Molekul Kecil dan Ion Kecil Merupakan Komponen Utama Jalur Pensinyalan Sel (mesenjer kedua) Tidak semua komponen jalur transduksi sinyal berupa protein. Banyak jalur pensinyalan juga melibatkan molekul atau ion kecil nonprotein yang terlarut air yang disebut mesenjer kedua. (molekul sinyal ekstraseluler yang meningkat reseptor membrane merupakan mesenjer pertama jalur). Karena mesenjer kedua itu kecil dan terlarut air, mesenjer ini dapat segera menyebar ke seluruh sel dengan berdifusi. Misalnya mesenjer kedua yang disebut AMP siklik yang membawa sinyal yang diinisiasi epinefrin dari membrane plasma sel hati atau otot ke bagian dalam sel, dimana sinyal itu menyebabkan pemecahan glikogen. Mesenjer kedua berperan serta dalam jalur yang diinisiasi reseptor terkait protein-G maupun reseptor terosin kinase. Dua mesenjer kedua yang paling banyak digunakan adalah AMP siklik dan ion kalsium Ca2+. Banyak jenis protein relai sensitive terhadap konsentrasi sitosolik pada salah satu dari mesenjer kedua ini.

AMP siklik Begitu earl Sutherland mengemukakan bahawa epinefrin yang dengan cara bagaimanapun menyebabkan pemecahan glikogen tanpa melewati membrane plasma, pencarian dimulai untuk mesenjer kedua (ia member istilah ini) yang meneruskan sinyal dari mebran plasma ke mesin metabolic dalam sitoplasma.

Sutherland mengemukakan ahwa peningkatan epinefrin pada membrane plasma sel hati akan meningkatkan konsentrasi senyawa adenosine monofosfat siklik, yang disingkat AMP siklik atau cAMP. Suatu enzim yang ada di dalam membrane plasma, adenilil siklase, mengubah ATP menjadi cAMP sebagai respons terhadap sinyal ekstraseluler (dalam hal ini, eprinefrin). Adenilil siklase menjadi aktif hanya setelah epinefrin terikat pada protein reseptor spesifik. Dengan demikian mesenjer pertama, hormone tersebut, menyebabkan enzim membrane mensintesis cAMP, yang memancarkan sinyal ke sitoplasma. cAMP ini tidak dapat bertahan lama dalam ketiadaan hormone, karena enzim lainmengubah cAMP ini menjadi produk yang inaktif, yaitu AMP. Epinefrin lain dalam jumlah melimpah dibutuhkan untuk meningkatkan konsentrasi cAMP sitosolik kembali. Penelitian berikutnya mengungkapka bahwa epinefrin hanyalah salah satu dari banyak hormone dan molekul sinyal lain yang memicu jalur yang melibatkan cAMP. Penelitian itu juga menyingkap komponen jalur cAMP lain, termasuk protein-G, resepror terkait protein-G, dan protein kinase. Molekul relai segera setelah cAMP dalam jalur pensinyalah biasanya adalah protein kinase A, suatu serin/treonon kinase. AMP siklik mengaktifkan kinase ini. Kinase aktif ini kemudian memfosforilasi berbagai protein lain, tergantung pada selnya. Penyempurnaan lebih lanjut terhadap metabolism sel diberikan oleh sistem protei-G lainnya yang menginhibisi (menghambat) adenilil siklase. Pada sistem ini, molekul sinyal yang berbeda mengaktifkan protein G inhibitoris.

Setelah kita mengetahui peran cAMP dalam jalur resinyalan-protein-G, kita dapat menjelaskan dalam rincian molekuler bagaimana mikroba tertentu menyebabkan penyakit. Perhatikan kolera, suatu penyakit yang sering menjadi epidemic di tempat-tempat yang pasokan airnya dicemari oleh tinja manusia. Orang dimasuki bakteri kolera, VIbrio cholera, dengan cara meminum air yang tercemar. Bakteri ini berkoloni pada lapisan usus kecil dan menghasilkan racun, dalam hal ini berupa enzim yang secara kimiawi memodifikasi protein G yang terlibat dalam pengaturan garam dan sekresi air. Karena protein G hasil modifikasi ini tidak dapat menghidrolisis GTP menjadi GDP, GTP tetap berada dalam bentuk aktifnya, yang secara terus menerus merangsang adenilil siklase untuk membuat cAMP. Konsentrasi cAMP tinggi yang dihasilkan akan menyebabkan sel usus kecil mensekresi air dan garam dalam jumlah besar ke dalam usus kecil. Orang yang terinfeksi secara cepat mengalami diare yang parah dan jika tidak dirawat orang ini akan segera meninggal karena kehilangan air dan garam.

