PROSES TRANSPORT MEMBRAN Membran buatan yang terbuat dari fosfolipid murni telah digunakan secara luas untuk mempelajari permeabilitas membran. molekul nonpolar seperti O2 dan CO2, dan untuk beberapa molekul bermuatan kecil seperti gliserol. Untuk ion dan molekul polar yang dipilih, termasuk air, permeabilitas membran biologis meningkat dengan satu atau lebih perintah besar, karena adanya protein transportasi. Kedua membran biologis dan buatan memiliki permeabilitas yang sama untuk molekul nonpolar dan sebagian kecil molekul polar. Di sisi lain, membran biologis jauh lebih permeabel terhadap ion dan beberapa molekul polar besar, seperti gula, daripada bilayers buatan. Alasannya adalah bahwa, tidak seperti bilayers buatan, membran biologis mengandung protein transpor yang memfasilitasi transport ion terpilih dan molekul polar lainnya. Meskipun protein transportasi tertentu biasanya sangat spesifik untuk jenis zat yang akan diangkut, spesifitasnya adalah tidak mutlak: umumnya juga

mengangkut famili kecil zat terkait. Sebagai contoh, pada tanaman K + transporter pada membran plasma dapat mengangkut Rb + dan Na + di samping K +, K + biasanya lebih disukai. Di sisi lain, K + transporter benar-benar tidak efektif dalam mengangkut zat terlarut anion seperti Cl-atau tak bermuatan seperti sukrosa. Demikian pula, protein yang terlibat dalam transportasi asam amino netral dapat memindahkan glisin, alanin, dan valin dengan mudah sama tetapi tidak menerima asam aspartat atau lisin. Tiga Jenis Transporter Membran Tiga kelas dari protein transpor membran: channel, carier, dan pompa. Channel dan operator dapat memediasi transpor pasif zat terlarut melintasi membran (difusi sederhana atau oleh difusi difasilitasi), turun gradien zat terlarut dari potensial elektrokimia. Protein saluran bertindak sebagai pori-pori membran, dan kekhususan mereka ditentukan terutama oleh sifat biofisik saluran. Protein pembawa mengikat molekul diangkut pada satu sisi membran dan melepaskannya di sisi lain. Transpor aktif primer dilakukan oleh pompa dan menggunakan energi

secara langsung, biasanya dari hidrolisis ATP, untuk memompa zat terlarut melawan gradien mereka potensial elektrokimia. Salurantransmembran protein

yang berfungsi sebagai pori-pori selektif, di mana molekul atau ion dapat berdifusi melintasi membran. Ukuran pori dan kepadatan muatan permukaan pada lapisan interior menentukan spesifisitas transportasi. Transportasi melalui saluran selalu pasif, dan karena kekhususan transportasi tergantung pada ukuran pori dan muatan listrik lebih dari pada yang mengikat yang selektif, saluran transportasi terbatas terutama untuk ion atau air.

Transportasi melalui sebuah channel mungkin atau tidak mungkin terlibat mengikat sementara zat terlarut pada chanel protein. Dalam hal apapun, selama pori saluran terbuka, zat terlarut yang dapat menembus pori melalui itu sangat cepat: sekitar 108 ion per detik melalui setiap chanel protein. Channel tidak terbuka sepanjang waktu: channel protein memiliki struktur yang disebut gerbang yang membuka dan menutup pori-pori sebagai respons terhadap sinyal eksternal. Sinyal dapat membuka atau menutup gerbang termasuk perubahan tegangan, mengikat hormon, atau cahaya. Misalnya, tegangan-gated saluran membuka atau menutup dalam menanggapi perubahan potensial membran. Chanel ion individu dapat dipelajari secara rinci dengan teknik patch calmp elektrofisiologi. Saluran ini dapat membuka dalam rentang tegangan yang berbeda, atau sebagai respons terhadap sinyal yang berbeda, yang mungkin termasuk konsentrasi K + atau Ca2 +, pH protein kinase, dan fosfatase, dan sebagainya. Chanel K + terbuka hanya pada potensial negatif lebih mengkhususkan untuk difusi ke dalam K + dan dikenal sebagai inward rektifikasi, atau hanya ke dalam, K + channel. Sebaliknya, K + channel yang terbuka hanya

