7. Sitoskeleton Dan Protein Motoredit

SITOSKELETON DAN PROTEIN MOTOR

SITOSKELETON Sitoskeleton : filamen-filamen dalam sitoplasma teranyam

membentuk jala/rangka Fungsi : memberi bentuk pada sel, mengatur dan

menimbulkan gerak sitoplasmik, membentuk jaring-jaring kerja yang membantu mengatur reaksi enzimatik

Berdasarkan struktur dan garis tengahnya dibedakan menjadi :

1. Mikrotubula

2. Mikrofilamen

3. Filamen intermediet

Microfilaments Microtubules Intermediate

Filaments

MIKROTUBULA Dibentuk dari molekul protein : tubulin Tubulin : heterodimer, terdiri dari 2 sub unit globular :

tubulin α dan tubulin β Diameter 24 nm, tebal dinding 5 nm, berongga terdiri

dari 13 protofilamen Mirotubula memiliki 2 kutub, positif: pertumbuhannya

cepat, negatif: pertumbuhan lambat 2 kelompok mirotubula :

a. mikrotubula stabil : mikrotubula yang dapat diawetkan dg larutan fiksatif apapun, mis. O5O4, MnO4, atau aldehid dan pd suhu berapapun.b. mikrotubula labil : mikrotubula yang dapat diawetkan hanya dengan larutan fiksatif aldehid pada suhu 4°C.

Mikrotubula labil dijumpai dlm sitoplasma ; mirotubula sitoplasmik

Kegiatan dan fungsi mikrotubula terutama berdasar pd kelabilannya. Cont: mikrotubula gelendong mitosis, sangat labil, cepat terakit atau terurai.

Fungsi mikrotubula

Mempertahankan bentuk sel Motilitas sel (pd silia dan flagela) Pergerakan kromosom dlm pembelahan

sel Pergerakan organel

CYLINDERS OF 24nm IN DIAMETERAND COMPOSED OF 13 PROTOFILAMENTS

PROTOFILAMENTS ARE LINEAR POLYMERSOF TUBULIN.

TUBULIN IS A 110KD HETERODIMER CONSISTING OF alpha AND beta - TUBULIN.

MICROTUBULES

MIKROTUBULA

MICROTUBULES

Always GTP

GDP or GTP

Has orientation

Short, unstable

How do Microtubules Grow and Shrink?

Tubulin molecule

with bound GDP

Tubulin moleculewith bound GTP

GTP tubulin molecules

add to end of microtubule

Addition proceeds fasterthan GTP hydrolyses

GTP cape

GROWING MICROTUBULE SHRINKING MICROTUBULE

Protofilaments containing GDPtubulin are unstable and peel away

from the microtubule wall

GDP tubulin is released

to the cytosol

MIKROTUBULA Mikrotubula gelendong mitosis : peka thd

senyawa/obat2an seperti colchicine. Di dalam sel cholchicine akan terikat pd molekul tubulin bebas shg mencegah terbentuknya mikrotubula.

Senyawa yang memiliki kemampuan menghambat proses mitosis disebut senyawa antimitotik.

Beberapa senyawa pengikat tubulin : Cholchicine, colcemid, nocadazole : menghambat

penambahan molekul tubulin ke mikrotubula, menyebabkan depolimerisasi mikrotubula

Vinblastine, vincristine : memacu pembentukan kelompokan parakristalin dari tubulin, menyebabkan depolimerisasi mikrotubula

Taxol : memacu perakitan mikrotubula, menstabilkan mikrotubula

MIKROTUBULA Darimana munculnya mikrotubula sitoplasmik ? Asal mikrotubula dapat diketahui dengan tepat dg jalan

mendepolimerisasi dan membiarkannya tumbuh kembali Mikrotubula tumbuh kembali, semula terlihat seperti

bintang (aster) di sekitar inti sel, kemudian memanjang ke arah tepi sel.

Daerah tempat timbulnya aster disebut MTOC (microtubule organizing center). Kutub negatif mikrotubula terletak pd MTOC, kutub positif menjauhi MTOC.

Sebagian besar sel hewan memiliki sebuah MTOC utama disebut sentrosom. Sentrosom terletak di salah satu sisi inti sel dan padanya terdapat sepasang sentriol yang tersusun tegak lurus satu terhadap yg lain.

