Universitas Gadjah Mada

IV. DISTRIBUSI PROTEIN KE MITOKONDRIA DAN KLOROPLAS
1. DISTRIBUSI PROTEIN KE MITOKONDRIA DAN KLOROPLAS
Mitokondria dan kloroplas adalah organela yang berisi DNA, ribosom
dan semua komponen yang diperlukan untuk sintesis protein. Bagaimanapun
juga, protein yang dikode dan dirakit di dalam kedua organela tersebut hanya
merupakan sebagaian kecil dan total protein yang terdapat di dalam organela.
Sebagian besar protein tersebut dikode dan inti dan disintesis di dalam
sitoplasma.
Protein yang berasal dari sitoplasma yang terdapat di dalarn organela
tersebut, mungkin diarahkan ke satu dan berbagai likasi. Protein yang dikirim
ke mitokondria termasuk membran luar, ruang intermembran, membran dalam
dan matriks. Kloroplas sedikitnya mempunyai 6 lokasi sebagai tujuan protein
dan sitoplasma ialah membran luar, kompartemen intermembran, membran
dalam, stroma atau kompartemen dalam yang analog dengan matriks pada
mitokondria, membran tilakoid dan kompartemen di dalam yang dibungkus
membran tilakoid.
Penelitian
yang
mengarah
pada
mekanisme
impor
protein ke
mitokondria dilakukan lebih banyak dibanding dengan penelitian yang sama
pada kloroplas. Tampaknya mekanisme pengiriman protein dan sitoplasma ke
kedua organela tersebut berlangsung serupa, meskipun terdapat perbedaan
jumlah membran suborganela dan kloroplas.
Penelitian yang dilakukan oleh G. van den Broeck dkk. Mempelajari
arahan sinyal subunit kecil dan ribulosa-1,5-bis-fosfat (RuBP) karboksilase dari
sitoplasma ke kloroplas. Protein hibrid terbentuk dengan cara memasukkan
sinyal RUBP karboksilase ke N-terminal dan enzim marker bakteria. Apabila
enzim bakteri yang mendapat tambahan sinyal dan RuBP karboksilase
dimasukkan ke dalam sel tanaman tembakau, maka neomycine phophatase
akan mengikuti perjalanan yang benar ke arah kloroplas. Percobaan serupa
dilakukan dengan cara memindahkan sinyal pengarah mitokondria ke protein
sitoplasma bakteri yang akan membawa protein ke dalam mitokondria sel
eukariot.
Semua protein yang diimpor mitokondria dan kloroplas yang disintesis
dalam sitoplasma dapat menyusup ke dalam membran dengan cara pasca
translasional. Di samping kemampuan protein menyusup dengan cara tersebut,
Universitas Gadjah Mada
banyak protein yang dirakit oleh ribosom melintas membran secara
kotranslasional. Pada awalnya protein menempel pada membran luar organela
akibat interaksi antara sinyal dan membran luar. Proses tersebut diprakarsai
oleh faktor-faktor reseptor protein sitoplasmik yang terdapat dalam membran
organela. Faktor sitoplasmik yang terlarut mungkin bertindak sebagai
chaperones yang menjaga protein organela tidak melipat. Kondisi tersebut
diperlukan untuk penetrasi membran. Juga diperoleh kepastian, bahwa energi
hasil hidrolisis ATP digunakan untuk menjaga agar molekkul tetap dalam
keadaan tidak melipat.
Tampaknya protein yang dikode dalam genom mitokondria dan
kloroplas terdapat di dalam membran-dalam mitokondria dan membran tilakoid
kloroplas. Polipeptida yang disintesis umumnya merupakan subunit dan
kompleks protein yang dikode oleh gen inti dan diimpor dan sitoplasma.
a. Distribusi protein ke mitokondria
Rangakaian sinyal peptith (sinyal N-terminal) protein yang mengarah ke
mitokondria, ternyata lebih panjang dari pada sinyal N-terminal yang
digunakan untuk pengiriman protein ke RE. Panjang sinyal dalam protein
impor tersebut mencapai 70 buah asam amino. Struktur N-terminal pengarah
protein ke mitokondria disajikan pada Gambar 8.23.