pada potensial yang lebih positif adalah outward-rektifikasi, atau ke luar, K + channel. Sedangkan fungsi inward K + channel dalam akumulasi K + dari lingkungan, atau dalam pembukaan stomata,K + keluar berbagai channel fungsi dalam penutupan stomata, dalam rilis K + ke dalam xilem atau dalam pengaturan potensi membran. Ikatan Carriers dan Transportasi Zat Spesifik Protein carier tidak memiliki pori-pori yang membentang sepenuhnya melintasi membran. Dalam transportasi dimediasi oleh carier zat yang diangkut pada awalnya terikat ke situs tertentu. Ikatan ini menyebabkan perubahan konformasi dalam protein, yang memaparkan substansi ke solusi pada sisi lain dari membran. Transportasi selesai ketika memisahkan substansi dari situs pengikatan carier. Karena perubahan konformasi dalam protein yang diperlukan untuk mengangkut molekul individu atau ion, laju transportasi melalui sebuah carier adalah banyak pesanan dari lebih lambat daripada melalui saluran. Pengikatan dan pelepasan molekul di situs tertentu pada protein yang terjadi dalam carrier-mediated transport yang mirip dengan pengikatan dan pelepasan molekul dari enzim dalam reaksi enzim katalis. Transportasi Carrier-dimediasi dapat berupa pasif atau aktif, dan dapat mengangkut dalam rentang yang lebih luas dari substrat yang mungkin. Transpor pasif pada sebuah carier kadang-kadang disebut difusi difasilitasi, meskipun menyerupai difusi hanya mengangkut zat ke bawah gradien potensial elektrokimianya, tanpa melibatkan tambahan energi. Transportasi Aktif Primer Secara langsung Digabungkan untuk Metabolik atau Energi Cahaya Untuk melakukan transpor aktif, sebuah carier harus berpasangan unphil transportasi zat terlarut dengan yang lain, energi-pelepas, sehingga perubahan energi bebas secara keseluruhan adalah negatif. Transpor aktif primer digabungkan secara langsung ke sumber energi lain selain m ~ j, seperti hidrolisis ATP, reaksi oksidasi-reduksi atau penyerapan cahaya oleh protein

carier . Protein membran yang melakukan transpor aktif primer disebut pompa. Kebanyakan pompa Ion transportasi, seperti H + atau Ca2 +. Namun pompa milik famili "ATP-binding kaset" transporter dapat membawa molekul organik yang besar. Pompa ion dapat dicirikan sebagai electrogenic atau electroneutral. Secara umum, transportasi electrogenic mengacu transpor ion yang melibatkan gerakan bersih muatan di membran. Sebaliknya, transportasi electroneutral, seperti namanya, tidak melibatkan gerakan bersih dari perintah. Sebagai contoh, Na + / K +-ATPase sel hewan memompa tiga ion Na + keluar untuk setiap dua ion K+ ke dalam, menghasilkan gerak ke luar bersih dari satu muatan positif. Karena itu Na + / K +-ATPase adalah merupakan pompa ion electrogenic. Berbeda sekali dengan H + / K +-ATPase dari hewan mukosa lambungnya memompa satu H + keluar dari sel untuk setiap satu K + ke dalam, sehingga tidak ada pergerakan bersih muatan di membran. Oleh karena itu, H + / K +-ATPase adalah pompa electroneutral. Pada membran plasma tanaman, pompa paling menonjol adalah untuk H + dan Ca2 +, dan arah pemompaan ke luar. Oleh karena itu mekanisme lain diperlukan untuk mendorong penyerapan aktif kebanyakan unsur hara. Cara penting lainnya zat terlarut dapat aktif diangkut melintasi membran melawan gradien potensial elektrokimianya adalah dengan gabungan pada transportasi naik satu terlarut ke transpor turun yang lain. Jenis carier dimediasi cotransport

