SECOND MESSENGER

Proses komunikasi sel dibagi menjadi tiga tahap, yaitu:

1. Penerimaan (reception), merupakan pendeteksian sinyal yang datang dari luar sel oleh sel target. Sel kimiawi terdeteksi apabila sinyal itu terikat pada protein seluler, biasanya pada permukaan sel yang bersangkutan.

2. Transduksi, diawali dengan pengikatan molekul sinyal mengubah protein reseptor. Tahap transduksi ini mengubah sinyal menjadi suatu bentuk yang dapat menimbulkan respon seluler spesifik. Pada system Sutherland, pengikastan epinefrin kebagian luar protein reseptor dalam membrane plasma sel hati berlangsung melalui serangkaian langka untuk mengaktifkan glikogen fosforilase. Transduksi ini kadang-kadang terjadi dalam satu langkah, tetapi lebih sering membutuhkan suatu urutan perubahan dalam sederetan molekul yang berbeda (jalur transduksi) sinyal. Molekul di sepanjang jalur itu sering disebut molekul relay. Transduksi sinyal meliputi aktifitas sebagai berikut:

a. Pengenalan berbagai sinyal dari luar terhadap reseptor spesifik yang terdapat pada permukaan membran sel.

b. Penghantaran sinyal melalui membran sel ke dalam sitoplasma.

c. Penghantaran sinyal kepada molekul efektor spesifik pada bagian membran sel atau efektor spesifik dalam sitoplasma. Hantaran sinyal ini kemudian akan menimbulkan respon spesifik terhadap sinyal tersebut. Respon spesifik yang timbul tergantung pada jenis sinyal yang diterima. Respon dapat berupa peningkatan atau penurunan aktifitas enzim-enzim metabolik, rekonfigurasi sitoskeleton, perubahan permeabilitas membran sel, aktifasi sintesa DNA, perubahan ekspresi genetik atupun program apoptosis.

3. Terputusnya rangkaian sinyal. Terjadi apabila rangsangan dari luar mulai berkurang atau terputus. Terputusnya sinyal juga terjadi apabila terdapat kerusakan atau tidak aktifnya sebagian atau seluruh molekul penghantar sinyal. Informasi yang terjadi akan melewati jalur rangsang (signal transduction pathway) yang terdiri dari berbagai protein berbeda atau molekul tertentu seperti berbagai ion dan kanalnya, berbagai faktor transkripsi, ataupun berbagai tipe sububit regulator. Setiap protein yang terlibat pada jalur ini mampu menghambat atau mengaktifasi protein yang berada dibawah pengaruhnya (down stream). Protein utama yang terlibat dalam jalur rangsang pada umumnya adalah kinase dan posphatase, yang beberapa diantaranya merupakan protein yang terdapat/larut dalam sitoplasma. Kedua protein ini mampu melepaskan atau menerima grup posphat dari protein lain sehingga proses penghantaran atau penghentian sinyal dapat berlangsung.Secara singkat, langkah-langkah transduksi sinyal adalah:a. Sintesis molekul sinyal oleh sel yang memberi sinyal.b. Pelepasan molekul sinyal oleh sel yang memberi sinyal.c. Transpor sinyal oleh sel target.d. Pengikatan sinyal oleh reseptor spesifik yang menyebabkan aktivasi reseptor tersebut.e. Inisiasi satu atau lebih jalur transduksi sinyal intrasel.f. Peubahan spesifik fungsi, metabolisme, atau perkembangan sel.g. Pembuangan sinyal yang mengakhiri respon sel.

Ikatan ligan dengan reseptor spesifik akan memicu pelepasansecond messengeryang akan menimbulkan reaksi berantai dan membawa perubahan didalam sel. Reseptor spesifik, yang terdapat pada membran sel dapat berupa:GTP binding protein (G-protein)-coupled receptors,receptor tyrosine kinase, cytokine receptor-linkkinaseatupunserine kinase. Sinyal yang terjadi bukan hanya oleh adanya ikatan ligan dengan reseptor spesifik saja, melainkan juga akibat adanya paparan langsung dengan tekanan mekanik maupun perubahan kimiawi disekitar sel dengan melibatkan integrin.