MIKROTUBULA Tidak semua MTOC memiliki sentriol. MTOC sel

tumbuhan, mikrotubula aster muncul dari sentrosom yg terdiri dari materi padat elektron. Sentriol jg tidak dijumpai pd gelendong meiosis oosit mencit.

Sel yg sedang menglami reorganisasi, mikrotubula di dalamnya terus menerus terakit dan terurai. Cont: sel yg sedang membelah.

Sel jaringan dewasa, mikrotubula tdk berubah-ubah lagi. Cont: sel saraf.

Kestabilan mikrotubula ditentukan oleh : - modifikasi pasca translasi dari molekul tubulin- interaksi mikrotubula dg protein khusus pengikat mikrotubula: MAPs (microtubule-associated proteins)MAPs : merintangi penguraian mikrotubul, memacu terjadinya interaksi antara mikrotubula dg komponen sel lainnya.

MIKROTUBULA

Microtubule Associated Proteins MAPs can function

as cross-bridges connecting microtubules.

They can affect microtubule rigidity and assembly rate.

MIKROFILAMEN Elemen fibrosa, diameter 60 Å, molekul protein aktin. Pada sel otot : miosin, tropomiosin. Aktin:

- protein globular BM 42.000 Dalton

- monomer: aktin G, dirakit menjadi filamen beruntai rangkap: aktin F

- mudah terurai menjadi monomer dan terakit kembali menjadi mikrofilamen

- protein kontraktil yg terlibat dalam proses di dalam sel: sitokinesis, aliran plasma, gerakan sel, gerakan mikrovili intestinal

- merupakan protein terbanyak di dalam sel eukariot : 5% dari semua protein

MIKROFILAMEN Pada sel hewan terdapat jaring-jaring sangat tebal terdiri

dari filamen aktin dan protein-protein yg terdapat di permukaan sitosolik selaput sel.

Jaring-jaring : korteks sel : memberi daya mekanis pada permukaan sel, memungkinkan sel dapat bergerak dan berubah bentuk

Bentuk korteks sel bervariasi:

- anyaman trimatra tebal : terdiri dari filamen aktin yang berikat silang dg protein pengikat silang (cross-linking) disebut filamin (molekul panjang lentur terdiri dari 2 rantai polipeptida kembar)

- anyaman dwimatra tipis

MIKROFILAMEN Pada mikrovili:

- pada bagian tengah mikrovili berkas filamen aktin tersusun sejajar satu terhadap yg lain dg ujung mengarah ke permukaan sel- filamen tsb di beberapa tempat dihubungkan oleh protein pengikat : fimbrin, vilin, kompleks calmodulin.- fimbrin & vilin : molekul protein kecil, jarak yg diikat rapat, terbentuk berkas filamen yg kaku.- bagian basal berkas filamen berada pada bagian korteks daerah apikal sel epitelium disebut jaring-jaring terminal (terminal web), terdiri dari anyaman molekul spektrin yg melapisi jala-jala filamen intermedia : menjaga agar berkas filamen pd mikrovili tetap menjulur ke permukaan dg sudut 90° terhadap permukaan sel.-

MIKROFILAMEN

- ujung apikal mikrovili terdapat tudung terdiri dari senyawa tak bergatra : tempat menempel ujung positif filamen aktin

- protein penghubung berkas aktin ke selaput sel : minimiosin yg terikat erat pd calmodulin (protein pengikat kalsium). Peranan: membantu pengelupasan selaput sel dg enzim terkait.

Peran lain filamen aktin : membantu pelekatan sel pd substansi antar sel dan sel-sel lainnya yg berada dlm satu jenis jaringan. Pada el yg dibiakkan filamen aktin berperan dlm pelekatan sel pd substrat tempat tumbuh sel, terjadi karena ada penghubung yg terdiri dari glikoprotein transmembran pd selaput sel.

MIKROFILAMEN Filamen aktin: filamen polar, kecepatan polimerisasi berbeda

dari ujung ke ujung. Ujung positif tumbuh lebih cepat dari ujung negatif. Aktin selalu tumbuh dari ujung positif.

Gerakan sel seperti fagositosis dan perpindahan sel tergantung pd keseimbangan dinamis antara molekul aktin dengan filamen aktin.

