MODEL MOZAIK CAIR STRUKTUR DAN FUNGSI MEMBRAN SEL

Pendahuluan

Pada akhir tahun 1960-an, semakin terakumulasi bukti-bukti yang menunjukkan bahwa hipotesis membran unit tidak cukup untuk menjelaskan sifat dinamis protein membran, walaupun hipotesis tersebut sesuai dengan distribusi yang sudah diketahui dari lipid membran. Tahun 1972, sebuah hipotesis struktur membran baru dikembangkan oleh Singer dan Nicholson. Hipotesis yang dikenal sebagai model mosaik cair tersebut memandang membran sebagai sebuah lapisan ganda fosfolipid cair, dengan protein-protein yang terselip ke dalamnya dengan berbagai cara (suatu mosaik), bukan sebuah lapisan yang tak putus. Protein-protein yang terasosiasi dengan permukaan eksterior atau interior mosaik lipid disebut protein ekstrinsik.

Membran sel merupakan membran yang paling luar  baik pada sel prokariot maupun pada sel eukariot. Fungsi membran adalah memelihara isi sel dari pencampuran bebas dengan molekul di luar sel sebagai penghubung sel dengan lingkungan luarnya, karena membran sel merupakan salah satu penyusun sel yang memisahkan bagian dalam sel dengan lingkungan luar sel. Selain fungsi tersebut, membran sel juga sangat berperan dalam trasportasi seluler suatu ion atau molekul. Membran sel tersusun oleh beberapa molekul, diantaranya adalah lipid, protein, dan karbohidrat. Masing-masing dari molekul tersebut mempunyai fungsi, peranan, serta komponen molekul yang berbeda masing-masing.

Terkait dengan struktur dari membran plasma, mengalami perkembangan dari tahun 1917 hingga tahun 1972, perkembangan terakhir yang sampai sekarang masih menjadi acuan yaitu tentang fluid mozaic model yang menerangkan bahwa membran sel tersusun atas dua lapis fosfolipid (fosfolipid bilayer), dimana ujung permukaan suatu lipid yang bersifat hidrofobik bersembunyi pada bagian interior lipid dua lapis dan ujung permukaan hidrofilik menghadap ke permukaan dua sisi membran plasma (baik yang menghadap ke interior sel maupun ke lingkungan luar sel).

Termodinamika dan Struktur Membran Sel

Membran Sel atau biasa disebut juga dengan membran plasma merupakan lapisan paling luar dari sel yang bertugas melindungi sel secara keseluruhan dari interaksi dengan lingkungan luar, menjaga segala aktivitas yang terjadi di dalam sel, dan menyeleksi transportasi makanan dari luar ke dalam sel.

Untuk lebih mudahnya dalam memahami struktur membran sel maka bisa diamati dengan model mosaik cair atau model mosaik fluida. Dengan menggunakan model mosaik cair tersebut maka akan didapatkan bahwa sebenarnya struktur membran sel terdiri dari gabungan senyawa lemak (lipid) dengan senyawa protein yang disebut dengan lipoprotein.

Jika diamati senyawa kimia lipoprotein yang merupakan penyusun dari membran sel juga terdiri dari beberapa bagian lagi yaitu protein, lipid, dan protein trilaminer layer. Sedangkan molekul-molekul penyusun struktur membran sel akan membentuk lapisan fosfolipid rangkap atau lapisan ganda fosfolipid yang dikenal dengan istilah fosfolifid bilayer. Lapisan fosfolifid pada struktur membran sel ini mengandung protein-protein membran, yaitu protein integral yang terbenam dan protein periferi yang menempel.

Struktur membran sel sangat unik, fosfolipid misalnya memiliki dua bagian yaitu bagian kepala yang terbentuk dari senyawa fosfat dan bagian ekor yang terbentuk dari senyawa asam lemak jenuh dan asam lemak tak jenuh. Fosfat dan asam lemak memiliki sifat yang berbeda jika fosfat bersifat hidrofilik (larut dalam air) maka asam lemak bersifat hidrofobik (tidak larut dalam air).

