BIOLOGI MOLEKULER Drs. Hendri Busman, M.Biomed.

Biologi Molekuler: Cabang Biologi Sel; Mempelajari molekul dalam kehidupan sel organel sel Sel = unit terkecil dari organisme; Bentuk, fungsi, ukuran, sifat sel macam - macam Sel tdd: membran plasma dan sitoplasma Sitoplasma tdd sitosol dan organel-organel

Organel: nukleus, mitokondria, apparatus Golgi, lysosom, peroksisom, ribosom dsb. Pada prinsipnya sel hewan = sel tumbuhan

MEMBRAN PLASMA Pada semua sel, membran plasma tersusun oleh lipid bilayer (2 lapis)

Fungsi: *Filter zat/molekul-molekul*Pelindung isi sel*Transportasi*Membentuk membran organel*Pembentukan energi*Pembentukan enzim*Reseptor, dsb

Lipid bilayer dibuktikan dengan membran eritrosit dan freeze fracture.Selain lipid juga ada protein dan karbo-hidrat. Lipid + 50%, protein + 50%, karbohid-rat 5-10%.Lipid Membran: -phospholipid -glicolipid-cholesterolBersifat amphipatik/amphipilik = ujung hidrophobik + hidrophilik.

Dalam air lapisan bilayer dan micelleTerdiri dari head group (kepala) dan tail group (ekor).Kepala: polar hidrophilik, terdiri dari: glycerol-phosphat-cholineEkor: 2 rantai hidrokarbon, tidak sama panjang satu rantai ikatan jenuh, satu lagi ada cis double bond = ikatan rangkap

Phospholipid bersifat cair/fluidFluidity=keadaan liquid: ditentukan oleh kedua ekor, adanya cholesterol dan suhu.Phospholipid dpt berubah dari liquid viscous/rigid = pada freezing point.Cholesterol mengurangi fluidity dari membran, makin banyak cholesterol kaku/rigid.Phospholipid pd membran dapat berbeda-beda: phosphatidycholine, phosphatidyl serine, spingomyeline, phosphatidyl ethanolamine, dsb.

Pada lapisan luar terdapat karbohidrat gula oligosacharida glikolipid.Gula bermacam-macam jenis dan jumlahnyaGalactocerebroside pada myelin (syaraf), gula: galactosa saja Pada ganglioside (sel saraf); gula: sialic acid (nana)

PROTEIN MEMBRANJumlah protein dalam membran 50%, dalam myelin 25%, dan dalam mitokondria 75%.Molekul protein lebih besar dari lipid, bentuk globular atau helix.Letak pada membran: integral-peripheral.Dapat diisolasi dengan SDS-triton X deter-gent.Membran eritrosit paling mudah utk mempe-lajari membran.

Mudah didapatTidak mempunyai intiGhost/sel darah kosong, didapat dengan larutan hipotonis lisisGhost dapat menutup kembali atau tetap lisis mudah dipelajari.

FUNGSI PROTEIN:*Sitoskeleton*Menghasilkan ATP*Reseptor*Transportasi*Co-enzim * dsb.

KARBOHIDRAT MEMBRAN:Terdapat pd permukaan luar, sebagai oligo- sakharida/polisakharida Pada lipid glikolipid protein glikoprotein2-10% masa membran.Pada lipid satu rantai saja. Pada protein > 1 rantai bercabang- cabangKarbohidrat pd membran: galactose, mannose, glucose, fucose, galactosamine, dsb.

Fungsi belum jelasDiduga pengenalan antar sel Penanaman/ikatan protein pada membranPelindung, dsb.Glycocalyx: membran yg kaya karbohid-rat, fungsi belum jelas CYTOSOLDi bawah membran plasma, sifat seperti gel, volume 1/2 vol. sel, berisi protein, enzim, filamen, serabut sitoskeleton, dsb.

Terjadi modifikasi protein dan lipid.Transport organel , molekul besar, vesicle- transport lambat. Transport perlu energi.Penempelan protein dari sitosol ke membran ditentukan oleh enzim.Protein dlm nukleus: histon, DNA, RNA- polimerase dsb. berasal dari cytosolTransport protein dari cytosol ke dalam nucleus melalui pori-pori (nuclear pore).