Semua sinyal mitokondria berisi daerah panjang dengan residu yang
bermuatan positif dekat dengan N-terminal. Residu yang bermuatan positif
tersebut termasuk Lys dan Arg yang letaknya terpisah oleh rangkaian asam
amino netral sebanyak 4-8 buah. Pada daerah sentral yang letaknya di
belakang segmen awal yang bermuatan, banyak sinyal mitokondria yang
berisi rangkaian residu asam amino polar sekitar 20-25 buah yang cukup
Universitas Gadjah Mada
panjang untuk melintas rentang membran rangkap dan fosfolipida.
Rangkaian asam amino membentuk segmen yang berongga, sehingga sisi
yang satu polar dan yang lain non-polar apabila molekul tersebut membetuk
struktur α atau β heliks. Heliks tersebut terbentuk apabila protein membran
berupa multisegmen transmembran. Pengaturan segmen protein ini akan
membentuk kanal dan protein yang menembus membran, sehingga
memungkinkan transpor protein dengan rantai samping yang bermuatan dan
polar melintas membran.
Protein
yang
diimpor
ke
dalam
matriks
mitokondria
biasanya
berlangsung satu atau dua menit sesudah lepas dari poliribosom. Apabila
Protein
yang
diimpor
ke
dalam
matriks
mitokondria
biasanya
berlangsung satu atau dua menit sesudah lepas dari poliribosom. Apabila
dalam protein tersebut hanya terdapat satu sinyal N-terminal, maka sesudah
protein yang diimpor masuk ke dalam matriks mitokondria, sinyal terminal
(sinyal peptida) akan dipotong oleh protease spesifik yang dikenal dengan
nama snyal peptidase di dalam matriks. Kemungkinan segmen tersebut akan
mengalami degradasi menjadi asam amino dalam kompartemen tersebut.
Apabila di samping sinyal peptidase pertama terdapat sinyal kedua yang
merupakan untai asam amino hidrofobik, pemotongan sinyal pertama akan
menjadikan sinyal kedua pada ujung N-terminal dan protein. Sinyal kedua
Universitas Gadjah Mada
akan mengarahkan molekul protein menyusup melintas membran dalam.
Tergantung pada rrangkaian informasi lainnya, protein akan tinggal dalam
membran dalam atau melintas membran dalam dan menuju ke ruang
intermembran. Secara skematis proses tersebut dilukiskan pada Gambar
8.25.
Percobaan dengan menggunakan isolat mitokondria yang diinkubasikan
pada suhu 5 °C, protein hanya sebagian yang masuk ke organel tersebut
dan hampir semua rantai polipeptida berada di luar. Apabila suhu dinaikkan
menjadi 37°C, maka translokasi protein menjadi sempurna. Tampak molekul
protein akan Iangsung menembus kedua membran mitokondria lewat satu
titik kontak.
Peneliti N. Pfanner, W. Neupert, G. Schatz dkk. menemukan banyak
protein yang dapat bertindak sebagai chaperones, juga reseptor dan lain-lain
elemen mitokondria yang diperlukan dalam mekanisme impor yang perannya
dapat dilihat pada Gambar 8.26. Protein dalam sitoplasma dengan sinyal N-
Universitas Gadjah Mada
terminal mengarah ke mitokondria bersama dengan chaperones yang
menjaga polipeptida agar tidak melipat. Sinyal N-terminal yang tidak melipat
dengan konfigurasi yang memungkinkan protein menyusup ke membran
mitokondria. Ikatan antara protein dengan chaperone memerlukan energi
dari ATP. Protein dan reseptor yang merupakan protein transparan
mitokondria yang disebut MOM (mitochondrian outer membrane) akan
berikatan dengan reseptor peptida. Protein akan bergerak menembus
membran
mitokondria secara simultan yang prosesnya dibantu oleh protein membran
kedua ialah General Insertion Protein (GIP). Pada saat protein berada dalam
matriks,
sinyal
N-terminal
dilepas
oleh
sinyal
peptidase
matriks,
Mitochondrial Processing Peptidase (MPP) yang diaktifkan oleh potein kedua
ialah Processing Enhancing Protein (PEP). Apabila protein sinyal kedua
berada dekat protein sinyal pertama, maka sinyal kedua akan berikatan
dengan chaperone lain dalam matriks. Chaperon hsp60 menjaga protein
dalam konformasi tertentu agar sinyal kedua dapat menyusup ke arah luar
membran-dalam mitokondria. Diperkirakan dalam membran-dalam terdapat
Universitas Gadjah Mada
protein reseptor sinyal kedua. Setelah protein masuk ke dalam ruang
intetrmembran, sinyal kedua dilepas.
