhadap berat membran. Hal tersebut yang menyebabkan adanya bentuk yang asimetri pada membran plasma yang terbentuk dari lapisan bilayer. Sehingga adanya karbohidrat yang berlebihan pada beberapa sel eukariotik dapat memberikan terminologi khusus yaitu sebagai selubung sel atau glikokaliks.

Reseptor

Membran plasma memiliki reseptor yang menjadikan sel dapat merespon berbagai rangsangan dalam bentuk molekul sinyal seperti hormon dan neurotransmiter. Beberapa sel khusus juga dapat merespons rangsangan lain, seperti deformasi mekanis langsung atau perubahan osmolaritas cairan interestisial (saluran ion terbuka sebagai respons terhadap peregangan membran). Molekul pemberi sinyal dapat berinteraksi dengan empat jenis reseptor protein utama, tiga di antaranya yang terletak di membran plasma yaitu:
1) Reseptor berpasangan G-protein (GPCRs)
2) saluran ion berpembatas ligan
3) reseptor terkait-enzim kinase
Reseptor-reseptor tersebut memiliki perbedaan berdasarkan struktur dan sistem pesan kedua. Reseptor keempat merupakan reseptor intraseluler yang diaktifkan oleh hormon steroid. Pada reseptor berpasangan G-protein (GPCRs) kadang-kadang disebut reseptor metabotropik ditandai oleh reseptor epinefrin dan norepinefrin. Reseptor tersebutlah yang membentuk kelompok reseptor terbesar dan terdiri dari polipeptida panjang tunggal yang bergerak secara bolak-balik melintasi membran sehingga terdapat ada tujuh bagian protein yang membentang di membran. Pengikatan molekul pensinyalan seperti norepinefrin dan asetilkolin ke tempat pengikatan spesifik pada sisi ekstraseluler protein dapat menginduksi perubahan konfirmasi molekul, sehingga sistem pembawa pesan kedua intraseluler dapat teraktifkan (Gambar 4).

Gambar 4. struktur reseptor berpasangan G-protein (GPCRs) 

Saluran ion berpintu ligan: secara struktural jenis reseptor ini memiliki banyak kesamaan dengan jenis saluran ion lainnya, tetapi reseptor ini memiliki situs pengikatan spesifik untuk molekul pemberi sinyal pada sisi ekstraseluler kompleks protein. Reseptor saluran ion berpintu ligan memiliki kinerja yang lebih cepat dibandingkan reseptor GPCRs, dikarenakansaluran ion berpintu ligan tidak secara langsung berhubungan dengan pembawa pesan kedua enzim. Saluran ion tersebut hanya membuka pintu ligan terhadap ion tertentu yang menyebabkan ion tersebut cepat menuruni gradien konsentrasi. Misalnya, reseptor asetilkolin nikotinat pada otot rangka ‘dilepas’ oleh dua molekul asetilkolin yang terikat. Kemudian memungkinkan kation (terutama ion natrium) mengalir ke dalam sel otot untuk menuruni gradien konsentrasinya. Saluran ion berpintu ligan terdiri dari lima subunit polipeptida yang berbeda dan berkumpul di membran untuk membentuk pori pusat yang dapat dilalui oleh ion. Struktur saluran ini memiliki perbedaan pada berbagai saluran selektif permeabel untuk setiap ion yang berbeda juga, misalnya sebagian besar reseptor untuk asam gaminobutyric penghambatan neurotransmitter ialah selektif ion-klorida, reseptor perangsang ionotropik untuk glutamat ialah selektif kation. Reseptor saluran ion yang dapat bekerja cepat terletak di transmisi neurotransmisi fasik dengan frekuensi yang tinggi (misalnya di pusat otak), sedangkan reseptor dengan kerja yang jauh lebih lambat dan lebih lama terletak pada otot polos atau sel sekretorik kelenjar.

