Mekanisme Regulasi Sel: Fosforilasi dan Proteolisis

Regulasi sel penting untuk menentukan reaksi yang tepat dari suatu sel untuk bereaksi dan beradaptasi terhadap perubahan lingkungan. Dalam kata lain, proses ini penting dalam mempertahankan hidup dari sel. Untuk sebuah organisasi multiseluler, diperlukan proses regulasi agar mekanisme tubuh berjalan dengan baik.

Proses ini adalah kejadian lanjutan dari sinyal yang dibawa oleh hormon dan second messenger. Apabila ada kelainan atau gangguan proses regulasi ini, maka dapat menimbulkan gangguan bahkan penyakit. Mekanisme regulasi sel ini berupa proses kimiawi dan utamanya melalui dua proses utama, fosforilasi/defosforilasi dan proteolisis.

Fosforilasi dan Defosforilasi

Fosforilasi adalah penambahan gugus fosfat. Proses kebalikannya tentu adalah pengurangan gugus fosfat atau defosforilasi. Mekanisme ini merupakan proses regulasi yang penting dalam tubuh kita. Dengan menambahkan atau mengurangi gugus fosfat ke dalam molekul seperti protein dapat merubah sifat dari protein tersebut termasuk merubah kondisi aktif menjadi tidak aktif atau sebaliknya.

Protein dapat difosforilasi pada gugus hidroksil dari asam amino tirosin, serin, dan threonine. Proses ini dikatalisasi oleh satu grup enzim yang dinamakan “kinase” dengan menggunakan ATP sebagai donor fosfat. Adapun proses defosforilasi dilakukan oleh sekelompok enzim dinamakan “fosfatase”. Hasil akhir efek aktivasi atau deaktivasi dari protein akibat proses fosforilasi/defosforilasi ini tergantung dari protein target dari regulasi sel ini. Ada protein yang menjadi aktif setelah mengalami proses fosforilasi dan ada yang sebaliknya aktif setelah mengalami defosforilasi.

Contoh Regulasi Sel yang Berbasis Fosforilasi (Kinase): Protein Kinase C (PKC)

Berikut ini adalah proses regulasi sel melalui proses fosforilasi dan defosforlasi. Yang pertama adalah mekanisme regulasi dari protein kinase C (PKC). Sesuai dengan nama enzim di atas, kinase berarti enzim yang mengadakan reaksi fosforilasi. PKC adalah second messenger dan meneruskan sinyal di dalam sel melalui proses fosforilasi protein. Di bawah ini adalah bagan mengenai proses regulasi sel yang dilakukan oleh PKC:

Dari gambar tersebut tampak bahwa proses regulasi ini tidak dilakukan oleh satu protein kinase, namun dilanjutkan dan diperbesar sinyalnya oleh kinase lainnya. Terkadang terdapat rangkaian reaksi yang melibatkan banyak kinase dalam berbagai tahap.

Contoh Regulasi Sel yang Berbasis Fosforilasi (Kinase): MAP-Kinase

Jalur sinyal berikutnya yang berbasis reaksi fosforilasi adalah MAP kinase. Jalur sinyal MAP-kinase ini digambarkan pada bagan di bawah ini:

Contoh Regulasi Sel yang Berbasis Fosforilasi (Kinase): NF-κB

Proses sinyal peradangan atau inflamasi juga merupakan regulasi sel yang terjadi dengan proses fosforilasi. Faktor atau protein utama dalam proses sinyal inflamasi adalah NF-κB. Bedanya, aktivasi NF-κB dilakukan dengan inaktivasi faktor IκB dengan fosforilasi. Jadi, fosforilasi IκB menyebabkan protein ini tidak aktif. Karena IκB adalah inhibitor NF-κB, dengan inaktivasi IκB akan menyebabkan NF-κB menjadi aktif. Di bawah ini adalah gambaran rangkaian proses aktivasi dari NF-κB:

Contoh Regulasi Sel yang Berbasis Fosforilasi (Kinase): CDK pada Siklus Sel

Regulasi siklus sel, yang merupakan proses penting dalam pembelahan sel juga dikontrol melalui mekanisme fosforilasi. Adapun seperti umumnya, enzim yang berperan dalam proses fosforilasi dalam regulasi siklus sel adalah cyclin-dependent kinase atau CDK. Di bawah ini adalah gambaran mengenai kerja dari CDK ini:

Adapun mekanisme aktivasi siklin digambarkan lewat bagan di bawah ini. Bagan tersebut memperlihatkan bagaimana cyclin berpasangan dengan protein kinase untuk membentuk kompleks CDK. CDK diaktivasi dulu oleh fosfatase (defosforilasi) kemudian setelah aktif menjalankan tugasnya untuk melakukan fosforilasi. Aktivasi CDK ini kemudian memberi sinyal bagi sel untuk menjalankan mitosis. Setelah mitosis kemudian dibentuk protein yang mendegradasi cyclin dan CDK menjadi tidak aktif.