Tidak
semua
protein
dalam
membran,
matriks
dan
ruang
intermembran sebagai hasil mekanisme sinyal. Sitokrom c adalah protein
perifer yang menempel pada permukaan luar membran-dalam mitokondria
yang masuk ke dalam organela tersebut tanpa rangkaian sinyal yang dapat
dilacak dan tidak diketahui interaksi dengan reseptor atau elemen membran
lainnya. Protein tersebut mungkin secara spontan melipat dan otomatis
menuju ke lokasi terakhirnya. Tampaknya banyak atau semua rangkaian dan
konformasi lipatan bertindak sebagai rangkaian sinyal.
b. Distribusi Protein ke Kloroplas
Transpor protein ke kloroplas dalam beberapa hal serupa dengan
transpor protein ke mitokondria. Persamaannya adalah proses berlangsung
secara pasca translasional, memerlukan energi dan keduanya memerlukan
sinyal peptida amino-terminal yang hidrofilik yang dilepas sesudah
digunakan. Dalam sel tanaman ditemukan mitokondria dan kloroplas
bersama-sama dan meskipun kedua proses translokasi serupa, tetapi
protein dapat memilih arah yang tepat. Kloroplas mempunyai kompartemen
lain yang disebut tilakoid. Banyak protein kloroplas termasuk protein subunit
dalam sistem fotosintetik dan ATP sintetase diimpor tilakoid dan sitosol.
Protein diangkut ke tujuan akhir dengan dua langkah ialah melewati
membran rangkap kloroplas dan masuk ke dalam stroma.
Kedua protein mengalami translokasi ke dalam membran tilakoid
atau masuk ke dalam ruang tilakoid. Kebanyakan sinyal pada kloroplas tidak
bersifat amfipatik.
Ujung belakang sinyal merupakan tempat pemotongan oleh sinyal
peptidase. Proses translokasi protein ke dalam tilakoid disajikan pada
Gambar 8.27.
Universitas Gadjah Mada
Sinyal N-terminal yang mengarahkan protein ke kloroplas panjangnya
berkisar antara 30 sampai mendekati 100 asam amino dan kebanyakan
berisi sikitar 50 residu. Penelitian K. Keegstra, S. Smeekens dan P.
Weisbeck menyatakan bahwa protein yang diarahkan ke kedua membran
dan stroma berisi sinyal N-terminal yang banyak mengandung Ser dan Thr,
tetapi sedikit atau tidak terdapat residu asam amino asam.
Sinyal kedua dari beberapa protein kloroplas mempunyai sifat yang
serupa dengan sinyal prokariot yang disebut sinyal pengarah-stroma. Sinyal
kedua dimulai dengan bebrapa residu bermuatan yang diikuti oleh rangkaian
teras yang hidrofobik dan diakhiri dengan sinyal pemotongan yang serupa
dengan sinyal prokariot. Tergantung pada informasi sinyal berikutnya,
protein mungkin tinggal dan tertanam dalam membran tilakoid atau masuk
ke dalam ruang tilakoid. Sinyal peptidase kedua yang terikat pada membran
tilakoid, melepas sinyal kedua yang sama dengan sinyal kedua dan
mitokondria yang mengarahkan protein membran-dalam atau ruang
intermembran. Kloroplas juga berisi protein yang dikode dan disintesis di
dalam stroma dan dialamatkan ke membran atau kompartemen tilakoid.
