Sistem Transportasi Membran Sel

Transportasi molekul, zat atau partikel melintasi membran plasma sangat penting untuk kehidupan sel. Zat tertentu harus pindah ke dalam sel untuk mendukung reaksi metabolik. Zat lain yang telah diproduksi oleh sel akan diekspor atau limbah sebagai produk seluler harus bergerak keluar dari sel.

Zat umumnya bergerak melintasi membran selular melalui proses transportasi yang dapat diklasifikasikan sebagai pasif atau aktif, tergantung apakah mereka memerlukan energi atau tidak. Dalam transport pasif, zat bergerak menuruni gradien untuk menyeberangi membran hanya menggunakan energi kinetik sendiri. Energi kinetik adalah intrinsik untuk partikel yang bergerak. Contohnya adalah difusi sederhana (simple diffusion). Dalam proses yang aktif, energi sel digunakan untuk menggerakkan substansi menaiki atau bergerak melawan konsentrasi atau gradien listrik. Energi selular yang digunakan biasanya dalam bentuk ATP. Contohnya termasuk endositosis, di mana vesikel terlepas dari membran plasma sambil membawa bahan ke dalam sel, dan eksositosis, penggabungan vesikel dengan membran plasma untuk melepaskan substansi, zat, atau partikel dari sel.

              A.   TRANSPORT PASIF

Transport pasif merupakan suatu perpindahan molekul berdasarkan perbedaan gradien konsentrasinya, yaitu molekul berpindah dari konsentrasinya yang tinggi ke konsentrasi rendah (sesuai dengan gradient konsentrasi) melalui lapisan lipid bilayer, channel protein (saluran protein) ataupun carrier protein (protein pembawa) dan tidak ada energi metabolik yang terlibat. Transport Pasif meliputi transport difusi (simple), difusi difasilitasi, dan osmosis.

A.1 DIFUSI

Difusi ini adalah transport membran yang paling sederhana, yang dikenal dengan simple diffusion, merupakan proses pasif di mana zat bergerak bebas melalui lapisan ganda lipid dari membran plasma sel tanpa bantuan protein transport membran, bergerak melintasi membran dengan sederhana atau secara langsung.

Zat terlarut yang dapat berdifusi ada yang berupa zat nonpolar dan polar. Nonpolar, molekul hidrofobik bergerak melintasi bilayer lipid melalui proses difusi sederhana. Molekul tersebut termasuk oksigen, karbon dioksida, dan gas nitrogen, asam lemak, steroid, dan vitamin larut lemak (A, D, E, dan K). Polar molekul seperti air, urea, dan alkohol kecil juga melewati melalui bilayer lipid dengan difusi sederhana.

Difusi ini penting dalam pergerakan oksigen dan karbon dioksida antara sel-sel darah dan tubuh, dan antara darah dan udara dalam paru-paru saat bernafas. Ini juga merupakan rute untuk penyerapan beberapa nutrisi dan ekskresi beberapa limbah oleh sel-sel tubuh.

Prinsip Difusi

Difusi atau diffusion (di-FU-zhun; diffus- penyebaran) adalah proses pasif di mana pencampuran acak partikel dalam larutan terjadi karena energi kinetik partikel. Dimana larutan mengandung zat terlarut dan pelarut, difusi ini perpindahan atau pergerakan zat terlarut bukan pelarut. Jika zat terlarut dalam konsentrasi tinggi dalam satu bidang (luar sel) dan dalam konsentrasi rendah daerah lain (dalam sel), molekul zat terlarut akan bergerak ke daerah rendah konsentrasi dimaksud tansport pasif karena zat bergerak menuruni gradien konsentrasi, dari konsentrasi tinggi ke konsentrasi rendah tanpa membutuhkan energi. Zat ini akan berhenti bergerak melintasi membran hingga kedua tempat, luar sel dan dalam sel memiliki konsentrasi yang sama atau telah mencapai keseimbangan. Membran untuk difusi ini bersifat permeable.