CDK yang teraktivasi kemudian masuk ke inti sel. Di inti sel, target CDK adalah RNA-polimerase II. Melalui fosforilasi, RNA-polimerase II menjadi aktif sehingga proses transkripsi dapat berjalan. Di bawah ini memperlihatkan fosforilasi RNA-polimerase II mengaktivasi transkripsi gen yang kemudian menjalankan proses siklus sel.

Contoh Regulasi Sel yang Berbasis Fosfatase: Calcineurin

Proses defosforilasi oleh fosfatase juga memiliki peran penting dalam regulasi sel. Salah satu contohnya adalah aktivitas fosfatase oleh calcineurin. Calcineurin merupakan fosfatase yang berperan dalam aktivasi sel T atau regulasi sistem imun. Di bawah ini adalah bagaimana sebelumnya calcineurin terlebih dahulu diaktivasi oleh ion Ca²⁺:

Kontrol Fosfatase oleh Inhibitor

Fosfatase ini juga diregulasi oleh protein lain yang bersifat inhibitor. Berikut adalah gambaran dari proses inhibisi fosfatase oleh inhibitor:

Regulasi Sel dengan Proteolisis dan Inhibisinya

Proteolisis dijalankan oleh sekelompok enzim dinamakan peptidase (atau protease). Secara umum terbagi dua yaitu eksopeptidase dimana enzim memecah di bagian terminal protein dan endopeptidase dimana enzim dapat memotong protein di bagian tengah. Reaksi kimia yang terjadi oleh peptidase ini ada dengan hidrolisis, menambahkan gugus air untuk memecah ikatan kimia dalam protein. Di bawah ini adalah gambaran perbedaan endo dan eksopeptidase:

Berdasarkan sisi aktifnya, terdapat beberapa kelompok peptidase sepereti:

• Serine proteinase: trypsin, thrombin, elastase, tryptase
• Cysteine protease: papain
• Aspartate protease: pepsin A, renin, HIV-proteinase
• Metalloproteinase: collagenase

Adapun berdasarkan situs kerjanya, ada peptidase yang non-spesifik, artinya tidak mengenali tempat khusus dalam pemotongan protein. Contoh protease yang non-spesifik ini adalah enzim pencernaan makanan, intracellular protein-turnover, proses inflamasi (elastase, cathepsin). Di sisi lain, terdapat protease yang spesifik yang artinya hanya memotong pada bagian tertentu saja dari protein. Contohnya adalah:

• Aktivasi zymogen
• Konversi prohormon
• Aktivasi kaskade koagulasi darah, sistem komplemen, sistem kallikrein-kinin
• Proses inflamasi
• Inisiasi proses apoptosis (caspase, granyzyme)
• Remodelling jaringan (matrix-metalloproteinase)
• Regulasi siklus sel, proliferasi, dan diferensiasi
• Degradasi spesifik oleh proteasome

Di bawah ini adalah beberapa contoh mengenai protease

Sistem Koagulasi Darah

Aktivasi Proteolitik Sistem Angiotensin

Proteinases and Proteinase-Activated Receptors (PARs)

PAR adalah salah satu jenis reseptor berjenis G-protein-coupled receptor (GPCR) yang diaktivasi melalui serangkaian proses proteolisis. Protease akan melakukan pemotongan bagian ujung dari ligan. Ligan yang terpotong dapat aktif dan menduduki situs aktif dari reseptor sehingga sinyal dari reseptor menjadi berjalan.

sampai saat ini diketahui ada empat jenis PAR, PAR 1-4. Perbedaanya tergantung dari aktivasi reseptor baik oleh protease thrombin, trypsin, tryptase, cathepson G, dan proteinase kallikrein-like.

