Overview
Baik dalam eukariot maupun prokariot,protein yang baru disintesis harus didistribusikan ke lokasi yang spesifik di dalam sel atau keluar dari sel untuk melakukan fungsinya dengan benar. Fenomena ini dinamakan “protein targeting”.
Protein yang disekresikan (Protein sekretori)
Protein yang ditujukan untuk dikeluarkan dari sel mempunyai peptida sinyal N terminal yang memerintahkan protein agar disintesis di RE kasar. Selama sintesis protein ini dipindahkan melalui membran RE kasar ke dalam lumen. Vesikel kemudian muncul dari RE kasar dan membawa protein ke kompleks golgi untuk mengalami glikosilasi. Vesikel lain kemudian membawa protein tersebut ke membran plasma. Penyatuan vesikel transpor ini dengan membran plasma kemudian membebaskan protein itu ke luar sel.
Protein Untuk Membran Plasma
Protein membran plasma juga disintesis di RE kasar tetapi kemudian disisipkan ke membran RE kasar. Protein membran plasma mungkin akan terbentuk melewati membran plasma sekali atau berulang kali. Sifat ini ditentukan oleh sekuen yang terdapat pada rantai polipeptidanya. Protein tipe 1 memiliki sekuen sinyal N terminal yang dipotong dan sebuah sekuen stop transfer. Tipe 2 memiliki sinyal N terminal yang tidak dipotong yang berfungsi sekaligus sebagai sekuen pengait. Tipe 3 memiliki banyak sekuen sinyal dan stop transfer. Protein yang dikhusukan untuk dikaitkan pada membran oleh GPI memiliki sekuen sinyal N terminal yang dipotong sekaligus sekuen C terminal yang bersifat hidrofobik yang berfungsi mengikatkan dirinya pada kait GPI.
Protein Untuk RE
Protein yang dikhususkan untuk RE kasar memiliki peptida sinyal N terminal, disintesis di RE kasar, dan ditranspor ke dalam lumen RE kasar atau disisipkan pada membran RE kasar. Sekuen asam amino C terminal dikenali oleh protein reseptor yang spesifik dan mempertahankan protein di dalam RE.
Protein Untuk Lisosom
Protein yang ditujukan untuk lisosom disalurkan dengan cara menambahkan sinyal manosa 6 fosfat di dalam bagian cis dari golgi dan dikenali oleh protein reseptor pada bagian trans dari golgi. Protein itu kemudian ditranspor ke vesikel khusus ke endosom yang nantinya akan berubah menjadi lisosom. Reseptor Manosa 6 fosfat yang sudah dilepas akan digunakan untuk siklus yang baru lagi.
Protein Untuk Mitokondria dan Kloroplas
Sebagian besar protein untuk mitokondria dan kloroplas dibuat di dalam ribosom yang terdapat di sitosol, dibebaskan ke dalam sitosol kemudian dibawa ke organela. Pengangkutan menuju matriks mitokondria membutuhkan sekuen “matrix targeting” dan terjadi pada bagian dimana membran luar dan dalam mitokondria saling berimpit. Proses ini dimediasi oleh protein hsp 70 dan hsp 60 dan membutuhkan hidrolisa ATP serta gradien elektrokimia pada sisi seberang membran dalam mitokondria. Menargetkan protein untuk bagian lain dari mitokondria atau kloroplas membutuhkan dua sinyal.
Protein Untuk Nukleus
Protein yang ditujukan untuk nukleus umumnya membutuhkan sinyal lokalisasi nukleus, sepanjang 4 sampai 8 asam amino, yang terdapat di dalam protein. Proses pemasukan protein terjadi melalui pori-pori nukleus dan membutuhkan hidrolisis ATP.