Struktur membran sel seperti diatas memungkinkan transport zat yang bersifat transport aktif dan transport pasif. Transport aktif pertama kali di kemukakan oleh Rossenberg, yaitu merupakan perpindahan molekul melawan gradien kosentrasi dari kosentrasi rendah ke kosentrasi tinggi sehingga proses transport aktif ini memerlukan energi. Energi di dapat dari beberapa protein seperti channel protein dan carrier protein. Transport aktif ini bisa dibedakan menjadi pompa ion, kotranspor,endositosis,dan,eksositosis.

Transport pasif merupakan kebalikan dari proses transpot aktif, pada transport pasif perpindahan zat melalui membran sel tidak memerlukan energi. Transport pasif ini bersifat spontan contohnya adalah peristiwa osmosis dan difusi. Osmosis adalah proses perpindahan pelarut melalui membran selektif permeabel hipotonik (kosentrasi tinggi) ke hipertonik (kosentrasi rendah). Sedangkan difusi adalah perpindahan zat dalam pelarut dari kosentrasi tinggi ke tempat yang kosentrasinya rendah

Beberapa Sifat Komponen Membran

Semua membran disusun dari lemak dan protein di mana setiap komponen diikat oleh ikatan nonkovalen. Selain lemak dan protein, membran sel juga mengandung karbohidrat. Rasio antara lemak dan protein bervariasi bergantung tipe membran seluler misalanya antara membran pasma dan retikulum endoplasma atau pun tipe organisme misalnya antara prokariot dan eukariot. Sebagai membran mitokondria memiliki rasio protein/lemak yang tinggi dibandingkan membran plasma pada sel darah merah. 

 

Lipid pada membran tersusun atas fosfolipid (lemak yang bersenyawa dengan fosfat). Fosfolipid merupakan lipid yang jumlahnya paling melimpah dalam sebagian besar membran. Kemampuan fosfolipid untuk membentuk membran disebabkan oleh struktur molekulernya. Fosfolipid merupakan suatu molekul amfipatik yang berarti bahwa molekul ini memiliki daerah hidrofilik maupun daerah hidrofobik. Sebagian besar membran mengandung fosfat, Molekul fosfat ini bersifat hidrofilik (dapat mengikat air) sedangkan molekul lemak bersifat hidrofobik (tidak dapat mengikat air)

Komponen lemak lain adalah kolesterol di mana pada hewan tertentu dapan mencapai 50% dari molekul lemak yang terdapat pada membran plasma. Kolesterol tidak terdapat pada sebagai besar membran plasma tubuhan dan bakteri.

Lipid yang terdapat pada selaput dapat diekstrak dengan kloroform, eter dan benzene. Dengan menggunakan kromatografi lapis tipis dan kromatografi gas, dapat diketahui komposisi lipid pada selaput sel. Lipid yang selalu dijumpai adalah fosfolipid, sfingolipid, glikolipid dan sterol. Kolesterol merupakan lipida terbanyak yang menyusun selaput sel.  

Peran karbohidrat membran dalam pengenalan sel dengan sel kemampuan sel untuk membedakan tipe-tipe sel yang bertetangga, bersifat krusial bagi fungsi organisme. Misalnya, penting untuk memilah-milah sel menjadi berbagai jaringan dan organ dalam embrio hewan. Pengenalan sel dengan sel juga menjadi dasar penolakan sel asing (penolakan organ cangkokan atau transplantasi) oleh sistem kekebalan. Karbohidrat pada membran biasanya  merupakan rantai pendek bercabang yang tersusun kurang dari 15 unit gula sebagjan diantaranya berikatan kovalen dengan lipid, membentuk molekul yang disebut glikolipid (glycolipid ). Akan tetapi sebagian besar karbohidrat berikatan kovalen dengan protein, membentuk glikoprotein.