Ion Kalsium dan Insitol Trifosfat Banyak molekul sinyal pada hewan, termasuk neurotransmitter, factor pertumbuhan dan sejumlah hormone, menginduksi respon pada sel targetnya melalui jalur transduksi sinyal yang meningkatkan konsentrasi ion Ca2+ sitosolik. Kalsium bahkan lebih banyak digunakan sebagai mesenjer kedua daripada cAMP. Peningkatan

konsentrasi kalsium sitosolik menyebabkan banyak respon pada sel hewan, termasuk kontraksi sel otot, sekresi bahan tertentu, dan pembelahan sel. Pada sel tumbuhan, fungsi kalsium sebagai mesenjer kedua dalam jalur pensinyalan tumbuhan telah dikembangkan untuk mengatasi tekanan lingkungan, seperti kekeringan dan kedinginan. Sel menggunakan Ca2+ sebagai mesenjer kedua dalam jalur protein G dan jalur reseptor tirosin-kinase. Walaupun sel selalu mengandung sejumlah Ca2+, ion ini dapat berfungsi sebagai mesenjer kedua karena konsentrasinya dalam sitosol secara normal jauh lebih rendah daripada konsentrasinya di luar sel. Sebenarnya kadar kalsium dalam darah dan fluida ekstraseluler hewan sering melebihi kadar di dalam sitosol sebesar lebih dari 10.000 kali. Ion kalsium secara aktif dikeluarkan dari sel dan secara aktif dikirim dari sitosol ke reticulum endoplasma (dan pada keadaan tertentu, ke dalam mitokondria dan kloroplas). Akibatnya, konsentrasi kalsium dalam RE biasanya jauh lebih tinggi daripada konsentrasi dalam sitosol. Karena kadar kalsium sitosolik rendah, perubahan kecil pada jumlah absolute ion akan menggambarkan persentase perubahan yang relative tinggi pada konsentrasi kalsium. Dalam merespon sinyal yang direlai oleh jalur transduksi-sinyal, kadar kalsium sitosolik mungkin meningkat, biasanya oleh suatu mekanisme yang melepas Ca2+ dari RE sel. Jalur yang menyebabkan pelepasan kalsium masih melibatkan mesenjer kedua lain, yaitu diasigliserol (DAG) dan inositol trifosfat (IP3). Kedua

mesenjer ini dihasilkan oleh pembelahan fosfolipid jenis tertentu dalam membrane plasma. Dalam beberapa kasus, ion kalsium mengaktifkan protein transduksi sinyal secara langsung, tetapi ion ini sering berfungsi dengan bantuan kalmodulin, protein pengikat kalsium yang terdapat pada kadar yang tinggi pada sel eukariotik (dalam sel hewan, misalnya, kalmodulin mungkin meliputi 1% dari total protein). Kalmodulin menengahi banyak proses yang diatur kalsium dalam sel. Ketika ion kalsium terikat padanya, kalmodulin mengubah konformasi dan kemudian terikat pada protein lain yang mengaktifkannya. Protein yang paling sering diatur oleh kalmodulin ialah protein kinase dan fosfatase- protein relai yang paling umum dalam jalur pensinyalan.