4. Respon, pada tahap ketiga pensinyalan sel, sinyal yang ditransduksi akhirnya memicu respon seluler spesifik. Respon ini dapat berupa hamper seluruh aktivitas seluler seperti katalisis leh suatu enzim, penyusunan ulang sitoskeleton, atau pengaktivan gen spesifik di dalam nucleus.proses pensinyalan sel mebantu memastikan bahwa aktivitas penting sperti ini terjadi pada sel yang benar, pada waktu yang tepat, dan pada koordinasi yang sesuai dengan sel lain dalam organisme bersangkutan.Kelompok hormon dengan jumlah hormon yang paling besar merupakan hormon-hormon yang bersifat hidrofilik dan terikat pada reseptor membrane plasma sel sasaran. Efek fisologis yang ditimbulkan kelompok hormon ini cepat dan terminasi efek pun berlangsung cepat. Hormon-hormon ini akan berkomnunikasi dengan proses metabolisme intraseluler melalui senyawa yang digunakan sebagai second messenger.

Konsep second messenger timbul dari pengamatan Earl Sutherland dan rekan-rekannya. Percobaan yang dilakukan Sutherland pada tahun 1950an telah membuka terobosan utama kearah pemahaman cara hormone bekerja pada tingkat molekuler. Tujuan adalah menentukan bagaimana epinephrine dan glucagon menyebabkan pemecahan likogen, yaitu bentuk cadangan glukosa di hepar. Sutherland menemukan bahwa hormon-hormon tadi berikatan pada reseptor-reseptor di membran plasma sel hepar, di tempat itu juga memicu pembentukan cAMP.

Second messenger merupakan jalur persinyalan yang melibatkan molekul atau ion kecil nonprotein yang terlarut-air. Sedangkan molekul sinyal ekstraseluler yang mengikat reseptor membrane merupakan jalur first messenger. Karena second messen`ger itu kecil dan terlarut dalam air, messenger ini segera menyebar ke seluruh sel dengan berdifusi. Second messenger berperan serta dalam jalur yang diinisiasi reseptor terkait protein-G maupun reseptor tirosin-kinase

Ada 2 jalur transduksi signal pada reseptor protein G yaitu jalur adenilat siklase dan jalur fosfolipase tergantung dari jenis protein G yang terhubung. Macam-macam second messenger yang terlibat dalam signal transduksi reseptor ini adalah : cAMP, PKA, PKC, DAG, IP3, Ca++.1. Siklik-AMP (cAMP) ialah second messenger yang pertama kali ditemukan. Substansi ini dihasilkan melalui stimulasi adenilat siklase sebagai respon terhadap aktivasi bermacam-macam reseptor (misalnya reseptor adrenergic). Stimulasi adenilat siklase dilangsungkan lewat protein G8dan adenilat siklase juga dapat distimulasi oleh Ca2+(terutama pada neuron) toksin kolera, atau ion fluoride (F-).

Berikut ini adalah rangkaian peristiwa aktivasi reseptor GPCR (G Protein Coupled Reseptor atau reseptor yang tergandeng protein G) melalui jalur adenilat siklase yang nantinya akan menghasilkan second messanger cAMP :Ketika ada suatu ligan yang menempel pada reseptor yang tergandeng dengan protein G sebagai contoh ephineprin , maka akan terjadi perubahan konformasi reseptor yang menyebebkan protein G yang terdapat di dalam membran sel akan teraktifasi. Dimana dalam aktifasi protein G ini dan subunit alfa akan mengalami pertukaran senyawa yang diikat dari GDP menjadi GTP oleh bantuan enzim Guanine Nucleotide Exchange factors ( GEF ). Protein G dalam bentuk aktif ini kemudian akan mengaktifkan adenilat siklase dimana adenilat siklase ini akan menghasilkan cAMP dari ATP yang ada di dalam sel. Selanjutnya, cAMP akan mengaktifkan PKA yang akan mengkatalisis fosforilasi berbagai protein target, sebagai contoh di sini adalah protein alfa kinase sehingga nantinya akan menimbulkan aktivitas atau respon seluler tertentu( ikawati, 2006 ).cAMP ( cyclic AMP ) merupakan salah satu second messanger yang terlibat dalam transduksi sinyal melalui reseptor tergandeng protein G. Reseptor terkait protein G disebut juga reseptor metabotropik dimana dalam kinerjanya reseptor ini akan bergandengan dengan suatu protein yang disebut protein G untuk menghasilkan respon seluler.cAMP merupakan second messenger yang dibentuk dari senyawa ATP oleh kerja enzim asenilat siklase dengan adanya Mg2+ yang membentuk suatru komplek dengan ATP untuk bertindak sebagai substrat untuk reaksi.