Reseptor terkait-enzim kinase merupakansebuah protein besar yang terdiri dari domain pengikat ligan ekstraseluler yang terkait dengan domain enzim (kinase) oleh rantai heliks yang membentang pada membran. Pengikatan ligan dapat memicu perubahan konformasi yang mengaktifkan enzim kinase. Reseptor ini sebaagi alat mediasi terhadap banyak mediator protein (misalnya faktor pertumbuhan, sitokin) dan hormon, seperti insulin dan leptin. Ketika diaktifkan oleh pengikatan ligan (misalnya faktor pertumbuhan), enzim kinase memfosforilasi protein target, yang pada gilirannya memulai kaskade metabolik dan akhirnya mengarah pada perubahan transkripsi gen. Beberapa jenis kanker dihasilkan dari malfungsi dalam kaskade metabolisme yang kompleks ini.

Dinamika membran

Membran plasma merupakan struktur yang sangat dinamis dimana protein membran secara terus-menerus dapat dikeluarkan atau dimasukkan dari dan ke dalam membran dan membran itu sendiri mampu melakukan perubahan topologi untuk membentuk tonjolan, menelan serta menginternalisasi volume kecil cairan ekstraseluler yang disebut dengan endositosis. Sedangkan reaksi eksositosis merupakan proses sebaliknya dari endositosis. Eksositosis melibatkan fusi vesikel intraseluler dan membran plasma untuk memungkinkan sekresi hormon dan neurotransmiter. Hubungan erat antara membran plasma dan sitoskeleton internal memungkinkan beberapa sel dapat bergerak secara amoeboid (makrofag, mikroglia, neutrofil). Dinamika membran tersebut bergantung pada protein integral dan ekstrinsik yang menghubungkan membran ke sitoskeleton intraseluler serta pada protein yang memediasi fusi dan pembelahan membran. Protein SNARE merupakan protein terikat membran sebagai perantara fusi vesikel membran intraseluler dengan membran plasma untuk memungkinkan sekresi isi vesikel. Protein SNARE secara luas diklasifikasikan sebagai v-SNARES atau t-SNARES berdasarkan lokalisasi vesikel atau membran plasma. Dalam proses endositosis, daerah terlokalisir dari membran plasma dapat menelan sejumlah kecil cairan ekstraseluler, berinvaginasi dan ‘bertumbuh’ secara intraseluler untuk membentuk vesikel yang mengandung bahan yang tertelan. Fagositosis merupakan jenis endositosis dimana beberapa sel (misalnya makrofag) dapat menelan partikel besar, puing-puing sel dan mikroorganisme yang menyerang. Sebaliknya, pinositosis mengacu pada internalisasi volume kecil cairan ekstraseluler dalam vesikel. Endositosis yang dimediasi oleh reseptor merupakan proses yang memungkinkan pengambilan selektif makromolekul tertentu (misalnya penyerapan kolesterol dalam bentuk partikel low-density lipoprotein [LDL], agregat molekul kolesterol, fosfolipid dan lipoprotein).

Kontak dan komunikasi antar sel

Sebagian besar sel memiliki daerah khusus pada membran plasma yang dapat membentuk kontak dengan sel yang berdekatan, matriks ekstraseluler atau permukaan lain. Titik kontak antar sel sangat penting dalam pengorganisasian sel ke dalam jaringan dan menyediakan sarana komunikasi antar sel. Sel umumnya akan menempel pada sel lain dari jaringan yang sama dan selektivitas diperantarai oleh molekul adhesi sel seperti integrin, cadherin, selektin dan superfamili imunoglobulin. Beberapa sel menciptakan kontak yang sangat dekat antara membran plasma untuk membentuk ‘tight junctions‘ yang menyediakan segel efektif untuk mencegah adanya pergerakan ion dan molekul yang tidak bermuatan antar sel. Gap junction merupakan komunikasi antar sel yang memungkinkan lewatnya molekul sinyal secara langsung dari satu sel ke sel lainnya. Gap junction tersebut ialah saluran terbuka membran plasma sebagai tempat untuk lewatnya ion dan molekul kecil lewat, sehingga mengoordinasikan aktivitas ribuan atau jutaan sel dalam jaringan. Gap junction dibentuk dari perakitan connexin, sebuah protein transmembran yang membentuk saluran (konekson) dan penghubung satu sel sejajar dengan sel lain untuk membentuk saluran selanjutnya antar sel.