Beberapa faktor yang mempengaruhi difusi

1. Kecuraman dari gradien konsentrasi. Semakin besarperbedaan konsentrasi antara dua sisi membran, semakin tinggi tingkat difusi.
2. Suhu. Semakin tinggi suhu, semakin cepat tingkat difusi. Semua proses difusi tubuh terjadi lebih cepat pada orang dengan demam.
3. Massa bahan yang ditransportasikan. Semakin besar massanya, semakin lambat laju difusi. Molekul yang lebih kecil menyebar lebih cepat daripada yang lebih besar.
4. Luas permukaan. Semakin besar luas permukaan membran yang tersedia untuk difusi, semakin cepat laju difusi. Sebagai contoh, kantung udara dari paru-paru memiliki luas permukaan yang besar yang tersedia untuk difusi oksigen dari udara ke dalam darah. Beberapa penyakit paru-paru, seperti emphysema, mengurangi luas permukaan. Hal ini memperlambat laju difusi oksigen dan membuat pernapasan lebih sulit.
5. Jarak Difusi. Semakin besar jarak di mana difusi harus terjadi, semakin lama waktu yang dibutuhkan. Difusi melintasi membran plasma hanya membutuhkan sepersekian detik karena membran sangat tipis. Pada pneumonia, cairan terkumpul dalam paru-paru; cairan tambahan meningkatkan jarak difusi karena oksigen harus bergerak melalui cairan dan membran untuk mencapai aliran darah.

A.2 DIFUSI DIFASILITASI

          Zat terlarut yang terlalu polar atau sangat dituntut untuk bergerak melalui lipid bilayer dengan difusi sederhana dapat melintasi membran plasma dengan proses pasif yang disebut difusi difasilitasi. Dalam proses ini, sebuah protein membran integral membantu zat tertentu di membran. Protein membran integral dapat berupa channel membran atau carrier membran.

CHANNEL MEDIATED (SALURAN)

CHANNEL-dimediasi DIFUSI difasilitasi dalam saluran dimediasi difasilitasi difusi, zat terlarut bergerak menuruni konsentrasi gradien melintasi bilayer lipid melalui membran channel. Sebagian besar saluran membran saluran ion, protein trans membran integral yang memungkinkan zat atau molekul kecil, anorganik ion yang terlalu hidrofilik untuk menembus nonpolar yang interior dari lapisan ganda lipid. Setiap ion dapat menyebar di seluruh membran hanya pada situs tertentu.

Dalam membran plasma ion yang paling banyak yaitu K⁺ (ion kalium) atau Cl^- (ion klorida) dan ion yang sedikit yaitu Na⁺ (ion natrium) atau Ca²⁺ (ion kalsium). Difusi ion melalui saluran umumnya lebih lambat dari difusi gratis melalui lapisan ganda lipid karena saluran menempati sebagian kecil dari total luas permukaan membran daripada lipid. Namun, difasilitasi difusi melalui saluran adalah proses yang sangat cepat yaitu lebih dari juta ion kalium dapat mengalir melalui channel ini.

Sebuah channel dikatakan terjaga keteraturannya ketika bagian dari protein saluran bertindak sebagai gerbang, berubah bentuk dalam satu cara untuk membuka pori dan cara lain untuk menutupnya. Ion-ion akan keluar masuk dengan seiringnya terbuka dan tertutupnya gerbang tersebut, ini diatur oleh perubahan kimia atau listrik di dalam dan di luar sel. Ketika gerbang saluran terbuka, ion berdifusi ke dalam atau keluar dari sel, menuruni gradien elektrokimia.

CARRIER MEDIATED (PEMBAWA)

CARRIER-dimediasi DIFUSI difasilitasi dalam pembawa dimediasi difusi difasilitasi, pembawa (juga disebut transporter) digunakan untuk memindahkan zat terlarut menuruni gradien konsentrasinya melintasi membran plasma. Zat terlarut ke satu sisi membran dan dilepaskan di sisi lain setelah pembawa mengalami perubahan bentuk. Zat terlarut lebih sering mengikat pada membran dengan konsentrasi yang lebih tinggi dari zat terlarut. Setelah konsentrasi adalah sama di kedua sisi membran, zat terlarut molekul mengikat pembawa di sisi sitosol dan pindah ke cairan ekstraselular secepat mereka mengikat carrier pada sisi ekstraseluler.