 

Protein membran tersusun atas glikoprotein atau protein yang bersenyawa dengan karbohidrat. Bergantung pada tipe sel dan organel tertentu dalam sel, membran memiliki 12 sampai lebih dari 50 macam protein berbeda. Protein ini tidak disusun secara acak tetapi setiap lokasi dan orientasinya disusun pada posisi relatif tertentu pada lipid bilayer. Protein pada membran tidak simetris yakni bagian luar membran dan bagian dalam membran tersusun berbeda. Posisi seperti ini memungkinkan membran sebelah luar beriteraksi dengan dengan ligan sektraseluer seperti hormon dan faktor pertumbuhan sedangkan bagian dalam dapat berinteraksi dengan molekul sitoplasma seperti protein G atau protein kinase. Terdapat dua lapisan utama protein membrane.

Protein integral adalah protein yang berpenetrasi kedalam lipid bilayer. Protein ini dapat menembus membran sehingga memiliki domain pada sisi ekstra seluler dan sitoplasmik dari membran. Protein integral umumnya merupakan protein transmembran, dengan daerah hidrofobik yang seluruhnya membentang sepanjang interior hidrofobik membrane tersebut. Daerah hidrofobik protein integral terdiri atas satu atau lebih rentangan asam amino nonpolar, yang biasanya bergulung menjadi helix a. pada ujung hidrofilik molekul ini dipaparkan kelarutan aqueous pada kedua sisi membrane.

Protein periferal sama sekali tidak tertanam dalam bilayer lipid. Seluruhnya berlokasi dibagian luar dari lipid bilayer, baik itu di permukaan sebelah ekstraseluler maupun sitoplasmik dan berhubungan dengan membran malalui ikatan non kovalen. Protein ini merupakan angota yang terikat secara longgar pada permukaan membran, sering juga pada bagian protein integral yang dibiarkan terpapar. Protein pada membran menentukan sebagian besar fungsi spesifik membran.

Lipid anchor protein terdapat disebelah luar lipid bilayer tetapi berikatan secara kovalen dengan molekul lemak yang terdapat pada lipid bilayer.

Protein membran plasma memiliki fungsi yang sangat luas antara lain sebagai protein pembawa (carrier) senyawa melalui membran sel, penerima isyarat (signal) hormaonal dan meneruskan isyarat tersebut ke bagian sel sendiri atau sel lainnya. Protein selaput plasma juga berfungsi sebagai pengikat komponen sitoskeleton dengan senyawa-senyawa ekstraseluler. Protein-protein permukaan luar memberikan cirri individual sel dan macam protein dapat berubah sesuia dengan diferensiasi sel. Protein-protein pada membran sel banyak juga yang berfungsi sebagai enzim terutama yang terdapat pada selaput mitokondria, retikulum endoplasma dan kloroplas. Sebagai contoh, senyawa-senyawa fosfolipid membran plasma disintesis oleh enzim-enzim yang terdapat pada membran retikulum endoplasma.

Protein membran sel memiliki kemampuan bergerak, sehingga dapat berpidah tempat. Perpindahan berlangsung ke arah lateral dengan jalan difusi. Namun tidak semu protein mampu berpindah tempat. Beberapa jenis protein integral tertahan dalam selaput oleh anyaman molekul-molekul protein yang berada tepat di bawah permukaan dalam selaput plasma. Anyaman ini berhubungan dengan sitoskelet atau rangka sel.

Struktur fisiko-kima protein selaput sel kurang diketahui, mengingat bahwa bentuknya sangat bervariasi. Berdasarkan kajian mikroskopis dan teknik freeze fracture diketahui bahwa protein dalam selaput sel berbentuk globular. 

Model Mosaik Cair

      Membran plasma terdiri atas lipid bilayer yang berada dalam keadaan fluid dan dapat bergerak lateral dalam daerah membran struktur dinamis interaksi yang sementara atau semipermanen.