Pori nucleus merupakan suatu kompleks: nuclear pore complex.Terdiri 1 set granula.Lubang di tengah komplex pori merupakan saluran berdiameter 9 panjang 15.Saluran sering tersumbat oleh partikel-partikel besar, diduga ribosom yg baru dibentuk .Molekul besar spt protein DNA dan RNA polimerase tdk. dpt. lewat secara biasa. Mekanisme belum jelas.

Protein dlm sitosol juga mempunyai sinyal utk degradasi.Life time protein: beberapa hari, ada yang beberapa menit saja.Sinyal: terminal asam amino yg tidak stabil degradasi proteolitik.Pada keadaan tidak normal akan dibentuk protein khusus heat shock atau stress respons. Stress respons mengaktifkan protein yang tidak normal.

Membran pd nucleus 2 lapis: outer membr-ane dan inner membrane, diantaranya: peri-nuclear space. Protein dari ribosom masuk perinuclear space, melaui nuclear pore diduga di pinggir pori ter-dapat reseptor yang menangkap protein besar transport aktif, masuk ke dalam lumen. Mekanisme yang terjadi masih belum jelas. Diduga memerlukan signal khusus.

PEROKSISOM (Mikrobodies)*Organel: satu lapisan membran*Memperbanyak diri dengan replikasi.*Fungsi: tergantung tipe & fungsi sel*Berisi enzim: 3 macam, D-amino acid oksidase, urate oksidase , katalase dsb.Enzim menggunakan oksigen utk meng-hilangkan atom hidrogen: RH2+O2R+H2O2 H2O2 oleh enzim katalase, mengoksidasi substrat phenol, asam format, alkohol, dsb. RH2 +H2O2 R + 2H2O

*Reaksi oksidasi di atas penting karena H2O2 bersifat toksik.*Peroksisom mengandung enzim berbeda- beda fungsi berbeda.*Dapat beradaptasi thd lingkungan. Sel ragi dalam medium gula peroksisom kecil. Dalam methanol besar-besar .

*Dalam sel tumbuhan sangat penting teru-tama dalam daun dan biji.*Katalase dan komponen lain didapat dari sitosol, mempunyai sinyal tertentu.*Peroksisom pd membrannya terdapat reseptor enzim yang diperlukan.*Pembentukan dengan budding membran r.e., dapat dengan pembelahan diri.

APPARATUS GOLGI*Terdiri dari sisternae kelompok: Golgi stack diktiosom.*1diktiosom: 4-6 sisternae *Ujung sisternae vesicle transport.*Golgi stack: cis - medial - trans*Glikoprotein dibentuk dalam r.e dari ribosom aparatus Golgi untuk dimodifi-kasi*Modifikasi dg enzim yang bermacam-macam.*Proses sulit dan kompleks.*Oligosacharide: core region dan terminal region

*Modifikasi pada terminal region, bagian complex oligosaccharide.*Proteoglican: Protein + glycosaminoglycan mucus.*Glycosaminoglycan: polisacharida panjang, ter diri dari disacharida.*Modifikasi hormon dan peptida lain vesicle sekretori dari trans Golgi. *Hasil akhir membran plasma, lisosom, vesicle sekretori, matriks ekstraseluler dsb.

LISOSOM*Pencernaan intraselluler*Vesikel kecil: 1 lapis membran*Mengandung berbagai enzim hidrolase: protease, lipase, phosphatase, dsb.*pH: 5, aman bagi sitosol*Pemecahan nutrisi, mikroorganisme, orga- nel dsb.*Proses: endositosis, phagositosis, autopha- gi, eksositosis. *Pada membran banyak protein transport

* Pembentukan : budding dari r.e. atau app. Golgi membentuk vesikel* Pembentukan enzim hidrolase, dari r.e.* Mempunyai marker : mannose-6-phosphat ( M6P), ditambahkan dalam cis Golgi* Dinding trans Golgi terdapat reseptor M6P mengikat enzim, dibawa ke lisosom* Kelainan gen untuk enzim hidrolase me- nyebabkan substrat bertumpuk* Penyakit disebut I cell disease

MITOKHONDRIA*Terdapat pada semua sel *Organel pembentukan ATP mendo-rong reaksi selluler* Sel-sel yg memerlukan banyak energi : otot, sel hati, spermatozoa, dsb.*Bentuk bervariasi, juga ukurannya.*Membran: dua lapis; outer dan inner mem-brane, ruang diantaranya berisi enzim-enzim.*Rongga di tengah: matriks, berisi enzim- enzim, asam lemak, asam pyruvat dll.