Tingkat carrier-dimediasi difusi difasilitasi (seberapa cepat itu terjadi) adalah ditentukan oleh kecuraman gradien konsentrasi di membran. Difusi difasilitasi mencakup glukosa, fruktosa, galaktosa, dan beberapa vitamin. Glukosa memasuki banyak sel-sel tubuh oleh carrier- dimediasi difasilitasi difusi seperti sebagai berikut:

Glukosa mengikat jenis tertentu pada protein pembawa yang disebut transporter glukosa (GLUT) pada permukaan luar membran, transporter mengalami perubahan bentuk, glukosa melewati membran, dan transporter glukosa melepaskan glukosa di sisi lain dari membran yaitu dalam sel.

Permeabilitas selektif membran plasma sering diatur untuk mencapai homeostasis. Misalnya, hormon insulin, melalui aksi dari reseptor insulin, mempromosikan penyisipan dari banyak salinan transporter glukosa menjadi plasma membran sel tertentu. Dengan demikian, efek dari insulin adalah untuk meningkatkan maksimum transport difusi difasilitasi glukosa ke dalam sel. Dengan transporter glukosa lebih tersedia, sel-sel tubuh dapat mengambil glukosa dari darah lebih cepat. Ketidakmampuan untuk memproduksi atau menggunakan insulin disebut diabetes mellitus.

A.3 OSMOSIS

          Osmosis adalah proses perpindahan zat, molekul atau partikel pelarut dari yang lebih encer ke yang lebih pekat, dengan tidak menggunakan energi melalui membran semi permeable. Selama osmosis, molekul air melewati membran plasma dalam dua cara yaitu dengan bergerak melalui bilayer lipid melalui difusi sederhana, seperti telah dijelaskan sebelumnya, dan dengan bergerak melalui aquaporins, protein membran integral yang berfungsi sebagai saluran air .

          Seperti pada percobaan yang menunjukkan osmosis adalah pada tabung U yang dimana disini pelarut berupa air berpindah dari yang lebih encer ke yang lebih pekat, melintasi lapisan semi permeable, pelarut berupa air akan berhenti bergerak saat telah mencapai titik keseimbangan antara tabung kanan dan kiri.

          Osmosis ada 3 bentuk berupa hipotonik, hipertonik, dan isotonik. Isotonik adalah kadaan dimana larutan di luar dan di dalam sel sama seperti pada kondisi eritrosit diatas, eritrosit akan berbentuk normal bikonkaf pada isotonik. Hipertonik adalah tekanan osmosis tinggi yang dimana pelarut air akan bergerak melintasi membran semi permeable ke luar eritrosit, karena zat yang berada di luar lebih pekat daripada yang berada di dalam eritrosit lebih encer, sehingga eritrosit mengkerut bentuknya. Hipotonik adalah tekanan osmosis rendah yang dimana pelarut air akan bergerak melintasi membran semi permeable ke dalam eritrosit karena di dalam zatnya lebih pekat daripada di luar yang lebih encer, sehingga eritrosit akan berbentuk besar.

              B.   TRANSPORT AKTIF

Merupakan proses perlaluan zat yang membutuhkan energy selain itu juga membutuhkan bantuan dari carrier protein dan saluran protein. Energi yang digunakan dalam pemindahan molekul tersebut ada yang diperoleh dari hidrolisis ATP karena melawan gradient konsentrasi. Kinerja transport aktif dilakukan oleh protein spesifik yang tertanam pada membrane. Dua jenis transport aktif yaitu :