Proteinase secara spesifik memotong 5-12 residu asam amino terminal sehingga mengaktivasi ligan. PAR terlibat dalam proses anti maupun proinflamasi, koagulasi darah, nosiseptip, pruritus, diferensiasi, serta proliferasi sel. Di bawah ini adalah gambaran contoh atkivasi dari PAR.

Inhibitor Proteinase

Proses proteolitik sebagai proses degradasi utama harus diregulasi balik. Oleh sebab itu, dalam tubuh terdapat sistem inhibitor yang mampu menghambar kerja dari proteinase. Beberapa jenis inhibitor berfungsi sebagai substrat dari proteinase namun menyebabkan kerja proteinase menjadi lebih lama. Tergantung dari struktur dan mekanisme inhibisinya, terdapat kurang lebih 48 jenis dari inhibitor proteinase. Contoh dari inhibitor proteinase ini adalah inhibitor serine peroteinase seperti di bawah ini:

SERPIN (Serine Protease Inhibitor)

SERPIN merupakan inhibitor proteinase yang spesialis karena mampu menghambat serine proteinase maupin cysteine proteinasae. Kelompok ini termasuk ke dalam protein fase akut seperti α₁-proteinase-inhibitor, α₁-antichymotrypsin, α₂-antiplasmin and others. Di bawah ini adalah gambaran mekanisme kerja dari SERPIN

Contoh Inhibitor Serine Protease Lainnya

Proteasome: Kompleks Nuklir/Sitosolik untuk Degradasi Protein

Di dalam sel, protein memiliki waktu paruh dan didegradasi untuk mengendalikan fungsi dari protein tersebut. Di bawah ini adalah contoh waktu paruh dari beberapa protein baik di nukleus, sitosiol, maupun membran plasma:

Proteasome adalah kompleks protein dengan ukuran 1700 kDa yang mendegradasi protein menjadi fragmen di sitoplasma dan nukleus sehingga tergolong ke dalam peptidase. Proteasome penting dalam regulasi protein. Protein yang akan didegradasi di proteasome terlebih dahulu dilabeli oleh ubiquitin. Ubiquitin terdapat di hampir semua eukariota dan berupa protein dengan 76 asam amino. Berikut ini adalah gambaran struktur proteasome dan ubiquitin:

Proses degradase dari protein oleh proteasem sendiri dimulai dengan dibentuknya ikatan thioester antara C-terminal dari ubiquitin-glycine dengan residu cysteine dari E1. Transasetilasi ubiquitin dari E1 menjadi residu cysteine dari E2. Kemudian, diikuti dengan pengikatan iso-peptida dari ubiquitin dengan rantai samping lysine dari protein target. Sifat spesifisitas dimediasi oleh E3. Setelah itu, diikuti degradasi protein oleh proteasome dan diikuti daur ulang dari ubiquitin. Berikut adalah proses sekuensial dari degradasi protein tersebut:

Kesimpulan

Proses regulasi sel penting untuk mempertahankan homeostasis dan beradaptasi agar makhluk hidup dapat melestarikan diri. Proses regulasi ini dipegang oleh beberapa mekanisme. Mekanisme yang paling banyak dijumpai adalah fosforilasi/desfosforilasi dan proteolisis. Dengan memahami proses ini, dapat membantu dalam memahami proses tubuh baik fisiologis maupun patologis serta dapat membantu dalam mengembangkan terapi yang dapat mempengaruhi proses regulasi dari sel ini. Selain artikel ini, pembahasan mengenai mekanisme regulasi sel juga dapat disimak di video di bawah ini:

Sumber

1. Molecular Biology of the Cell. Bruce Alberts et al. Garland Science (2007)
2. Biochemistry of Signal Transduction and Regulation. Gerhard Krauss. Wiley VCH (2008)
3. Signal Transduction and Human Disease. Toren Finkel, Silvio Gutkind. Wiley & Sons (2003)
4. Zell- und Gewebekultur: Von den Grundlagen zur Laborbank. Toni Lindl and Gerhard Gstraunthaler. Spektrum Akademischer Verlag (2008)
5. http://themedicalbiochemistrypage.org/signal-transduction.html
6. http://www.sigtrans.de/
7. Sanrattana W, Maas C, de Maat S. SERPINs-From trap to treatment. Front Med. 2019;6(FEB):1–8.