protein pembentuk kanal

Kanal ion pada membran dan
channelopathies
Asmarinah
Departemen Biologi FKUI
MEMBRAN SEL
Membran sel  penting untuk kehidupan sel
• Membungkus sel dan membatasi sel dari lingkungan
sehingga memelihara perbedaan esential antara sitoplasma
dan lingkungan ekstraseluler
• Membungkus organel-organel sel, spt retikulum
endoplasma, badan Golgi, mitokondria, dll; memelihara
perbedaan karakteristiknya dengan sitoplasma.
• komponennya dapat bertindak sebagai:
- penghasil ATP, yang digunakan untuk transport molekulmolekul melewatinya
- penghasil dan penghantar sinyal elektris pada sel saraf
- reseptor atau protein penerima sensor sinyal
ekstraseluler
Walaupun mempunyai fungsi yang berbeda-beda 
membran pada sel mempunyai struktur yang umum, yaitu
terdiri dari:
◘ 2 lapis lemak/lipid (“lipid bilayer”)
◘ protein .
Protein membran (protein transmembran)
-Bertanggung jawab terhadap banyak fungsi membran
seperti sebagai reseptor, enzim, atau protein
transport, dll.
- Jumlah dan tipe dari protein pada plasma membran
 sangat bervariasi.
Misalnya, pada membran mielin pada bagian axon dari
sel saraf  kurang dari 25 % dari masa membran
adalah protein.
Pada membran yang terlibat dalam pembentukan ATP
(yaitu membran bgn dalam mitokondria atau
kloroplast) mengandung 70 % protein
A.
3 Klas protein membran
a. Protein membran integral
b. Protein membran peripheral
B.
c. Lipid-anchored membrane
protein
C.
Berbagai bentuk asosiasi protein membran dengan
“lipid bilayer”
1
2
3
1. α–helix tunggal
2.
multipel α–helix
3. ß-sheet yang memutar (ß-barrel)
4. Amphipatik α–helix terikat pada
monolayer sitoplasmik
4
5
6
7
8
5. Protein membran yang menempel pada
monolayer sitoplasmik
6. Protein membran yang menempel pada
monolayer nonsitoplasmik melalui ikatan
oligosakarida
7 & 8. Interaksi dengan protein membran lain
melalui ikatan nonkovalen
SISTEM TRANSPORT PADA
MEMBRAN
Transport molekul dari dan ke dalam sel melalui membran
bertujuan untuk:
-Memasukkan komponen nutrien yang penting untuk
metabolisme sel
- Membuang produk limbah metabolisme sel
-Mengatur konsentrasi ion intraseluler
Protein membran memegang peranan penting dalam
transport molekul pada sel
 15 – 30 % protein pada sel adalah protein transport
Kanal ion
Perbandingan konsentrasi ion di dalam dan di luar sel
Kanal ion
- Protein pembentuk pori/kanal, yang bersifat hidrofilik
- Mentranfer ion  disebut kanal ion, yang selektif terhadap ion
tertentu.
- Dapat tertutup dan kemudian terbuka (“gated”).
- Terbukanya kanal ion karena adanya stimulus, yang berupa:
* perubahan tegangan pada membran (Voltage-gated channel)
* stress mekanik (mechanically gated channel)
* ikatan dengan ligan (ligand-gated channel),
# karena adanya molekul mediator ekstraseluler, misalnya
neurotansmitter (transmitter-gated channel)
# karena adanya molekul mediator intraseluler, berupa ion
(ion-gated channel) atau nukleotida (nukleotida-gated channel)
-
Mekanisme proses tertutup dan terbukanya kanal ion
Macam-macam kanal ion:
1. Voltage-gated sodium channels, + ada 9 jenis
2. Voltage-gated calcium channels, + ada 10 jenis
3. Potassium channels, ada 4 grup
4. Chloride channels, + 13 jenis
5. Cyclic nucleotide-gated channels, ada 2 grup
6. Voltage-gated proton channels
7. Voltage-dependent anion channels, ada 3 jenis
dll
Peran Biologik Kanal Ion
-Penghantaran impuls pada sel syaraf melalui mekanisme
sinaps  kanal ion merupakan komponen utama pada
sistem syaraf
-Terlibat dalam berbagai proses perubahan yang cepat,
spt:
* kontraksi otot lurik, jantung
* transport zat2 makanan
* aktivasi T- cell
* Pelepasan insulin dari β-cell pankreas
* Reaksi akrosom pada sperma, dll
Kanal ion merupakan molekul target favorit dalam
pengembangan obat2an baru
Model untuk menjelaskan peranan ion dalam
reaksi akrosom
PROG
Ca2+
Ca
Na+
GABA
Ca2+
Cl-
K+
Em
Ca2+
PKC
Acrosome
Ca
pH
cAMP/PKA
ATP
Gi
AC
H+ Transporter
ZP
(Modified from Darszon et al.,1999)
Kelainan genetik yang disebabkan oleh defek
pada kanal ion (= Channelopathies)
Cystic fibrosis
-best-studies and most common inherited ion channel
disorder
-Result from a defect in the ion (chloride) channel of
epithelial cells
- + 1 dari 25 orang etnis kaucasia membawa (carrier)
gen mutan penyebab cystic fibrosis
- Kira2 1 dari 2500 bayi lahir di populasi kaukasia
mempunyai gen mutan homozygot  menderita cystic
fibrosis
-Gejala: infeksi paru2 kronis dan inflamasi, sehingga
fungsi paru2 rusak secara progresif
Gen yang bertanggung jawab utk cystic fibrosis (CFTR =
cystic fibrosis transmembrane conductance regulator)
diisolasi thn 1989
Protein CFTR ini bertindak sbg cAMP-regulated chloride
channel dan juga berfungsi sbg kanal ion HCO3Defisiensi protein CFTR menurunkan efflux ion Cl  dapat
menurunkan volume cairan dipermukaan saluran
pernafasan dan meningkatkan kekentalan sekresi mukus 
fungsi cilia untuk “mengusir” bakteri rusak.
Hal tsb meningkatkan resiko terinfeksi bakteri, spt
Pseudomonas aeruginosa.
Telah ditemukan + 800 jenis mutasi pada pasien cystic fibrosis
In-frame deletion
Frameshift mutation
Missense mutation
Nonsense mutation
Splicing mutation
Porin (VDAC = Voltage dependent anion channel)