B.1 TRANSPORT AKTIF PRIMER

Transport aktif primer (energy dari hidrolisis ATP)  yaitu transport yang bergantung pada potensial membrane. Dalam keadaan stabil, ekstraseluler memiliki konsentrasi Na⁺ 10 kali lebih tinggi dari pada di dalam sel, sedangkan konsentrasi ion K⁺ lebih rendah di dalam sel dari pada di luar sel. Kalau konsentrasi Na⁺ dalam sel meningkat maka Na⁺ perlu dikeluarkan, maka diperlukan ATP untuk memompa Na⁺ keluar dengan cara Na⁺ akan terikat pada sisi spesifik pada saluran protein, sehingga menyababkan rangsangan fosforilasi dan terjadi hidrolisis ATP, menghasilkan suatu perubahan pada konformasi saluran protein berakibat Na⁺ yang terikat bergerak keluar sel dan terjadi reduksi afinitas ikatan Na⁺ pada protein saluran sehingga Na⁺ terlepas.

Pada waktu bersamaan, di bagian ekstraseluler K⁺ mengalami afinitas di bagian sisi protein saluran, terjadi stimulus defosforilasi berakibat perubahan konformasi saluran protein sehingga terjadi gerakan yang menyebabkan K⁺ bergerak ke bagain interseluler. Saluran protein memiliki tiga tempat spesifik untuk ikatan Na⁺ dan dua untuk K⁺, sehingga setiap kali siklus transpor tiga Na⁺ dan dua K⁺ lewat membran sel membutuhkan satu molekul ATP yang terhidrolisa.

Tiga ion Na⁺ akan menempel dan masuk ke dalam protein membran yang akan merangsang terhidrolisisnya ATP menjadi P dan ADP, yang dimana P ini akan digunakan energi untuk memindahkan 3 ion Na⁺ ke luar sel dan merubah bentuk daripada protein membran. Dua ion K⁺ dari luar sel menempel dan masuk ke dalam protein membran sesuai bentuk protein membran, menempelnya ion ini membuat P terlepas dari protein membran dan mendorong ino K⁺ bergerak menuju dalam sel, lepasnya P dan ion K⁺ ini membuat berubah bentuk pada protein membran.

B.2 TRANSPORT AKTIF SEKUNDER

Transport aktif sekunder (energy dari gradient ion) Transpor aktif juga memindahkan mikromolekul yang berada di daerah lumen usus, misalnya perpindahan glukosa dan asam amino berkonsentrasi rendah ke dalam sel usus dengan konsentrasi relatif tinggi. Perpindahan ini tidak menggunakan ATP hasil hidrolisis tetapi digerakkan karena perbedaan gradien Na⁺. Konsentrasi Na⁺ ekstraseluler usus lebih rendah dari pada dalam sel,sehingga terjadi perpindahan ion ke dalam sel dengan cara berikatan dengan bagian sisi protein saluran, selanjutnya diikuti oleh glukosa yang berikatan dengan protein saluran yang sama tetapi pada sisi yang lain. Transpor seperti ini disebut transpor aktif sekunder.

Pada transpor aktif sekunder, energi yang tersimpan dalam Na⁺ atau H⁺ gradien konsentrasi digunakan untuk menggerakkan zat lain melintasi membran terhadap gradien konsentrasi mereka sendiri. Karena Na⁺ atau H⁺ lereng didirikan oleh transpor aktif primer, sekunder aktif transportasi tidak langsung menggunakan energi yang diperoleh dari hidrolisis ATP.

Natrium - kalium pompa mempertahankan konsentrasi curam gradien Na⁺ melintasi membran plasma. Sebagai hasilnya, ion natrium telah disimpan atau potensi energi, seperti air di belakang bendungan. Dengan demikian, jika ada rute untuk Na⁺ bocor kembali dalam, beberapa energi yang tersimpan dapat diubah menjadi energi kinetik (energi gerak) dan digunakan untuk mengangkut zat lain melawan gradien konsentrasinya.