Overview
Sel harus memastikan bahwa setiap protein yang baru disintesis ditranspor menuju tempatnya untuk melaksanakan fungsinya dengan benar. Proses ini disebut protein targeting. Di dalam sel eukariot, protein tersebut mungkin diperuntukkan untuk tetap tinggal di sitosol misalnya enzim untuk glikolisis. Atau dapat juga diperuntukkan bagi organela (seperti mitokondria, lisosom, peroksisom, kloroplas, atau nukleus) atau untuk dipasangkan pada membran plasma atau ditranspor keluar sel. Pada bakteri seperti E.Coli, protein yang baru disintesis mungkin tetap tinggal di sitosol, dipasangkan di membran plasma, atau membran luar, atau untuk dikirim ke ruangan di antara membran (ruang periplasmik) atau dikirim keluar sel. Baik pada prokaroit ataupun eukariot, jika suatu protein diperuntukkan untuk sitosol, maka dia akan dibuat di ribosom bebas yang terdapat di dalam sitosol. Jika dia diperuntukkan pada lokasi yang lain, maka perlu adanya protein targeting.
Protein yang Disekresikan
Protein yang ditujukan untuk disekresikan dari dalam sel eukariot disintesa oleh ribosom yang berikatan pada RE kasar. Ketika protein disintesis, protein tersebut dipindahkan melewati membran RE kasar masuk ke lumen RE kasar untuk kemudian melipat sampai konformasi akhirnya. RE kemudian membentuk sebuah vesikel yang membawa protein tersebut ke “apparatus golgi” yang disebut juga kompleks golgi. Golgi memiliki sisi cis (tempat vesikel masuk) dan sisi trans (tempat vesikel keluar). Oleh karena itu, ketika vesikel dari RE kasar menyatu dengan bagian cis dari golgi maka protein akan dibebaskan ke lumen golgi. Protein kemudian bergerak sepanjang kompleks golgi menuju sisi trans, sambil mengalami modifikasi sepanjang perjalanannya berupa penambahan residu karbohidrat (Glikosilasi). Pada bagian akhir, akan terbentuk vesikel lagi pada sisi trans dan membawa protein yang sudah di glikosilasi ke membran plasma. Vesikel akan terintegrasi dengan membran plasma dan membebaskan protein keluar sel. Penggabungan vesikel dengan membran dan pembebasan protein ini juga disebut sebagai eksositosis.
Hipotesis Sinyal
Jenis protein yang dikhususkan untuk disekresikan dari sel (protein sekretori) dapat dibedakan dari protein lain di sitosal karena memiliki sekuen sepanjang 13-35 asam amino sebagai ujung N-terminalnya yang disebut sebagai sekuen sinyal atau peptida sinyal. Sinyal-sinyal peptida dari jenis protein sekretori yang berbeda akan berbeda pula pada sekuen asam amino nya tapi mereka memiliki beberapa kesamaan secara umum, misalnya bagian tengah dari sekuen selalu terdiri dari 10-15 asam amino hidrofobik. Hipotesis sinyal telah diusulkan sejak awal mula dari pembelajaran pada bidang ini dan diduga bahwa peptida sinyal mengarahkan protein sekretori ke membran RE kasar dan juga menargetkan protein untuk melewati lumen RE kasar dan disekresikan. Hipotesis sinyal telah ditunjukkan dapat terjadi pada sekresi protein oleh hewan, tanaman, dan sel-sel bakteri.
mRNA untuk protein sekretori terikat pada ribosom sitoplasma yang bebas dan sintesis protein dimulai. Bagian pertama dari protein yang dibuat adalah peptida sinyal N-terminal. Partikel pengenal sinyal (SRP), yang merupakan kompleks yang tersusun dari 7S RNA dan 6 protein terikat pada peptida sinyal dan menghentikan sintesis protein lebih lanjut. Hal ini mencegah protein sekretori dikeluarkan terlalu awal ke sitosol. Kompleks Ribosom-mRNA-SRP sekarang terikat pada reseptor SRP, yaitu sebuah protein pada permukaan RE kasar. Membran RE kasar juga mengandung protein reseptor ribosom yang diasosiasikan sebagai protein translokon. Melalui serangkaian reaksi, ribosom diikat kuat oleh protein reseptor ribosom, SRP berikatan dengan reseptor RSP dan dilepaskan dari peptida sinyal, dan translasi berlanjut, polipeptida yang terbentuk kemudian melewati pori yang dibentuk oleh translokon pada membran. Sambil bergerak melewati pori, peptida sinyal dipotong oleh sinyal peptidase pada sisi lumen dari RE kasar dan didegradasi, membebaskan protein selebihnya ke dalam lumen. Protein kemudian ditranspor melalui Golgi ke luar sel seperti dijelaskan sebelumnya. Karena transpor melalui membran RE kasar ini terjadi saat protein sedang disintesis, maka proses ini disebut ko-translasional. SRP yang dibebaskan kemudian siap digunakan untuk mengikat peptida sinyal yang lain.