Porin 1, 2 dan 3 : protein pembentuk kanal
(30 - 35 kDa)
Struktur 3D VDAC dari Neurospora crasa
(Casadio, et al., 2002)
-Membuka dan “menutup” kanal tergantung oleh voltase pada membran
-Keadaan membuka: selektivitas terhadap anion
Keadaan “tertutup”: selektivitas terhadap kation
Porin (VDAC)

lokalisasi
 membran luar mitochondria
 plasma membran

berperan dalam
 apoptosis
 regulasi „ATP-Efflux“

Mencit jantan „VDAC3 knock-out “
penurunan motilitas sperma, infertil
(Sampson et al., 2001)
Bg
Nco
Bg
TK
Neo
VDAC3 gene
(+ 9,3 kb)
Nco
Sampson et al., 2001: “VDAC3 knock-out mouse”
> 70 % sperma motil pada wild tipe
+ 17 % sperma motil pada mutan (-/-)
Penelitian
Pasien Asthenozoospermia
(Sperma motil < 50 %)
Gen VDAC 3 & protein
???????
Gen hVDAC3 : krom 8, tdd 8 ekson, 10.148 bp
Protein VDAC3 : tdd 283 asam amino
Mutations in the last 4 exons
of human VDAC3 gene
Sample
Exon 5
Exon 6
Exon 7
Exon 8
A4
-
Ile131Leu
-
T insertion,
frameshift
mutation
A5
-
Ile131Leu
-
-
A6
-
Ile131Leu
-
-
A7
-
Ile 131Leu
-
-
A10
-
Ile131Leu
Lys173Leu
-
-
A13
-
Ile131Leu
-
-
A14
-
-
Asp228Gly
-
A17
Deletion
-
Deletion
-
A21
-
Ile131Leu
-
-
A23
-
-
Deletion
-
A30
Deletion
-
Deletion
-
A31
-
-
Asp228Asn
-
A32
Deletion
Ile131Leu
Deletion
Deletion
Analisis sekuens ekson 6 gen VDAC3
Analisis sekuens produk PCR
dari sperma motilitas normal
N
A
V
D
I
L
G
Y
D
K
F
A A
S
G
D
F
Analisis sekuens produk PCR
dari sperma motilitas rendah
N
A
V
L
D
G
L
Y
D
E
F
A A
S
D
G
F
Deduced transmembrane folding pattern
of human VDAC1
(Colombini, Mol Cell Biochem, 2004)
Pada VDAC3: Isoleucine (I) menjadi Leucine (L)
Lisin (K) menjadi asam glutamat (E)
References:
1. Albert et al., 2002. Molecular biology of the cell. 4th
ed.
2. Karp G. 2005. Cell and Molecular Biology. 4 ed.