Pada intinya, sekunder aktif protein transpor memanfaatkan energi di Na⁺ konsentrasi gradien dengan menyediakan rute untuk Na⁺ bocor ke dalam sel, di transpor aktif sekunder, protein pembawa secara bersamaan mengikat Na⁺ dan substansi lain dan kemudian berubah bentuk sehingga kedua zat melintasi membran pada waktu yang sama. Jika transporter ini bergerak dua zat dalam arah yang sama mereka disebut symporters (sama), antiporters sebaliknya, bergerak dua zat dalam arah yang berlawanan di seluruh membran (anti-melawan). Salah satu bentuk transport aktif adalah:

EKSOSITOSIS

Eksositosis adalah mekanisme transpor molekul besar seperti protein dan polisakarida, melintasi membran plasma dari dalam ke luar sel (sekresi) dengan cara menggabungkan vesikula berisi molekul tersebut dengan membran plasma. Vesikula transpor yang lepas dari aparatus Golgi dipindahkan oleh sitoskeleton ke membran plasma. Ketika membran vesikula dan membran plasma bertemu, molekul lipid membran menyusun ulang dirinya sendiri sehingga kedua membran bergabung. Kandungan vesikulanya kemudian tumpah ke luar sel. Banyak sel sekretoris menggunakan eksositosis untuk mengirim keluar produk-produknya.

Misalnya sel tertentu dalam pankreas menghasilkan hormon insulin dan mensekresikannya ke daam darah melalui eksositosis. Contoh lain adalah neuron atau sel saraf yang menggunakan eksositosis untuk melepaskan sinyal kimiawi yang merangsang neuron lain atau sel otot. Ketika sel tumbuhan sedang membuat dinding, eksositosis mengeluarkan karbohidrat dari vesikula Golgi ke bagian luar selnya.

ENDOSITOSIS

Endositosis sel memasukkan makromolekul dan materi yang sangat kecil dengan cara membentuk vesikula baru dari membran plasma. Langkah-langkahnya pada dasarnya merupakan kebalikan dari eksositosis. Sebagian kecil luas membran plasma terbenam ke dalam membentuk kantong. Begitu kantong ini semakin dalam, kantong terjepit, membentuk vesikula yang berisi materi yang telah terdapat diluar selnya. Terdapat tiga jenis endositosis yaitu :

FAGOSITOSIS

Fagositosis (pemakan seluler) berasal dari bahasa yunani phagein “makan” dan cytos “sel”, berupa padatan yang ukurannya lebih besar. Sel menelan suatu partikel dengan pseudopod yang membalut disekeliling partikel tersebut dan membungkusnya di dalam kantong berlapis-membran yang cukup besar untuk digolongkan sebagai vakuola. Contoh cilliata atau organisme mikroskopik lain yang dimakan atau ditelan oleh amoeba. Selama fagositosis mangsa menjadi tidak berdaya oleh sekresi dari sel pemangsa (Fagositik).

PINOSITOSIS

Pinositosis (peminum seluler) dari bahasa yunani pinein “minum” dan cytos “sel”, sel “meneguk” tetesan fluida ekstraseluler dalam vesikula kecil. Karena salah satu atau seluruh zat terlarut yang larut dalam tetesan tersebut dimasukkan ke dalam sel, pinosistosis tidak spesifik dalam substansi yang ditranspornya. Pinositosis merupakan gejala umum yang terjadi pada berbagai macam sel seperti leukosit, sel-sel ginjal, epithelium usus, makrofag hati dan sel akar tumbuhan.

Pinositosis dapat terjadi jika terdapat konsentrasi yang cocok dari protein, asam amino atau ion-ion tertentu pada medium sel.prosesnya adalah menempelnya bahan penyebab (inducer) pada reseptor khusus pada membrane plasma kemudian diikuti dengan terjadinya lekukan (invaginasi) dari membrane membentuk selubung atau membrane pinositik.

PERANTARA RESEPTOR

Endositosis yang diperantarai reseptor, hampir sama dengan pinositosis hanya saja, selektif terhadap substansi yang ditranspornya. Endositosis yang diperantarai reseptor memungkinkan sel dapat meperoleh substansi spesifik dalam jumlah yang melimpah sekalipun substansi itu mungkin saja konsentrasinya tidak tinggi dalam fluida seluler. Misalnya, sel manusia menggunakan proses ini untuk menyerap kolesterol dan digunakan dalam sintesis membran dan sebagai prekursor untuk sintesis steroid lainnya.