II. DISTRIBUSI PROTEIN KE MEMBRAN INTl SEL
Inti sel dibungkus oleh 2 macam membran ialah membran-dalam inti sel yang
berisi protein spesifik yang merupakan tapak pengikat untuk lamina inti dan
berhubungan dengan kromosom dan RNA inti. Membran-luar inti yang serupa
dengan membran retikulum endoplasmik adalah pengembangan dari organela
Universitas Gadjah Mada
tersebut. Protein yang disintesis dalam ribosom diangkut ke dalam ruang antara
membran-dalam dan membran-luar inti sel (ruang perinuklear). Proses tersebut
disajikan pada Gambar 8. 28.
Protein dalam inti seperti histon, DNA dan RNA polimerase dan protein gen
regulator diimpor dari sitosol. Molekul tersebut harus melewati membran-luar dan
membran-dalam agar dapat masuk ke dalam lumen inti. Sinyal pengarah protein ke
dalam intl sel berlainan dengan sinyal pangarah-RE atau pengarah organela. Sinyal
pengarah-inti tidak hanya terdapat pada ujung N-terminal, tetapi juga pada berbagai
tempat dalam molekul protein. Sinyal inti harus menonjol ke permukaan dan
umumnya tetap tinggal dalam protein setelah mencapai sasaran. Sinyal tersebut
biasanya pendek dan terdiri atas asam amino basa seperti Mg dan Lys yang
menyusun Muster. Susunan molekul tersebut diselingi oleh asam amino netral atau
hidrofobik. Prolin atau asam amino asam dengan rantai samping yang besar
terdapat dekat dengan sinyal.
Universitas Gadjah Mada
Protein jnti dirakit oleh ribosom bebas di da1m sitosol dan dikirim ke inti
secara pasca translasional lewat kompleks porus ini. Dua tahap reaksi yang terlibat
dalam transpor protein ke inti sel ialah:
1. Penempelan protein ke porus kompleks dan mengikat sinyal inti.
2. Penetrasi protein lewat porus inti. Tahap kedua memerlukan ATP.
III. TRANSPOR PROTEIN KE DALAM PEROKSISOM
Peroksisom yang juga disebut miicrobodies berbeda dengan mitokondria dan
kloroplas, karena peroksisom hanya terdiri atas satu lapis membran dan tidak berisi
DNA atau ribosom. Semua protein di dalam peroksisom berasal dari sitoplasma
dengan menggunakan ribosom bebas (tidak terikat pada RE).
Peroksisom sel hati mempunyai garis tengah sekitar 0,5 µm yang berisi paling
sedikit 3 macam enzim ialah D-asam amino oksidase, urat oksidase dan katalase.
Peroksisom juga banyak menggunakan oksigen untuk melepas hidrogen dan
substrat organik spesifik (disim disebut R) dalam suatu reaksi oksidatif yang
menghasilkan hidnogen peroksida. Reaksi oksidatif antara substrat dengan oksigen
sebagai berikut:
RH2+O2
R+H2O2
Semua protein baik di dalam lumen maupun membran peroksisom berasal
dan sitoplasma. Katalase yang banyak dipelajari merupakan tetramer protein yang
berisi haem yang diimpor dan sitosol dalam bentuk monomer. Molekul enzim
tersebut tidak berisi sinyal pengarah yang dilepas sesudah digunakan, tetapi
mempunyai sinyal yang mengarahkan protein ke peroksisom. Kemungkinan sinyal
terdiri atas 3 buah asam amino yang terletak dekat karboksil terminal yang
ditemukan dalam banyak molekuk protein peroksisom.
KEPUSTAKAAN
Albert, B., D. Bray, J. Lewis, M. Raff, K. Robefts, and J.D. Watson. 1991. A Molecular
Biology of the Cell. Gerland Publihing, Inc. New York and London.
Berg, J.M., J.L. Timoczko, L. Stryer. 2002. Biochemistry. Fifth Edition. W.H. Freeman
and Company. New York.
Horton, H.R., L.A. Moran., R.S. Ochs, J.D. Rawn and KG. Scrimgeour. 1996. Principles
of Biochemistry. Second Edition. Prentice-Hall International., Inc. New Jersey.
Universitas Gadjah Mada
Stryer, L. 1988. Biochemistry. Third Edition. W.H. Freeman Company. New York.
Wolfe, S.L. 1993. Molecular and Cellular Biology. Wardsworth Publishing Company.
Belmont, California.
Universitas Gadjah Mada