cAMP disintesis dengan mengubah ATP ke suatu bentuk siklik. Gugus 3-OH pada unit ribosa menyerang gugus -Fosforil ATP untuk ikatan fosfodiester, yang disertai pembebasan pirofosfat. Reaksi ini bersifat agak endergonik.cAMP mempunyai peranan yang sangat menentukan dalam proses kerja sejumlah hormon. Beberapa kriteria penelitian telah diterapkan untuk menentukan apakah cAMP berperan sebagai second messenger dalam pelaksaan aktivitas tertentu oleh suatu hormon, yaitu :

1. Adenilat siklase pada sel sasaran harus dapat dirangsang oleh hormone yang mempengaruhi sel itu.

2. Perubahan konsentrasi cAMP pad sel sasaran harus terjadi mendahului atau bersamaan dengan efek akhir rangsangan hormon. Keragaman koonsentrasi hormon harus sesuai dengan keragaman pada cAMP.

3. Efek biologic hormone harus dapat ditiru dengan penambahan cAMP atau senyawa yang sejenis pada sel sasaran (Misalnya: Dibutiril cAMP).

Konsentrasi cAMP dapat meningkat atau menurun oleh pengaruh berbagai hormon. Epineprin meningkat kadar cAMP yang tinggi di dalam sel-sel otot dan perubahan yang relative kecil dalam sel-sel hati. cAMP juga merupakan second messenger untuk banyak hormon selain epineprin. Beberapa yang menggunakan cAMP sebagai second messenger adalah :

Hormon perangsang folikel

Hormon Lutein

Hormon perangsang Tiroid

Gonadotropin Korionik

Kalsitoninagon

Kartikotropin

Epinephrin

Norepinephrine

Glukagon

Vasopresin (Hormon anti diuretik)

Lipotropin

Hormon Paratiroid

Hormon perangsang melanosit

Pengaktifan Adenilat SiklaseEnzim adenilat siklase berada pada permukaan internal membrane plasma mengkatalisasi pembentukan cAMP dari ATP. Adenilat siklase merupakan suatu gliko protein dengan BM 150.000 yang mengandung beberapa segmen transmembrane. Pengaktifan enzim adenilat siklase oleh hormone berlangsung dengan pengantaraan protein pengatur yang tergantung GTP. Protein pengatur yang mengendalikan adenilat siklase ini disebut sebagai protein G simulator diberi simbol Gs yang terdiri atas 3 Subunit , , dan . Bila terdapat hormon, hamper semua Gs terdapat dalam bentuk yang tidak aktif, yaitu terikat dengan GDP.Pengikatan hormone pada reseptor memicu pertukaran GDP terikat dengan GTP. Kompleks hormone reseptor berikatan pada protein G, merangsang pembebasan GDP terikat dan memungkinkan GTP masuk. Subunit yang mengandung GTP (Gs-GTP) memisahkan diri dari subunit . Kemudian adenilat siklase diaktifkan oleh Gs-GTP. Dengan demikian, aliran informasi adalah dari kompleks hormone reseptor ke Gs dan kemudian ke adenilat siklase.cAMP Biasanya secara relatif memiliki waktu paruh yang pendek dan didegradasi dengan cepat oleh cAMP fosfodiesterase. Adanaya enzim hidrolisis ini menjamin proses pergantian sinyal (cAMP) dengan cepat, dengan demikian juga penghentian proses biologik yang cepat begitu stimulus hormonal dihilangkan. Inhibitor fosfordiesterase adalah derivate metilxantin akan meningkatkan cAMP intrasel serta meniru atau memperpanjang masa kerja hormon. Inhibisi Adenilat SiklaseSejumlah interaksi hormon-reseptor akan menginhibisi adenilat siklase yang akhirnya dapat menghambat pembentukan cAMP. Inhibisi ini biasaya terjadi melalui suatu kompleks subunit yang serupa dengan subunit yang merangsang adenilat siklase kecuali bahwa subunit ,i memperantarai inhibisi ini. Hormon yang melakukan inhibisi terhadap adenuilat siklase adalah : Asetilkolin