RESPON SELULER TERHADAP SINYAL Dalam merespon sinyal, suatu sel dapat mengatur aktivitas dalam sitoplasma atau transkripsi dalam nucleus Akhirnya, jalur transduksi sinyal mengarah ke pengaturan satu atau lebih aktivitas seluler. Aktivitas teratur ini mungkin terjadi dalam sitoplasma, seperti penyusunan ulang sitoskeleton, pembukaan atau penutupan saluran ion dalam membrane plasma, atau sejumlah aspek metabolism sel. Seperti yang telah kita bahas, respon sel hati terhadap sinyal dari hormone epinefrin membantu mengatur metabolism energy

seluler. Langkah akhir dalam jalur pensinyalan mengaktifkan enzim yang mengkatalisis pemecahan glikogen. Banyak jalur pensinyalan lain akirnya mengatur bukan aktivitas suatu enzim tetapi sintesis enzim atau protein lain, biasanya dia meng-on-kan atau meng-off-kan gen spesifik. Gen dalam DNA sel berfungsi dengan cara ditranskripsi menjadi versi RNA yang disebut RNA men=senjer yang meninggalkan nucleus dan ditranslasi menjadi protein spesifik oleh ribosom dalam sitoplasma. Protein khusus yang disebut factor transkripsi mengontrol gen yang di-on-kan (yakni yang ditranskripsi menjadi mRNA) dalam suatu sel tertentu pada suatu saat tertentu. Aktivitas factor trasnkripsi sendiri mungkin diatur oleh jalur pensinyalan yang meluas hingga ke nucleus sel. Semua jenis reseptor sinyal dan molekul relai yang berbeda-beda yang diperkenalkan dalam bab ini berperan serta dalam jalur pengaturan gen, dan juga dalam jalur yang mengarah ke jenis respon lain. Mesenjer molekuler yang menghasilkan respon pengaturan gen mencakup factor pertumbuhan dan hormone tertentu pada tumbuhan dan hewan.

Jalur yang rumit memperkuat dan menentukan respon sel terhadap sinyal Mengapa terdapat begitu banyak langkah di antara kejadian pensinyalan pada permukaan sel dan respon sel? Seperti yang telah disebutkan sebelumnya, jalur pensinyalan dengan kemajemukan langkah mempunyai dua manfaat penting :jalur itu

menguatkan sinyal (dengan demikian responnya juga), dan jalur pensinyalan juga berperan terhadap penentuan respon itu. Penguatan Sinyal Kaskade enzim yang rumit menguatkan respon sel terhadap sinyal. Pada setiap langkah katalitik dalam kaskade tersebut, jumlah produk teraktivasi jauh lebih besar daripada langkah sebelumnya. Misalnya pada jalur yang terpicu epinefrin, setiap molekul adenilin siklase mengkatalis pembentukkan banyak molekul cAMP, setiap molekul protein kinase A memfosforilasi banyak molekul kinase selanjutnya dalam jalur itu dan seterusnya. Efek penguatan tergantung pada kenyataan apakah protein ini bertahan dalam bentuk aktif cukup lama untuk dapat memproses sejumlah besar molekul substrat sebelum kemudian menjadi inaktif kembali. Sebagai akibat penguatan sinyal ini, sejumlah kecil molekul epinefrin yang terikat pada reseptor pada permukaan sel hati atau sel otot rangka dapat menyebabkan pelepasan ratusan juta molekul glukosa dari glikogen. Kekhusussan Pensinyalan Sel jika membandingkan dua sel yang berbeda dalam tubuh kita, misalnya sel hati dan sel otot jntung, keduanya mengalami kontak dengan aliran darah sehingga secara konstan terpapar dengan banyak molekul hormone yang berbeda, seperti juga pengatur local yang disekresi oleh sel didekatnya. Namun sel hati merespon sejumlah sinyal tetapi mengabaikan sinyal yang lain, dan hal yang sama berlaku juga dalam sel