*Membran dalam membentuk tonjolan: cristaememperluas permukaan membran*Membran luar terdapat protein porin*Di dalam matriks terdapat berbagai macam enzim, a. lemak dan a. pyruvat acetyl coA*Acetyl coA masuk Krebs cycle (citric acid-cycle ) ATP, NADH, FADH2.*Pada membran dalam: enzim-enzim respi-rasi oksidasi phosphorilasi ATP. Juga kompleks enzim ATP synthetase.

*Sebagai bahan bakar: lemak dan glycogen *Lemak, lebih banyak menghasilkan energi akan diubah menjadi as.lemak*Glycogen: polimer glucosa glucose-1-phosphat 2 mol. pyruvat *NADH dan FADH2 menyimpan elektron energi tinggi, pada membran dalam ADP + P1 ATP.

CYTOSKELETON*Kerangka sel bentuk sel, alat gerak dsb.*Terdiri dari filamen-filamen/protein. Type filamen: f. actin, microtubule, f. in-termediate*SEL OTOT:- fusi beberapa sel, multinukleus. - filamen actin myofibril- myofibril + Ca2+ + ATP kontraksi*OTOT LURIK: filamen tipis dan tebal (actin + myosin)- Garis gelap terang sarcomer +2.5 u batas: z. line = z. disk- Otot kontraksi sarcomere memendek. - Daerah terang memendek. Gelap tetap.

.*Masing-masing filamen tetap, terjadi sliding saling berputar melalui side arm atau cross bridge*Isolasi actin: otot kering dihaluskan + larutan garam actin terdisosiasisub unit globuler + 375 asam amino (actin G) polimerisasi flamen actin *Filamen tebal, diekstraksi dengan la- rutan garam pekat mol myosin*Tiap mol. : 6 rantai polypeptide; 2 heavy chain+4 light chain.

*Molekul myosin + papain 1 tail (myosin rod) + 2 myosin head.*Energi: ATP kontraksi dibentuk lagi*Phosphocreatine + ADP ATP*Kontraksi: myosin head actin menghidroli-sa: ATP ADP + P Energi dilepas gerakan.*Interaksi terjadi bila ada sinyal dari syaraf t.tubule reticulum sarcoplasma Ca2+ keluar. Ca2+ masuk cytosol kontraksi

*Ca2+ dipompa kembali ke r. sarcoplasma oleh enzim Ca2+ ATPase dalam membran*Pengaturan Ca2+ oleh protein troponin, tropomyosin, alpha actinin, dsb.*Otot polos: kontraksi lambat, relax lama.*Letak filamen oblique terhadap membran.*Mekanisme kurang jelas*Tipe kontraksi ditentukan gen-gen yang mengkode protein kontraksi.

CELL JUNCTION*Sel jaringan sel ruang antar sel: extra celluler space*Sel mensekresikan molekul-molekul ruang extracelluler matriks extra-celluler*Cell junction antara sel-sel atau sel-matrix. Terutama pada lapisan epithel.*Sangat kecil freeze fracture antara plasma membran, ruang antar sel dan lapisan di bawah sitoplasma cell junc-tion.

*Cell junction: -occluding junction-anchoring junction-communicating junction

Occluding junction- tight junction sel menempel erat pada sel lain: pada epithel intestin barrier terhadap molekul tertentu tidak terjadi difusi antar sel. - Disusun oleh serabut protein transmem-brane anyaman/anastomosis pada apical sel melingkari sel sumbatan.

Anchoring junction- Menghubungkan sel-sel atau sel-matriks extra-selluler. - Disusun oleh intacelluler attachement protein dan transmembrane linker glycoprotein. Intracelluler a.p. menghubungkan fila-men/sitoskeleton dengan kompleks junction.Transmembran l.g.: menghubungkan intra-selluler dengan matriks ekstraselluler atau sel lain.- Pd sel-sel yang berhubungan dengan stress: sel otot jantung, epithel kulit, sel leher uterus dsb.

*Anchoring junction: adherens junction-desmosome - hemidesmosome.*Adherens junction: letak di bawah tight junction adhesion belt : seperti ikat pinggang sekeliling sel menghubung- kan sel tetangga fibronectin: glycoprotein reseptor gly- coprotein pd matriks saling menempel.