Senyawa penghambat polimerisasi aktin: sitokalasin, faloidin Fungsi mikrofilamen:

- mempertahankan bentuk sel

- perubahan bentuk sel

- konstraksi otot

- pengaliran sitoplasma

- motilitas sel (pd pseudopodia)

- pembelahan sel

MIKROFILAMEN

G-ACTIN

F-ACTIN

FILAMEN INTERMEDIA Filamen liat & tahan lama, terdiri dari molekul protein

fibrosa. Daya rentang tinggi. Struktur berupa benang berongga terdiri dari 5

protofilamen sejajar membentuk lingkaran diameter 8-10 nm.

Terdapat di seluruh sitoplasma dg pusatnya di sekeliling nukleus menyerupai keranjang, menjulur ke segala arah menuju daerah perifer.

Banyak dijumpai dalam sel yg sering mendapat tekanan mekanis seperti sel epitelium, akson sel saraf, sel otot polos.

Tidak larut dalam deterjen yg tidak mengion: stabil.

FILAMEN INTERMEDIA Terdapat 4 kelompok filamen intermedia

Jenis filamen Polipeptida penyusun Tempat di dlm selFI tipe I Keratin bersifat asam,

keratin bersifat basa dan netral

Sel epitelium dan turunan (derivat) epidermis: rambut, kuku

FI tipe II Vimentin Sel-sel mesenkhimal

Sel-sel dlm kultur

Desmin Sel-sel otot

Protein fibrilar bersifat asam Astrosif dan sel Schwann

FI tipe III Protein neurofilamen Neuron

FI tipe IV Protein lamina nuklear : lamin A, B, dan C

Lamina nuklear dari semua jenis sel eukariot

FILAMEN INTERMEDIA FI yg paling stabil dan tahan lama: FI terbuat dari

keratin. Sel epitel sederhana memiliki 2 jenis keratin, sel lain memiliki >6 jenis.

Pada lapisan terluar keratin tetap ada sebagai pelindung tubuh hewan, di beberapa tempat keratin tdpt di : rambut, kuku, bulu.

Peranan: penghalang primer terhadap panas dan hilangnya air dan sarana penyamaran.

Fungsi:

- mempertahankan bentuk sel

- tempat bertautnya nukleus dan organel lainnya

- pembentukan lamina nukleus

Keratin Filaments

Distribution of keratin on an epithelial cell by anti-keratin antibodies

INTERMEDIATE

FILAMENTS

Intermediate Microfilaments

Intermediate filaments are mostly found in epithelial cells.

Example: Keratins and Vimentins

The provide the mechanical stability of cells.

Monomer

Lateral association

Parallel heterodimer

Antiparallel tetradimer

protofilament

protofibril

Intermediate filament

GERAKAN SEL Terdapat 2 jenis gerakan:

1. gerakan yang menyebabkan sel berpindah tempat

2. gerakan yang terjadi di dalam sel

Gerakan sel otot Sel otot: sel otot polos & sel otot seran lintang/lurik. Sel otot seran lintang berukuran 1-40 mm, lebar 10-50

µm.Setiap sel mengandung ± 100 nuklei dan sejumlah berkas filamen: miofibril. Setiap miofibril tersusun dari sederetan sarkomer yg berukuran panjang 2 µm pd saat sel otot istirahat.setiap sarkomer mengandung 2 jenis filamen : filamen tebal (miosin) dan filamen tipis (kompleks aktin).

GERAKAN SEL OTOT

Miosin: ekor miosin, protein bentuk batang panjang

kepala miosin, protein globular yg berinteraksi dg komplek aktin.

Kompleks aktin: filamen aktin, tropomiosin, troponin. Awal pengkerutan sel otot terjadi pada pita A, di tempat

miosin dan aktin pada kedudukan tumpang tindih. Mekanisme gerakan sel otot:

pengikatan ATP pd kepala miosin→kepala miosin lepas dari aktin → ATP terurai menjadi ADP+Pi → kepala miosin tegak lurus terhadap aktin → pengikatan miosin ke aktin dg adanya Ca2+pd sudut 45° → aktin akan tertarik ke tengah pita A.