      Protein terdistribusi secara mosaik yang berbeda dengan lipid partikel tidak membentuk suatu lapisan yang kontinyu. Protein dapat melintasi membran fosfolipid, atau berada di bagian tepi sel.

      Tebal membran sel berkisar 8,5 nm. Membran plasma terdiri atas (i) lapisan lipida ganda, yang dikelilingi oleh protein globular. Protein globular ada yang tertanam pada matriks membran dan ada yang terikat pada permukaan polar lipida, (ii) Protein membran, berada dalam keadaan tersebar, bukan sebagai suatu lapisan yang bersinambungan, (iii) Protein yang terikat pada permukaan polar lipida disebut protein perifer atau protein ekstrinsik. Sedangkan protein yang tertanam pada matriks atau menembus lapisan lipida disebut protein integral atau protein intrinsik. (iv) Protein perifer dan integral yang berkaitan dengan molekul gula disebut glikoprotein, sedangkan molekul lipida yang berikatan dengan gula disebut glikolipida.

Beberapa Bukti Eksperimen Baru

Gagasan model cair bermosaik protein yang dikenal dengan fluid mosaic model. Seperti terkesan dari namanya, model membran ini mempunyaia dua karakteristik, yaitu membran lipid bilayer cair yang di beberapa tempat dilengkapi dengan protein membentuk mosaik.  Dengan kata lain, tetap berpijak pada struktur lipid bilayer yang sudah dikemukan seabad sebelumnya tetapi menambahkan adanya molekul-molekul protein dengan sudut pandang yang sangat berbeda. Protein globular tersebut tidak melapisi sisi luar membran melainkan tertanam menembus membran, karena beberapa bagian dari molekul protein tersebut mempunyai afinitas yang tinggi terhadap bagian dalam membran yang hidrofobik.

Penempatan protein dalam struktur lipid bilayer bersifat revolusioner. Segera setelah itu, beragam penemuan tentang protein membran bisa cocok dengan fluid mosaic model, mulai dari protein integral sampai protein periferal membran. Dalam molekul protein integral membran bisa ditemukan porsi molekul yang hidrofobik akan tertanam di dalam membran sedangkan porsi molekul yang hidrofilik akan menjulur baik ke sisi luar maupun dalam membran. Sedangkan pada molekul protein periferal tidak ditemukan adanya porsi molekul yang bersifat hidrofobik. Hampir dalam waktu yang bersamaan kemudian ditemukan kelompok protein membran yang ketiga yang tidak termasuk jenis protein yang digunakan dalam membangun fluid mosaic model, yaitulipid-anchored proteins. Kelompok protein ketiga ini sebagian besar bersifat hidrofilik tetapi bisa membuat ikatan kovalen dengan beberapa bagian fosfolipid.

Fosfolipid penyusun membran tidak statis dan diam di satu tempat melainkan secara konstan bergerak berpindah tempat, baik secara lateral (pindah dalam satu layer atau sejajar dengan orientasi permukaan membran) maupun vertikal (pindah ke sisi layer yang lain). Selain itu, beberapa komponen proteinnya juga secara kontinyu terus bergerak secara lateral dan beberapa yang lain diam tidak berpindah tempat.

Kekuatan utama dari fluid mosaic model adalah kemampuannya mengakomodasi berbagai sifat dan fungsi membran sampai sekarang. Salah satunya adalah bisa menerangkan bahwa setiap sel bisa saja mempunyai kandungan protein membran yang berbeda, dan protein membran bisa menumpuk di satu lokasi sehingga membran terlihat menjadi tebal.