Protein Untuk Membran Plasma
Protein integral pada membran plasma juga disintesis oleh ribosom di dalam RE kasar, tetapi dalam prosesnya dipasangkan pada membran RE kasar bukan ditranspor ke dalam lumen. Selama transpor ke Golgi dan ke permukaan sel, protein ini tetap terikat pada membran, vesikel akhir yang terbentuk nantinya akan menyatu dengan membran plasma dan akan ikut menjadi bagian dari membran plasma yang baru. Perlu diperhatikan pula bahwa setelah pemasangan pada membran RE kasar, bagian dari protein yang menghadap ke sisi dalam RE kasar nantinya akan menghadap keluar pada permukaan sel. Bagian yang menghadap sisi dalam inilah yang akan mengikat karbohidrat selama glikosilasi di dalam RE kasar dan kompleks Golgi sehingga nantinya karbohidrat akan terekspos pada sisi luar sel.
Transpor protein membran plasma melewati membran RE terjadi bersamaan dengan sintesis proteinnya melalui mekanisme yang sama dengan protein sekretori. Tetapi, sesuai dengan definisinya protein ini dikhususkan untuk terpasang pada membran dan tidak masuk ke lumen RE kasar sepenuhnya. Ada beberapa cara hal ini dapat terjadi, tergantung pada tipe protein membran. Beberapa membran protein integral adalah protein yang hanya sekali merentang membran, sedangkan pada kasus yang lain ada yang merentang membran beberapa kali. Kecenderungan protein untuk berada pada membran dan frekuensi merentang membran bilayer tergantung pada sekuen topogeniknya yang spesifik di dalam rantai polipeptida. Sekuen topogenik ini adalah suatu daerah yang diisi dominan oleh asam amino hidrofobik, dan terdiri dari tiga tipe: sekuen sinyal N terminal, sekuen sinyal internal, dan sekuen stop transfer.
Pada protein membran integral tipe I, selain sekuen sinyal N terminal yang dipotong oleh sinyal peptidase seperti pada protein sekretori, ada sekuen hidrofobik kedua yang terdapat di dalam protein. Oleh karena itu, protein mulai bergerak melewati membran RE kasar saat sintesis, sama dengan yang terjadi pada protein sekretori, tetapi kemudian transfer dihentikan sebelum semua protein ditranslokasi kan dan protein akan tetap terselip pada membran melalui interaksi antara sekuen stop transfer yang hidrofobik dengan sisi hidrofobik dari membran bilayer. Pada protein membran integral tipe 2, yang ditemukan hanya sekuen sinyal N-terminal seperti yang ditemukan pada protein sekretori. Namun, sekuen sinyal nya tidak dipotong dari protein membran oleh sinyal peptidase dan sekaligus berfungsi sebagai pengait membran. Protein membran integral tipe 3 yang merentang membran beberapa kali, memiliki beberapa peptida sinyal internal dan sekuen stop transfer untuk mengatur penyusunan rentangan selama sintesis. Posisi akhir dari N terminal dan C terminal tergantung pada apakah sekuen sinyal N terminal dipotong atau tidak, dan juga bergantung pada sekuen terkhirnya apakah sekuen sinyal internal atau sekuen stop transfer. Beberapa jenis protein kekurangan sinyal N terminal dan hanya memiliki sekuen sinyal internal.