jantung. Selain itu beberapa jenis sinyal memicu respon dalam kedua sel (tetapi dengan respon yang berbeda). Misalnya epinefrin merangsang sel hati untuk memecah glikogen, tetapi respon utama sel jantung atas epinefrin ialah kontraksi, yang menyebabkan denyut jantung kita lebih cepat. Bagaimana kita memperhitungkan perbedaan ini ? Penjelasan untuk kekhususan yang diperlihatkan oleh respon seluler terhadap sinyal sama seperti penjelasan dasar untuk hamper semua perbedaan di antara sel-sel; jenis sel yang berbeda memiliki koleksi protein yang berbeda. Respon dari sel tersentu terhadap sinyal tergantung pada koleksi protein-reseptor-sinyalnya, protein relainya, dan protein yang dibutuhkan untuk melaksanakan respons. Sel hati misalnyadisiapkan untuk merespon epinefrin sebagaimana mestinya dengan memiliki protein yang dibutuhkan untuk membuat glikogen. Dengan demikian dua sel yang merespon secara berbeda terhadap sinyal yang sama, mempunyai perbedaan dalam satu atau lebih protein yang menangani dan merespon sinyal tersebut. Misalnya, sel A, sel B, dan sel C semuanya menggunakan protein reseptor yang sama untuk molekul sinyal segitiga tersebut; perbedaan pada beberapa protein lain menyebabkan perbedaan respon mereka. Perhatikan pula bahwa ada sel B, suatu jalur yang dipicu oleh suatu sinyal tunggal yang terbagi untuk menghasilkan dua respon, dalam sel C dua jalur yang dipicu oleh sinyal yang berbeda bersatu untuk menyesuaikan suatu respon tunggal. Percabangan jalur dan saling sapa antara jalur-jalur sangat penting dalam mengatur dan mengkoordinasikan

respon sel terhadap informasi yang dating. Di samping itu, penggunaan beberapa protein yang sama dalam lebih dari satu jalur memungkinkan sel untuk menghemat jumlah protein berbeda yang harus dibuatnya. Pentingnya protein relai yang berfungsi sebagai titik percabangan atau persimpangan dalam jalur pensinyalan semakin diperjelas oleh masalah yang timbul ketika protein ini rusak atau hilang. Misalnya dalam suatu kelainan turunan yang disebut sindrom Wiskott-Aldrich (WAS), ketiadaan suatu protein relai tunggal mengarah ke berbagai efek seperti pendarahan abnormal, eksim dan mudahnya terkena infeksi dan leukemia. Gejala-gejala ini diduga muncul terutama dari ketiadaan protein dalam sel sistem imun. Dengan mengkaji sel normal, para saintis mengemukakan bahwa protein WAS ditempatkan persis di bawah permukaan sel, protein ini berinteraksi dengan mikrofilamen sitoskeleton maupun dengan beberapa komponen jalur pensinyalan yang berbeda, yang merelai informasi dari permukaan sel, termasuk jalur yang mengatur perkembangbiakan (proliferasi) sel imun. Protein relai multifungsi ini dengan demikian merupakan titik cabang maupun titik persimpangan penting dalam jaringan transduksi sinyal rumit yang mengontrol perilaku sel imun. Apabila protein WAS ini tidak ada, sitoskeleton ini tidak diorganisasikan dan jalur pensinyalan terganggu, yang mengarah ke gejala WAS. Agar sel organism multiseluler dapat tetap waspada dan mampu merespon sinyal yang dating, setiap perubahan molekuler dalam jalur pensinyalan harus bertahan hanya dalam waktu singkat. Seperti yang kita lihat dalam contoh kolera, jika

komponen jalur pensinyalan menjadi terkunci pada suatu keadaan, apakah itu aktif atau inaktif, akibat yang mengerikan untuk organism tersebut dapat terjadi. Dengan demikian, kunci agar sel bisa menerima pengaturan secara kontinu ialah keterbalikan (reversibilitas) perubahan yang dihasilkan oleh sinyal tersebut. Pengikatan molekul sinyal pada reseptor bersifat reversible, yang berarti bahwa semakin rendah konsentrasi molekul sinyal, akan semakin sedikit yang terikat pada suatu saat tertentu. Ketika molekul sinyal ini meninggalkan reseptor, reseptor ini beralih kembali ke bentuk inaktifnya. Kemuadian dengan beragam cara, molekul relai kembali ke bentuk inaktifnya; aktifitas GTPase yang intrinsic pada protein G menghidrolisis GTP-terikatnya; protein fosfatase menginaktifkan kinase terfosforilasi dan protein lain; demikian seterusnya. Sebagai akibatnya, sel ini segera siap untuk merespons sinyal baru.