s Adrenergik

Angiotensin II

SomastotatinBeberapa kasus inhibisi seperti ini dapat juga terjadi melalui . Toksin Pertusis menghambat inaktivasi dari adenilat siklase melalui aktifitas ribosiltransferase-ADP yang meningkatkan ribosilasi ADP pada subunit i.Selain itu, subunit dari protein Gs menagandung GTPace intrinsik. GTP yang berikatan pada subunit- Gs terhidrolisis dalam jangka waktu beberapa menit menjadi GDP oleh kerja enzim GTPace ini. Toksin kolera yang dikenal sebagai activator irreversible enzim siklase, menyebabkan ribosilasi pada s, membuat inaktifasi enzim GTPase dengan demikian s dibekukan dalam bentuk aktif. Inhibisi enzim ini menimbulkan penghambatan hidrolisis GTP yang menyebabkan aktifitas adenilat siklase berkelanjutan terus. Pada sel intestinal aktifitas enzim ini selanjutnya akan menyebabkan terbukanya saluran klorida yang menyebabkan kehilangan ion klorida dan air dalam jumlah yang besar yang menimbulkan diare. Proses yang berlangsung cepat ini menyebabkan keadaan serius yaitu dehidrasi dan kehilangan elektrolit.

Pengangtifan Protein Kinase Oleh cAMPEfek cAMP terjadi melalui pengaktifan suatu protein kinase A (PKA). PKA merupakan sebuah molekul heterotetramer terdiri atas 2 subunit pengatur (R, regulatory) dan 2 subunit katalitik (C, catalytic). Bila tidak terdapat cAMP, kompleks R2C2 secara katalitik tidak aktif. Pengikatan cAMP pada rantai pengatur akan membebaskan rantai katalitik yang memiliki aktifitas enzim.4 cAMP + R2C2

2(R-2cAMP) + 2CPKA yang sudah aktif ini kemudian mengkatalis pemindahan fosfat (Fosforilasi) dari ATP ke residu serin atau treonin yang spesifik pada banyak sasaran dan mengakibatkan perubahan pada aktifitasnya. Terdapat lebih 100 buah enzim PKA dengan berbagai spesifisitas terhadap substratnya.Pentingnya serta luansnya cakupan PKA dapat dilihat pada contoh-contoh berikut ini:

1. Pada metabolism glikogen, fosforilasi dua enzim oleh PKA mengakibatkan pemecahan cadangan glukosa yang berupa polimer dan menghentikan sintesis glikogen.2. Sel epitel mengandung saluran klorida yang disebut cystic fibrosis transmembran regulator (CFTR), pengaruh hantaran transmembran pada fibrosis kistis. Saluran ini terbuka fosforilasi ranah CFTR yang dikatalis oleh PKA. Pengaturan saluran ini terganggu pada fibrosis kistik, kelainan genetic yang paling terkenal dapat mematikan di antara bangsa bangsa kaukasus.3. PKA merangsang ekspresi gen gen spesifik melalui fosforilasi aktifator transkrtipsi yang disebut cAMP-response element binding protein (CREB)

Ion Ca2+sitoplasma merupakan second messenger lain yang berfungsi dalam aktivitas beberapa jenis enzim (misalnya fosolipase), menggiatkan aparat kontraktil sel otot, mencetuskan penglepasan histamine, dan sebagainya. InsP3 dan DG dibentuk dari fosfatidilinositol-4,5-bisfosfat membrane melalui aktivasi fosfolipase C. Kedua messenger ini seperti cAMP, dapat mengaktivasi kinase, namun Insp3 melakukan hal ini secara tidak langsung dengan memobilisasi simpanan kalsium intraseluler. Reseptor tirosin kinase (RTK) merupakan keluarga reseptor yang memiliki struktur yang mirip satu sama lain. Keluarga reseptor ini memiliki satutyrosin kinase domain,yaitu yang akan memfosforilasi protein pada residutirosin, satuhormone bindingdomain,yaitu tempat ikatan dengan ligan atau hormon, dan satu segmen karboksil terminal dengan tirosin ganda untuk autofosforilasi. Reseptor ini merupakan reseptor membran yang terdapat dalam jumlah cukup banyak (terbanyak kedua setelah reseptor tergandeng protein G). RTK merupakan protein transmembran yang memiliki tempat ikatan ligan pada sisi luar membran plasma dan hanya memiliki satu segmen transmembran, atau dikatakan berbentuk monomer.Aktivasi reseptor tirosin kinase memerlukan minimal dua reseptor yang akan terdimerisasi jika suatu ligan (hormon) terikat pada tempat ikatannya. Ketika dua reseptor terdimerisasi (reseptor insulin teraktivasi), maka tirosin kinase domain akan saling memfosforilasi ujung C pada residu tirosin, sehingga disebut autofosforilasi karena terjadi pada reseptor yang sejenis. Selanjutnya tirosin yang terfosforilasi akan bertindak sebagai tempat ikatan berafinitas tinggi bai suatu adaptor protein yaitu protein yang memiliki SH2 domain (SH2= Src homology regions 2). Adaptor protein ini berikatan dengan suatu guanyl nucleotide-releas protein (GNRP). Jika GNRP teraktivasi, dia menyebabkan protein G bernama Ras (suatu protein yang termasuk GTPase monomerik, dan merupakan protein yang penting dalam transduksi signal melalui reseptor tirosin kinase) untuk melepaskan GDP dan menukarnya dengan GTP.Ras berperan mengantarkan signal dari reseptor ke dalam nukleus untuk menstimulasi proliferasi dan diferensiasi sel. Ras yang teraktivasi akan mengaktifkan Raf, suatu kinase seluler, yang selanjutnya akan meicu serangkaian peristiwa fosforilasi protein yang berurutan yaitu: MEK, ERK, dan