DESMOSOME*Seperti kancing , antara membran sel- sel lain.

*Filamen intermediate ; keratin pada epithel, desmin pd sel otot jantung, fimentin pd otak.*Terdiri dari protein intraseluler: dense cy- toplasmic plaque dan transmembrane gly- coprotein*Hemidesmosome ; setengah desmosome. Prinsip sama dengan desmosome. Fungsi berbeda, menghubungkan basal sel dengan basal lamina

*Gap junction: Paling banyak ditemukan . Pada setiap jaringan.*Komunikasi antar sel ion-2 anorganik - mo lekul kecil - aliran listrik/sinyal.*Protein transmembran:conexon saling berte mu antar sel saluran*1 conexon : 6 molekul protein pori sa- luran antar sel*Gerakan otot jantung, peristaltik usus, cilia sel epitel , dikoordinir oleh gap junction.

MATRIKS EKSTRA SELLULER* Sel- sel intercelluler space.*Sel sekresi matriks ekstraseluler pada ruang antar sel.*Sekresi sel : protein + polisakharida*Tergantung matriks dan susunan sel.*Sel sekresi: Fibroblast jaringan ikat -chondroblast jaringan tulang rawan -osteoblast jaringan tulang.*Batas epitel - jaringan ikat : lamina basalis*Fungsi matriks : migrasi, proliferasi, meta- bolisme, pertumbuhan sel, bentuk sel, dsb.

Polysacharide: glycosaminoglycan, kalau pada protein proteoglycan. Dasar matriks: gel + serabut-serabut (fila-men)Protein: colagen + elastin serabut mem-perkuat jaringan, juga ikatan sel - matriks.Glycosaminoglycan: 1. hyaluronic acid 2. chondroitin sulfate 3. heparin & heparin sulfa 4. keratan sulfat

*Collagen : protein hasil sekresi, sifat kaku, tdd tiga rantai polipeptida struktur helix*Disekresikan sbg procollagen, oleh enzim proteolitik colagen.* Jar. kulit membentuk lapisan, jar. tendo berkas 1 bundel, jar tulang lapis-lapis.*Elastin : protein hidropobik , non glycosyl.*Elastis jaringan elastis dan kenyal: kulit, pembuluh darah, paru-paru, dsb.*Berbentuk serabut/filamen, kadang berlapis

*Serabut elastin : elastin+glycoprotein mikro- fibril*Matriks ekstraseluler mengandung adhesive glycoprotein disebut fibronectin fibril besar. Dimer (2 sub unit) polipepetida + 2500 asam amino keduanya dihubungkan ikatan disulfida.*Fungsi fibronectin : adhesi, juga migrasi pada embrio. Pd. jaringan embrional : tenascin.*Laminin disekresikan oleh sel epitel epi- thel melekat pada lamina basalis.

Transport melalui membran plasma.*Molekul kecil: micromolecules*Molekul besar: macromolecules*Lipid bilayer tdk permeabel terhadap molekul polar serta ion-ion.*Transport memerlukan cara khusus*Dengan protein transport :carier dan chanel protein.*Membran plasma menyimpan ion gradient energi.*Lipid bilayer tanpa protein (sintetis) mole- kul akan difusi melewati membran.

makin kecil, difusi makin cepat, juga kelarut- an dlm minyak. Mol tak bermuatan, cepat.*Protein transport dikode oleh gen mutasi transport terganggu cysteinuria : kelainan transportasi cistein penimbunan cystein batu.*Carrier protein = transporter, berikatan dengan molekul spesifik pada binding site peru- bahan konformasi molekul dapat lewat.*Channel protein pori berisi air terbuka, mol dan ion menyebrang lipid bilayer

*Transport pasif = fasilitated diffusion.*Perbedaan konsentrasi (gradient concentration)*Gradient konsentrasi + potensial elektrik = elektro- chemical gradient transport aktif .*Transport aktif selalu dg protein carrier . Channel protein = pasive transport.*Protein carier mempunyai binding site yg spesifik*Binding site dapat diblokir oleh inhibitor.*Transport : 1 macam-1arah uniport, lebih 1 ma- cam: couple transport. Couple transport : Simport :1 arah. Antiport: berla- wanan.