disebut transpor aktif sekunder, dan didorong secara tidak langsung dengan pemompaan.Transport aktif sekunder menggunakan simpanan energi dalam gradien potensial elektrokimia Proton adalah diekstrusi dari sitosol oleh H+ - ATPase electrogenic yang beroperasi di membran plasma dan pada membran vakuola. Akibatnya, sebuah potensi membran dan sebuah gradien pH diciptakan dengan memakai hidrolisis ATP. Ini gradien potensial elektrokimia untuk H +, m ~ H +, atau (bila

dinyatakan dalam satuan lain) gaya motif proton (PMF), atau p, merupakan energi bebas yang tersimpan dalam bentuk gradien H + . Ada dua jenis transportasi sekunder: symport dan antiport. Symport (dan protein yang terlibat disebut sebuah symporter a) karena dua zat yang bergerak dalam arah yang sama melalui membran . Antiport (difasilitasi oleh protein yang disebut sebuah antiporter) mengacu penggabungan pada transportasi ditambah di mana gerakan menurun dari proton mendorong transportasi (menanjak) aktif dari zat terlarut dalam arah yang berlawanan. Pada konsentrasi eksternal yang sangat rendah, K + dapat diambil oleh protein symport aktif, tetapi pada konsentrasi yang lebih tinggi dapat masuk ke dalam sel dengan cara difusi melalui saluran K + yang spesifik. Namun, bahkan masuknya melalui saluran didorong oleh H +-ATPase, dalam arti bahwa K + difusi didorong oleh potensi membran, yang dipertahankan pada nilai lebih negatif dari potensi K + kesetimbangan oleh aksi H+ electrogenic + pompa. Sebaliknya, K + penghabisan membutuhkan membran potensi untuk

dipertahankan pada nilai yang lebih positif dari EK, yang dapat dicapai jika penghabisan Cl-melalui saluran Cl- diperbolehkan. MEMBRAN PROTEIN TRANSPORT Telah kita bahas pada bagian sebelumnya bahwa beberapa protein transmembran beroperasi sebagai chanel untuk mengontrol difusi ion. Protein membran lainnya bertindak sebagai pembawa (charier) untuk zat lain (sebagian besar molekul dan ion). transportasi aktif menggunakan jenis carrier protein yang diberi energi secara langsung oleh hidrolisis ATP atau secara tidak langsung sebagai symporters dan antiporters. Sistem yang terakhir menggunakan energi gradien ion (sering gradien H +) untuk mendorong transportasi naik (uphill) ion atau molekul lain. Dalam bahasan selanjutanya kita akan

membahas secara lebih rinci sifat molekuler, lokasi seluler, dan manipulasi genetik dari beberapa transportasi protein.

Analisis Kinetik dapat Menjelaskan Mekanisme Transport Sejauh ini, kami telah menjelaskan transportasi seluler dalam hal energinya. Namun, transportasi selular juga dapat dipelajari dengan menggunakan enzim kinetik karena transportasinya melibatkan pengikatan dan disosiasi molekul pada situs aktif dalam transportasi protein. Satu keuntungan dari pendekatan kinetik ini adalah memberikan wawasan baru tentang regulasi transportasi. Nilai Km rendah menunjukkan afinitas tinggi dari situs transportasi untuk zat yang diangkut. Nilai-nilai tersebut biasanya menyiratkan operasi dari sebuah sistem carrier.

Nilai yang lebih tinggi dari Km menunjukkan afinitas yang lebih rendah dari situs transportasi untuk zat terlarut. Afinitas sering sangat rendah sehingga dalam praktek Vmax tidak pernah tercapai. Dalam kasus tersebut, kinetika saja tidak dapat membedakan antara operator dan saluran. Gen untuk Banyak Transporter telah di Klon Transportasi nitrat adalah contoh yang menarik tidak hanya karena pentingnya gizi, tetapi juga karena kompleksitasnya. Analisis kinetik