faktor transkripsi. Rangkaian forforilasi ini disebut kinase cascade. Signal transduksi pada reseptor tirosin kinase ada dua jalur yaitu:1. Jalur Ras/Raf/MAP kinase, yaitu jalur yang berperan dalam pembelahan sel, pertumbuhan dan prliferasi sel. Contohnya adalah reseptorgrowth factorseperti: reseptor EGF, reseptor VEGF, reseptor insulin, dll.

2. Jalur Jak/Stat, yang diaktivasi oleh berbagaicytokinesdan mengontrol sintesis dan pelepasan berbagai mediator inflamasi. Contohnya adalah pada reseptor sitokin.

Contoh Peranan cAMP VASOPRESIN HORMON ANTIDIURETIK BEKERJA MELALUI PENGAKTIFAN cAMP

Salah satu hormone yang bekerja melalui pengaktifan second messenger cAMP adalah hormone Vasopresin. Hormon Vasopresin yang pada mulanya diberi nama demikian mengingat kemampuannya meningkatkan tekanan darah kalau diberi dalam dosis farmakologik, akan lebih tepat jika dinamakan hormon antidiuretik (ADH) karena fungsi fisiologiknya yang penting adalah untuk meningkatkan penyerapan kembali air dari tubulus distal ginjal dengan meningkatkan premeabilitas terhadap air dari membrane luminal pada epitel tubulus.Hormon ini adalah suatu peptide yang memiliki 9 asam amino dengan sebuah jembatan disulfida, diproduksi dihipotalamus dan diangkut lewat aliran aksoplasmik ke ujung ujung saraf dalam hipolise posterior dan didalam bagian ini jika terdapat rangsangan yang tepat seperti peningkatan osmolalitas dalam plasma, hormone ini akan dilepas ke dalam sirkulasi darah. Pengikatan hormone ini pada reseptor spesifiknya akan mengaktifkan kaskade adenilat siklase yang bekerja merangsang pembentukan cAMP yang memperantarai efek hormone ini selanjutnya

MEKANISME KERJA HORMON ANTIDIURETIK

ADH bekerja melalui dua reseptor, yang disebut V1 dan V2 yang memiliki spesifitas ligan dan mekanisme kerja seluler yang bebeda. Semua reseptor ADH diluar sel ginjal merupakan tipe VI memperantarai kontraksi otot polos vaskuler dan sintesis prostalglandin. Efek utrama reseptor V1 adalah vasokonstriksi dan meningkatkan resistensi vaskuler yang menyebabkan timbulnya nama vasopressin. Pengikatan hormone ini pada reseptor V1 akan mengaktifkan enzim fosfolipase C yang mengakibatkan pembentukan IP3 dan diasilgliserol. Reseptor V2 hanya ditemukan pada [ermukaan sel epitel renal. Pengikatan hormone ADH dengan reseptor tipe V2 ini mengaktifkan enzim adenilat siklase melalui protein G yang akan menyebabkan pembentukan cAMP yang kemudian mengaktifkan PKA. Kejadian seluler berikutnya merupakan serangkaian reaksi fosforilasi protein oleh enzim ini yang merangsang ekspresi gen untuk meningkatkan pembentukan aquaporins 2. Aquaporins 2 bermigrasi ke membrane lumina;l sel tubulus, menembus celah membrane dan membentuk pori atau saluran tempat air secara bebas berdifusi sehingga meningkatkan premeabilitas membrane luminal terhadap cairan. Penyerapan kembali air pun meningkat melalui proses difusi bebas. Air kemudian mengalir melalui saluran dimembran plasma menuju keruang interstisium. Proses ini mengantarai berbagai efek yang ditimbulkan ADH dalam tubulus ginjal.