Model Mosaik Cair dan Fungsi Membran Sel

Membran sel berfungsi sebagai barier semipermeabel yang memungkinkan molekul yang berukuran kecil dapat keluar masuk ke dalam sel. Hasil pengamatan mikroskop elektron terhadap membran sel menunjukkan bahwa membran sel merupakan lipid bilayer. (disebut sebagai fluid-mosaic model). Molekul penyusun utama adalah fosfolipid, yang terdiri dari bagian kepala yang polar (hidrofilik) dan dua ekor nonpolar (hidrofobik). Fosfolipid ini tersusun atas bagian nonpolar membentuk daerah hidrofobik yang diapit oleh daerah kepela yang pada bagian dalam dan luar membran.

      Fungsi Membran Sel

      Kompartementalisasi

Membran plasma membagi protoplasma menjadi beberapa kompartemen (ruangan). Membran sel membungkus seluruh protoplasma. Membran inti memisahkan nukleoplasma dengan dari stoplasma. Selain itu selaput plasma membagi sitoplasma menjadi beberapa kompartemen yang disebut dengan organel. Adanya selaput ini pembatas ini sangat penting karena memungkinkan kegiatan setiap kompartemen dapat berlangsung tanpa gangguan dari kompatemen lain namun tetap dapat bekerja sama.

      Barier selektif permeabel

Membran sel mencegah pertukaran materi secara bebas dari satu sisi ke sisi lain pada saat bersamaan. Membran plasma harus menjamin pertukaran molekul antara bagian lur dan dalam pada saat yang tepat.

      Transport molekul

Membran plasma mengandung mesin transpor molekul dari satu sisi ke sisi lain yang mencegah molekul dengan konsentrasi rendah masuk ke dalam sel daerah yang memeiliki konsentrasi tinggi.  Mesin ini memungkinkan sel mengakumulasi molekul tertentu dalam konsentari yang lebih tinggi di bandingkan di sebelah luar.

      Penghantaran signal

Membran plasma memainkan peran penting dalam respon sel terhadap signal. Proses itu disebut dengan penghantaran signal. Membran sel memiliki resptor yang berkombinasi dengan molekul tertentu (ligan). Setiap sel berbeda memiliki reseptor berbeda, yang mampu mengenali dan berespon terhadap ligan pada lingkungan berbeda.

      Interaksi interseluler

Membran sel memperantarai interaksi antar sel pada organisme multiseluler. Membran sel memungkinlkan sel mengenal satu sama lain, berikatan dan saling bertukar materi dan informasi

      Mekanisme Pengangkutan Melalui Membran Sel

Molekul dan ion kecil bergerak melintasi membrane plasma dalam dua arah seperti gula, asama amino dan nutrient lain memasuki sel, dan produk limbah metabolism meninggalkan sel. Sel menyerap oksigen untuk respirasi seluler dan mengeluarkan karbon dioksidal. Sel juga mengatur konsentrasi ion anorganiknya seperti Na+, K+, Ca2+ dan Ca- dengan cara mebolak-balik arahnya dari satu arah ke arah lainnya melintasi membrane plasma. Meskipun lalu lintas melalui membrane ini padat membrane sel itu bersifat selektif permeable (membrane hanya dapat dilewati oleh ion dan molekul polar tertentu), semipermeable (mudah dilewati oleh molekul air) dan subtansi-subtansi tidak dapat melintasi rintangan tersebut secara sembarangan. Sel tersebut dapat mengambil berbagai macam molekul dan ion kecil dan menolak yang lainnya disamping itu substansi-suubstansi bergerak melintasi membrane pada laju yang berbeda.

Model Mosaik Cair : Struktur dan Fungsi Membran Sel

Untuk Melengkapi Tugas Mata Kuliah Biologi Sel dan Molekuler

Dosen Pengampu : Prof. Dr. Herbert Sipahutar, M.Si

 

      O L E H

       I MADE NUADA

         NIM. 8136174014

         Kelas: B-1 Dik Bio

PROGRAM STUDI PENDIDIKAN BIOLOGI

PROGRAM PASCA SARJANA

UNIVERSITAS NEGERI MEDAN

2013