menunjukkan bahwa transportasi nitrat, nitrat bermuatan negatif, dan seperti muatan listrik memerlukan suatu kebutuhan energi untuk transportasi ion nitrat pada semua konsentrasi. Energi yang disediakan oleh symport bersama H +. Transportasi Nitrat juga sangat diatur sesuai dengan ketersediaan nitrat: Enzim diperlukan untuk transportasi nitrat, serta asimilasi nitrat. Ketersediaan nitrat diinduksi dengan adanya nitrat di lingkungan, dan serapan juga dapat ditekan jika nitrat terakumulasi dalam sel. Gen untuk Saluran (Chanel) Air tertentu telah diidentifikasi Aquaporins adalah kelas protein yang cukup melimpah pada membran tanaman. Aquaporins mengungkapkan tidak ada arus ion dalam oosit, tetapi ketika osmolaritas media eksternal berkurang, ekspresi dari protein (aquaporis) dalam oosit muncul banyak sekali. Keberadaan aquaporins mengejutkan pada awalnya

karena diduga bahwa lapisan ganda lipid itu sendiri cukup permeabel terhadap air. Namun demikian, aquaporins memang umum berada dalam membran tanaman dan hewan, dan ekspresi serta aktivitas mereka tampaknya diatur, mungkin dengan fosforilasi protein, sebagai tanggapan terhadap ketersediaan air. Membran Plasma H +-ATPase Memiliki Beberapa Domain fungsional Transpor aktif H + melewati membran plasma menciptakan gradien pH dan potensial listrik yang mendorong pengangkutan zat lain (ion dan molekul) melalui berbagai transpor aktif sekunder protein. H +-ATPase membran plasma dikodekan oleh sebuah famili dari sekitar sepuluh gen. Setiap gen mengkodekan isoform enzim (Sussman 1994). Isoform ini adalah jaringan spesifik, dan mereka secara istimewa diekspresikan dalam akar, benih, floem, dan sebagainya. Kekhasan fungsional dari setiap isoform belum dapat dipahami, tetapi mungkin dapat mengubah pH optimal dari beberapa isoform dan memungkinkan transportasi diatur dengan cara yang berbeda untuk setiap jaringan. H +-ATPase vakuolar Mendorong Akumulasi Larutan ke Vakuola Karena sel-sel tumbuhan meningkatkan ukuran mereka terutama dengan mengambil air menjadi besar, vakuola sentral, tekanan osmotik vakuola harus dijaga cukup tinggi untuk air masuk dari sitoplasma. Tonoplast ini mengatur lalu lintas ion dan metabolit antara sitosol dan vakuola, sama seperti membran plasma mengatur penyerapan ke dalam sel. Tonoplast transportasi menjadi bidang penuh semangat penelitian mengikuti pengembangan metode untuk isolasi vakuola utuh dan vesikula tonoplast. Penemuan tipe baru proton yang memompa ATPase, yang mengangkut proton menjadi vakuola . H +-ATPase vacuolar (juga disebut V-ATPase) berbeda baik secara struktural dan fungsional dari membran plasma H +-ATPase. Para ATPase vacuolar lebih erat terkait dengan F-ATPase dari mitokondria dan kloroplas. Karena hidrolisis ATP oleh ATPase vacuolar tidak melibatkan pembentukan intermediate terfosforilasi, ATPase vacuolar tidak sensitif terhadap vanadat, inhibitor dari ATPase membran plasma. ATPase vacuolar secara khusus dihambat

oleh bafilomycin antibiotik, serta dengan konsentrasi tinggi dari nitrat, baik yang menghambat ATPase membran plasma. Penggunaan inhibitor selektif

memungkinkan untuk mengidentifikasi berbagai jenis ATPase, dan untuk dilakukan uji aktivitas mereka. Konservasi netralitas listrik sebagian dengan transportasi anion