Protein-protein yang terikat di membran secara kovalen dengan struktur GPI pada C terminal nya memiliki sekuen sinyal N terminal untuk mengarahkan mereka ke membran RE kasar dan juga sekuen hidrofobik kedua pada ujung C terminalnya. Sekuen sinyal N terminal dipotong sinyal peptidase, sementara itu sekuen C terminal menambahkan struktur GPI pada residu asam amino dekat C terminal. Struktur GPI tersusun secara bertahap atas penambahan gula (glukosamin dan manosa) dan etanolamin fosfat pada fosfatidilinositol di dalam membran RE kasar. Enzim transamidase kemudian memotong sekuen sinyal C terminal dan secara bersamaan menambahkan potongan GPI yang sudah lengkap.
Protein Untuk RE
RE kasar mengandung banyak protein yang mempunyai peran membantu protein lain yang baru terbentuk untuk melipat dengan benar membentuk konformasi yang seharusnya. Beberapa protein pembantu tersebut disebut sebagai chaperone. Protein-protein yang terdapat pada RE kasar dibuat di RE kasar juga dan masuk ke lumen (sama seperti protein sekretori) serta terikat pada membran (seperti protein membran integral tipe 1). Namun, protein jenis ini memiliki sinyal penahan pada C terminalnya yang dikenali oleh protein reseptor yang spesifik yang menahan protein agar tetap berada di RE kasar, mencegah protein-protein tersebut bergerak sepanjang jalur pengeluaran pada Golgi. Pada kasus protein terlarut yang terdapat di dalam lumen RE kasar, sinyal penahannya adalah Lys-Asp-Glu-Leu pada C terminalnya. Pada kasus protein membran integral tipe 1 pada membran RE kasar, sinyal penahannya adalah Lys-Lys-Xaa-Xaa pada C terminal yang berada di sisi sitosol.
Protein Untuk Lisosom
Enzim pada lisosom dan protein membran lisosom disintesis di RE kasar dan ditranspor ke bagian cis dari kompleks Golgi. Protein itu kemudian di glikosilasi dan manosa 6 fosfat ditambahkan pada protein. Manosa 6 fosfat adalah sinyal yang mengarahkan protein lisosom ke posisinya yang benar. Hal ini terjadi karena senyawa tersebut akan dikenali oleh protein reseptor manosa 6 fosfat pada sisi trans dari Golgi yang kemudian mengikat protein lisosom dan mengangkutnya dalam vesikel yang terbentuk dari apparatus Golgi. Vesikel transport kemudian menyatu dengan vesikel pensortir yang mengandung muatan bersifat asam. PH rendah menyebabkan disosiasi protein lisosom dari reseptornya dan fosfatase memisahkan fosfat dari manosa 6 fosfat, mencegahnya berikatan kembali dengan reseptor sebelumnya. Vesikel-vesikel baru akan terbentuk dari vesikel-vesikel pensortir untuk mengangkut kembali reseptor ke Golgi untuk digunakan kembali dan protein lisosom sekarang ditranspor menggunakan vesikel yang akhirnya akan menyatu dengan lisosom.
Tidak semua protein lisosom menjalani jalur yang normal dalam protein targeting, beberapa malah dikeluarkan dari sel dan harus diambil kembali. Jalur “Scavenger “ ini berjalan sebagai berikut. Glikoprotein lisosom berikatan pada reseptor manosa 6 fosfat di membran plasma dan dimasukkan kembali melalui proses endositosis. Proses ini disebut “endositosis yang diperantarai oleh reseptor”, menciptakan vesikel endositosis yang kemudian mengangkut protein lisosom ke lisosom.