*Transport glukosa binding site arah ber balik glukosa lepas : fasilitated diffusion.*Na+-K+pump Na+keluar - K+kedalam sel ATP ADP+P*K+ diluar sel < dalam sel; Na+ diluar sel> da lam sel.*Na+-K+pump ATPase. Na+ naik K+ turun.*Na+-K+pump terjadi bila ada hidrolisa ATP dan sebaliknya.*Transport ion dan hidrolisa ATP terjadi bila Na+ dan ATP di dalam sel sedangkan K+ di luar sel

*Hidrolisa 1 mol ATP 3 Na+ keluar sel dan 2K+ masuk.*Na+-K+ATPase menjaga volume dan kon- sentrasi dalam sel. Juga tekanan osmose sel tidak mengkerut atau menggembung.*Ca2+pump ATPase dalam membran seperti Na+-K+pump.*Ca2+ di luar sel > di dalam.*Pada ret sarcoplasma (sel otot) Ca2 dlm jml besar-Ca2+pumpCa2+dari sitosol. Transport aktif ion gradient hidrolisa ATP.

*Chanel protein = pori pd membran*Banyak berhubungan dengan transport ion = ion channel.*Transport melalui chanel: pasive tanpa energi*Selektif ion tertentu saja : ukuran dan mu- atan ion. Seperti Na+, K+, Ca 2+ dsb.*Ion chanel hanya terbuka bila ada rangsang- an: voltage, mekanik, sinyal, molekul.*Biasa terdapat pada sel syaraf, sel otot per gerakan.

Transport makromolekul dan partikel-partikel

Makromolekul: protein, polisacharida, polinukleoti-da tidak dapat difusi biasa.Transport: endositosis - eksositosis.Bilayer adherence bilayer joining / fusion.Eksositosis: constitutive, regulated. Membawa komponen membran vesicle transport ekstra-seluler, cell coat, cairan ekstraseluler.Constitutive - hampir semua sel. Regulated = sel khusus sekresi hormon, enzim.Reseptor + ligand eksositosis oleh sinyal ve-sikel berhubungan membran.

Mast cell histamin. Reseptor + ligand rang-sang. Respons hanya pada sel yg dirangsang.Endositosis : pinositosis, phagositosis.Molekul/partikel membran plasma endocytic vesicle lisosom. Bagian membran: protein se-perti rambut (clathrin) + protein lain coated pit coated vesicle endosom (clathrin lepas) lisosom.Coated vesicle lebih spesifik.Endositosis : reseptor mediated endocytosis.Pengambilan cholesterol membran baru. Aku- mulasi cholesterol arterosclerosis meninggal muda. Dalam darah LDL (cholesterol + prot kompleks)

Reseptor LDL pada membran Reseptor LDLLDL: endositosis liso-som: LDL cholesterol dan protein reseptorkembali ke membran.Mutasi gen akumulasi. Reseptor LDL: binding site ekstraseluler diluar sel dan binding site intraseluler pada coated pitLigand reseptor kompleks, dalam lisosom pH rendah ligand lepas dari reseptor.Reseptor membran asal, lisosom, membran lain (transitosis)

Endositosis transferin. Transferin : protein yang mengikat Fe.reseptor + transferin = receptor mediated endocytosis endosome: pH rendah Fe lepas. Transferin tanpa besi (apotransferin) masih melekat pada reseptor membran: kompleks reseptor apotransferin mem-bran.Pada pH lebih besar, apotransferin lepas dari reseptor mengikat Fe lagi dst.

TransitosisTransport molekul spesifik dari ruang ekstra seluler ke ruang ekstraseluler yang lain Reseptor pada permukaan epitel + makromo-lekul ruang ekstraseluler lain.Antibodi susu ibu bayi. Epitel usus: reseptor antibodi coated pit endosom transport vesicle membran basolateral : reseptor + antibodi dalam darah antibodi lepas.Endositosis gerakan sel. Endositosis + eksositosis siklus perubahan membran dan pergerakan vesicle transport gerakan sel.

Phagositosis = partikel besar, mikroorganisme, organel sel phagosom phagolisosom.Protozoa: phagositosis = makanMakrophage dan netrophil pertahanan tubuh, phagosit mikroorganisme, sel rusak, sel darah merah dsb.Bila makrophage + lymphocyte yg dilapisi anti- bodi seluruh permukaan phagositosis, bila antibodi hanya sebagian permukaan phago- sitosis tidak terjadi. Phagositosis perlu trigger atau rangsangan terentu.