memungkinkan H +-ATPase vacuolar untuk menghasilkan gradien konsentrasi besar (pH) dari proton di tonoplast tersebut. Gradien ini akun untuk fakta bahwa pH getah vacuolar biasanya sekitar 5,5, sedangkan pH sitoplasma adalah 7,0-7,5 dimanfaatkan untuk mendorong serapan kation dan gula ke vakuola melalui transportasi sekunder (sistem antiporter). Meskipun pH vakuola dari kebanyakan tumbuhan adalah agak asam (sekitar 5,5), pH vakuola dari beberapa spesies yang jauh lebih rendah-disebut sebuah fenomena hyperacidification. Hyperacidification vacuolar adalah penyebab dari rasa asam dari buah-buahan tertentu (lemon) dan sayuran (rhubarb). Vakuola Tanaman telah diberi energi oleh Proton Kedua Pompa, H +Pyrophosphatase Tipe lain dari pompa proton, sebuah H +-pyrophosphatase (H +-PPase) (Rea dkk. 1998), muncul untuk bekerja secara paralel dengan ATPase vacuolar untuk membuat gradien proton di tonoplast. Enzim ini terdiri dari polipeptida tunggal yang memiliki massa molekul 80 kDa. H +-PPase memanfaatkan energi dari hidrolisis pirofosfat inorganik (PPi). Energi bebas yang dilepaskan oleh hidrolisis PPi selain dari itu dari hidrolisis ATP. Namun, vacuolar H+ -PPase mengangkut hanya satu ion H + PPi per molekul terhidrolisis, sedangkan ATPase vacuolar muncul untuk mengangkut dua ion H + per ATP dihidrolisis. Dengan demikian energi yang tersedia per ion H + diangkut tampaknya menjadi sama, dan dua enzim muncul untuk dapat menghasilkan H + sebanding gradien. Pada beberapa tanaman sintesis vacuolar H +-PPase diinduksi oleh kadar O2 rendah (hipoksia) atau dengan chilling. Hal ini menunjukkan bahwa H +-vacuolar

PPase mungkin berfungsi sebagai sistem cadangan untuk menjaga metabolisme sel yang penting dalam kondisi di mana pasokan ATP habis karena penghambatan respirasi oleh hipoksia atau chilling. Hal yang menarik bahwa tanaman vacuolar H +-PPase tidak ditemukan pada hewan atau ragi, meskipun enzim yang sama hadir dalam beberapa bakteri dan protista. Metabolit besar seperti flavonoid, anthocyanin dan produk sekunder dari metabolisme yang diasingkan dalam vakuola. Molekul-molekul besar yang diangkut ke dalam vakuola oleh ATPpengikat transporter kaset (ABC). Transportasi proses pengangkutan ABC mengkonsumsi ATP dan tidak bergantung pada gradien elektrokimia primer (lihat Topik Web 6.6). Studi terbaru menunjukkan bahwa ABC transporter juga dapat ditemukan pada membran plasma dan di mitokondria (Theodoulou 2000). Pompa Kalsium, Antiports, dan Channels Mengatur Kalsium intraselular Kalsium adalah ion penting lain yang konsentrasi secara kuat diatur. Kalsium konsentrasi pada dinding sel dan (ekstraseluler) apoplastic (ekstraseluler) ruang biasanya di kisaran millimolar; bebas sitosol konsentrasi Ca2 + konsentrasi dipertahankan pada kisaran (10-6 M) mikromolar, melawan gradien elektrokimiapotensi besar yang mendorong difusi Ca2 + ke dalam sel. Fluktuasi kecil dalam sitosol konsentrasi Ca2 + secara drastis mengubah aktivitas banyak enzim ,sehingga kalsium pembawa pesan kedua yang penting dalam transduksi sinyal. Sebagian besar kalsium dalam sel disimpan dalam vakuola pusat, di mana ia diambil melalui Ca2 +-H + antiporters, yang menggunakan potensial elektrokimia dari gradien proton untuk memberi energi akumulasi kalsium ke dalam vakuola (Bush 1995). Mitokondria dan retikulum endoplasma juga menyimpan kalsium dalam sel. Kalsium menembus dari vakuola ke dalam sitosol mungkin dalam beberapa sel dipicu oleh trisphosphate inositol (IP3). IP3, yang muncul untuk bertindak sebagai "pembawa pesan kedua" dalam jalur transduksi sinyal tertentu, menginduksi