GERAKAN SEL

Pada sel otot polos

calmodulin Ca2+-calmodulin

enzim kinase tdk aktif kinase-Ca2+-calmodulin (aktif)

miosin (tidak aktif) miosin-P (aktif)

Sel otot

Gerakan sel otot

Gerakan sel otot

Gerakan sel otot

Gerakan sel otot

GERAKAN SEL Gerakan amoeboid

berdasar pd perubahan keadaan fisik sitoplasma → perubahan dari keadaan kental (gel) ke keadaan encer (sol) → aliran sitoplasma

yang berperan: mikrofilamen aktin :

α aktinin (sol→gel)

gelsolin & vilin (gel→sol), dipacu oleh Ca2+

GERAKAN SEL

Silia dan flagela

silia: diameter 0.25 µm, panjang 2-20 µm.

flagela: diameter 0.25 µm, panjang 10-200 µm

ultrastruktur sama: memiliki inti terdiri dari mikrotubula yang diselimuti membran yg memanjang. Sembilan doublet mikrotubula, anggota dari setiap pasangan yg menggunakan sebagian dindingnya secara bersama-sama, tersusun dlm sebuah cincin. Di tengah-tengah cincin tdpt 2 mikrotubula tunggal. Susunan ini disebut pola 9 + 2

GERAKAN SEL Gerakan silia

gerak seperti dayung, dg tenaga yg berganti-ganti dan kibasan balik yg menghasilkan gaya yg arahnya tegak lurus terhadap sumbu silianya.

Gerakan flagela

gerak berombak-ombak menghasilkan gaya yg searah sumbu flagela→ gerak gesekan antar doublet dg perantaraan dynein.

lengan dynein satu doublet satu doublet mikrotubula mencengkeram doublet sebelahnya, menarik, melepas, dan kemudian mencengkeram lagi, dg bantuan ATP.

GERAKAN SEL

Fig. 4.21, p. 71

one of nine pairsof microtubulesof the outer ring

dynein arm

two centralmicrotubules

central sheath

spokes and links of theconnectivesystem

base offlagellumor cilium

plasmamembrane(cell surface)

cutaway view of thebasal body (embeddedin the cytoplasm)

plasmamembrane

9 + 2 array

Gerakan di dalam sel

The selective stabilization of microtubules can polarize a cell

A newly formed microtubule will persist only if both its ends are protected from depolarization. In cells, the minus ends of microtubules are generally protected by the organizing centers from which these filaments grow. The plus ends are initially free but can be stabilized by other proteins.

How are molecules transported in the cell?

Anterograde transport - towards synapse

Retrograde transport - towards cell body

Rapid transport (3m/s)250mm/day

Slow transport1mm/day

Membrane-bound vesicles and proteins are transported manymicrometers along very well defined routes and delivered to specific addresses

Microtubules provide tracks for movement of vesicles along the axon

Movement on Microtubules Requires Motor Proteins

Beads coated with kinesin binds to microtubules and moves along by rotation.

Dynein promotes movement in the opposite direction.

Progression of organelles along axons requires microtubules and the motor proteins: kinesin and dynein.

Also dependent on motor proteins: Transport of vesicles for exocytosis/endocytosis or between the endoplasmic reticulum and Golgi Extension of the endoplasmic reticulum Integrity and reassembly of the Golgi apparatus

Movement occurs in individual protofilamentsand it is directional

Retrograde transport

Antrograde transport

Kinesin Dimer of a heavy chaincomplexed to a light chain

Mr= 380kD

Three domains:1) Large globular headBinds microtubules and ATP2) Stalk3) Small globular headBinds to vesicles

To date 12 different familyMembers have been identified

Kinesins interact directly with microtubules

(movie)

10nm

dyneinkinesin

Light chains

Heavy chains

Minus end Plus end

dynein kinesin

25nm

microtubule

Molecular structure of dyneins and kinesins

Dyneins - composed of 2-3 heavy chains with a total Mr of 1,000kD - interact with microtubules indirectly

(microtubule-binding proteins)

Interaction between cargo and motor protein is indirect

How to build directionality

and specificity?

-Multiple motor proteins can

bind to a given cargo

-Each kinesin/dynein transports

a specific cargo

Movement of pigmented granules in a cell

Intracellular transport, positioning of organelles and growth of ER requires motor proteins and microtubules

In addition to kinesin and dynein, myosin can also function as a motor protein on actin filaments

MTOC; Ab against centrosomal protein

EM; centrosome (colored red) has two centrioles. PC is pericentriolar material.

MICROTUBULE DYNAMICS AND MOTOR PROTEINS

ARE REQUIRED FOR MITOSIS

DUPLICATION OF CENTRIOLES PRECEEDS MITOTIC SPINDLE

Microtubules are responsible for separation of chromatids during mitosis

Dynamic instability of microtubules increases during mitosis

- lifetime interphase - 10min

- lifetime mitosis - 30sec

KRPs are essential for separation and migration of

centromeres

Dynein contributes to the centrosome movement and

spindle orientation