Protein Untuk Mitokondria dan Kloroplas
Mitokondria dan kloroplas mempunyai DNA mereka sendiri, ribosom, mRNA, dll, dan melakukan sintesis protein, tapi hanya sedikit protein mitokondria dan kloroplas yang disintesis melalui jalur tersebut. Justru, sebagian besar protein-protein mitokondria dan kloroplas disandikan oleh genom inti, disintesis di sitosol oleh ribosom yang terdapat dalam kondisi bebas, dilepaskan setelah sintesis, dan kemudain dikirimkan ke organela. Oleh karena itu, proses ini disebut post-translasi. Protein tersebut mungkin perlu ditranspor ke salah satu dari beberapa tempat yang seharusnya; pada mitokondria, mungkin saja protein tersebut ditujukan untuk membran luar mitokondria, membran dalam, dan ruangan antar membran, ataupun matriks mitokondria. Kloroplas juga memiliki pembagian tempat yang sama, ditambah dua tempat lain yang mungkin, yaitu membran tilakoid dan ruang tilakoid. Sebagian besar yang telah diketahui adalah proses pengambilan protein pada mitokndria.
Protein ditentukan untuk matriks mitokondria oleh keberadaan sekuen yang mentarget matriks. Sekuen ini umumnya terdiri dari 15-35 asam amino dan kaya akan asam amino hidrofobik, asam amino terhidroksilasi seperti serin dan treonin, dan asam amino bermuatan positif seperti arginin dan lisin. Sekuen yang mentarget matriks ini mungkin membentuk konformasi α-heliks dengan asam amino bermuatan positif pada salah satu sisi heliks dan sisi hidrofobik pada sisi lainnya, membentuk struktur amphiphatik. Setelah sintesis oleh ribosom yang berada di sitosol, protein kemudian dilepaskan ke sitosol tetapi dipertahankan tetap dalam bentuk tidak terlipat oleh protein chaperone yang berasal dari golongan hsp 70 yang berikatan selama proses sintesis dengan protein yang baru dibentuk. Hal ini menjadi sangat penting karena protein menjadi tidak dapat dimasukkan ke dalam mitokondria. Hsp70 kemudian mentransfer protein yang tidak terlipat ke reseptor pengirim pada sisi luar membran mitokondria yang diyakini kemudian akan bergerak sepanjang membran sampai mencapai situs di mana membran dalam dan membran luar saling berdekatan. Pada sisi ini, protein masuk ke dalam matriks melalui translokator protein yang terbentuk dari komponen kedua membran. Selama melewati pori, hsp 70 dilepaskan, peptida sinyal dipotong oleh sinyal peptidase dan protein diikat di dalam matriks oleh protein hsp70 lain yang ada di dalam mitokondria. Hsp70 kemudian digantikan oleh hsp 60 yang terdapat di dalam mitokndria juga yang membantu protein melipat dengan benar sampai pada bentuk aktif akhirnya. Proses pemasukan protein ke dalam mitokondria membutuhkan energi yang berasal dari gradien elektrokimia di seberang membran dalam dan juga hidrolisis ATP. Proses pemasukan protein ke membran dalam mitokondria dan ruang antar membran membutuhkan dua sinyal. Protein dimasukkan ke matriks seperti dijelaskan sebelumnya dan kemudian sekuen sinyal kedua mengarahkan protein kembali ke membran dalam atau terus masuk ke ruang antar membran.
Proses pemasukan protein ke kloroplas mengikuti mekanisme yang sama seperti yang terjadi pada mitokondria tetapi sinyal yang digunakan pasti berbeda karena beberapa sel tumbuhan memiliki mitokondria dan kloroplas sekaligus padahal protein ditargetkan pada tujuan yang sama.
Protein Untuk Nukleus
Nukleus memiliki membran luar dan dalam dan memiliki kurang lebih 3000-4000 pori inti. Tiap pori merupakan kompleks pori inti yang tersusun atas 100 protein berbeda yang tersusun dalam bentuk heksagonal. Meskipun molekul kecil dapat melalui pori tersebut melalui difusi biasa, protein berukuran besar yang akan masuk ke nukleus membutuhkan sinyal lokalisasi nukleus. Sinyal ini tersusun atas empat sampai delapan asam amino dan kaya akan asam amino bermuatan positif seperti lisin dan arginin, dan juga biasanya mengandung prolin, dan terdapat di sisi dalam rantai polipeptida. Protein dimasukkan ke dalam pori melalui jalur yang membutuhkan ATP dan masuk ke nukleus tanpa pemotongan sinyal lokalisasi.