pembukaan IP3-gated saluran kalsium pada tonoplast dan retikulum endoplasma (ER). ATPase kalsium ditemukan pada membran plasma (Chung et al. 2000) dan dalam beberapa endomembranes sel tumbuhan (lihat Gambar 6.11). Sel tumbuhan mengatur sitosol konsentrasi Ca2 + konsentrasi dengan mengontrol pembukaan Ca2 + channel yang memungkinkan kalsium untuk berdifusi dalam, serta dengan memodulasi aktivitas pompa yang mendorong konsentrasi Ca2 + dari sitoplasma kembali ke dalam ruang ekstraseluler. Sedangkan pompa membran kalsium plasma bergerak kalsium keluar dari sel, pompa kalsium pada kalsium transportasi ER ke dalam lumen ER. ION TRANSPORT IN ROOTS Pergerakan larutan diantara Apoplast dan Symplast Dalam pengangkutan molekul kecil, dinding sel adalah kisi terbuka polisakarida melalui unsur hara berdifusi dipermudah. Karena semua sel tanaman dipisahkan oleh dinding sel, ion dapat menyebar di jaringan (atau dilakukan secara pasif oleh aliran air) sepenuhnya melalui ruang dinding sel tanpa pernah memasuki sel hidup. Ini kontinum dari dinding sel disebut ruang ekstraselular, atau apoplast. Sama seperti dinding sel dari kelanjutan fasenya, sitoplasma dengan sel tetangga secara kolektif disebut sebagai symplast. Sel tanaman yang dihubungkan oleh jembatan sitoplasma disebut plasmodesmata .Setiap Plasmodesma dilapisi dengan membran plasma dan mengandung pipa kecil sempit, desmotubule, yang merupakan kelanjutan dari retikulum endoplasma. Dalam jaringan jumlah yang signifikan terjadi transportasi antar sel terjadi, sel tetangga mengandung sejumlah besar plasmodesmata, sampai 15 per mikrometer persegi permukaan sel. Sel sekretori khusus, seperti nectaries bunga dan daun kelenjar garam, tampaknya memiliki plasmodesmata kepadatan tinggi; begitu juga sel-sel dekat ujung akar, di mana penyerapan nutrisi sebagian besar terjadi.

Pergerakan Ion Melintasi Akar Penyerapan ion oleh akar lebih dominan di zona akar rambut daripada di zona meristem dan perpanjangan. Rambut akar adalah perluasan dari sel epidermis khusus yang meningkatkan luas permukaan untuk penyerapan ion. Ion yang masuk sebuah akar segera bisa masuk symplast dengan melintasi membran plasma dari sel epidermis, atau mungkin memasukkan apoplast dan menyebar antara sel-sel epidermis melalui dinding sel. Dari apoplast dari korteks, ion baik dapat melintasi membran plasma dari sel korteks, sehingga memasuki symplast, atau berdifusi secara radial semua jalan ke endodermis melalui apoplast tersebut. Dalam semua kasus, ion harus memasuki symplast sebelum mereka bisa masuk stele, karena kehadiran dari pita Casparian. Apoplast membentuk sebuah fasa kontinyu dari permukaan akar melalui korteks. Pada batas antara silinder vaskular (stele) dan korteks adalah lapisan selsel khusus, endodermis tersebut. Sel suberized dalam endodermis, yang dikenal sebagai strip Casparian, efektif menghambat masuknya air dan ion mineral ke dalam stele melalui apoplast tersebut. Setelah ion memasuki stele melalui symplas di endodermis akan terus berdifusi dari sel ke sel ke xilem tersebut. Akhirnya, ion masuk kembali apoplast karena berdifusi ke dalam trakeid xilem atau elemen vessel. Lagi strip Casparian mencegah ion dari belakang menyebar keluar dari akar melalui apoplast tersebut. Kehadiran strip Casparian memungkinkan tanaman untuk mempertahankan konsentrasi ion yang lebih tinggi dalam xilem daripada ada dalam air tanah sekitar akar. Setelah ion telah diambil ke dalam symplast dari akar di epidermis atau korteks, mereka harus dimuat ke dalam tracheids atau unsur-unsur pembuluh dari stele akan ditranslokasikan ke tunas. stele ini terdiri dari elemen tracheary mati dan parenkim xilem yang hidup. Karena elemen xilem tracheary adalah sel-sel mati, mereka tidak memiliki kesinambungan dengan sitoplasma sekitarnya parenkim xilem. Untuk memasukkan elemen tracheary, ion harus keluar symplast dengan melintasi membran plasma untuk kedua kalinya. Proses dimana ion keluar symplast dan masuk ke dalam sel budidaya xilem disebut pemuatan xilem.