Membran plasma memiliki peran penting bagi kehidupan. Yang perlu mendapat perhatian istimewa adalah perannya sebagai penyekat dan pengatur permeabilitas. Selain itu, membran plasma juga berperan sebagai sarana komunikasi.
Membran Plasma sebagai Penyekat
Berbeda dengan sel prokaryota yang hanya terdiri dari sebuah kompartemen (ruang) yang diselubungi oleh membran sel, sitoplasma sel eukaryota tersekat-sekat oleh membran sitoplasmik. Akibatnya, terbentuklah beberapa kompartemen bermembran, yang disebut organela. Peran setiap kompartemen berbeda-beda. Mereka masing-masing memiliki seperangkat enzim, molekul-molekul khusus dan sistem distribusi yang rumit.
Keberadaan membran sitoplasmik sebagai pembatas organela sangat penting. Kegiatan di dalam setiap organela dapat berjalan lancar tanpa gangguan dari organela lain, namun tetap ada hubungan kerja yang serasi.
Di antara organela tersebut, terdapat yang berselaput rangkap yaitu: nukleus, mitokondria, dan kloroplas. Nukleus berisi genom utama dan merupakan tempat terpenting untuk sintesis DNA dan RNA. Mitokondria dan kloroplas merupakan organela penghasil sebagian besar ATP yang terdapat di dalam sel. Sebagian besar membran sitoplasmik, merupakan pemisah labirint retikulum endoplasma dari sitosol dan organela lainnya.
Selaput Plasma sebagai Pengatur Permeabilitas
Bagian tengah dwilapisan fosfolipid bersifat hidrofobik sehingga menghambat lewatnya senyawa-senyawa yang terlarut dalam air. Padahal sel-sel hidup dan tumbuh akibat terjadinya pertukaran molekul-molekul dengan lingkungannya, sehingga berbagai molekul terlarut air harus dapat melewatinya. Molekul-molekul hidrofobik dan molekul-molekul hidrofilik yang tidak bermuatan dapat dengan mudah merembes (difusi) melewati dwilapisan fosfolipid. Molekul-molekul makro dan ion-ion tidak dapat melewati membran plasma. Sebagai contoh: gula dan asam amino perlu dimasukkan ke dalam sel sedangkan karbondioksida harus dibuang. Konsentrasi ion-ion misalnya H+, Na+, K+, dan Ca2++ perlu dibuat seimbang.
Beberapa zat-zat terlarut ini dapat dengan mudah merembes melewati dwilapisan fosfolipid, sedangkan yang lain tidak. Zat-zat kelompok kedua ini dapat melewati membran plasma hanya dengan bantuan protein transmembran yang berada di membran plasma. Beberapa di antara protein transmembran tersebut mempunyai fungsi khusus misalnya sebagai protein pengangkut, protein pembentuk celah, dan sebagai reseptor.
Sebelum membahas mekanisme kerja protein transmembran yang berperan dalam pengaturan permeabilitas terlebih dahulu perlu diuraikan mengenai konsentrasi ion di dalam dan di luar sel. Komposisi ion-ion di dalam sel sangat berbeda dengan komposisi ion-ion di dalam zalir di sekeliling sel tersebut. Ion-ion anorganik Na+; K+; Ca2+; Cl– dan proton (H+) sangat banyak dijumpai dalam larutan di sekeliling sel. Masuknya ion-ion tersebut ke dalam sel merupakan bagian penting kegiatan sel. Misalnya: sel hewan memompa ion Na+ke luar supaya konsentrasi Na+ di dalam sel tetap rendah. Bila pemompaan gagal air akan masuk ke dalam sel dengan jalan osmosis. Akibatnya sel membengkak dan pecah.
Molekul dan ion dapat melewati membran plasma dengan dua cara yaitu transportasi (pengangkutan) pasif dan pengangkutan aktif.
Pengangkutan pasif: Terdapat dua mekanisme pengangkutan pasif yaitu difusi (perembesan) sederhana dan difusi terfasilitasi berkemudahan.
Difusi sederhana: pengangkutan pasif merupakan proses difusi khusus. Pengangkutan ini merupakan kegiatan fisik yang ditentukan oleh gerakan molekul-molekul. Perpindahan molekul-molekul tersebut berlandaskan pada perbedaan konsentrasi. Bila di suatu tempat konsentrasi suatu molekul lebih tinggi daripada tempat sekitarnya, molekul-molekul akan bergerak dari tempat berkonsentrasi tinggi ke konsentrasi rendah. Hal ini hanya berlaku untuk molekul mikro nonpolar (hidrofobik) dan molekul mikro polar (hidrofilik) tidak bermuatan.
Apabila membran plasma alami atau tiruan ditempatkan di antara dua daerah yang berisi molekul dengan beda konsentrasi, tidak akan berpengaruh pada hasil difusi bila semua molekul atau ion dapat melewati membran itu. Namun perpindahan molekul akan terganggu bila beberapa molekul kurang cepat merembes atau sama sekali tidak dapat. Membran yang memiliki sifat seperti ini disebut bersifat semipermeabel.
Keberadaan molekul yang tidak dapat merembes melewati membran semipermeabel, mengakibatkan terjadinya perpindahan molekul air sehingga timbul gejala osmosis. Contoh: sebuah bejana disekat menggunakan selaput semipermeabel sehingga terbentuk dua ruangan yaitu ruangan A dan ruang B. Ruang A berisi air murni, ruang B berisi larutan protein. Molekul-molekul protein tidak dapat merembes melewati selaput walaupun dengan jelas terdapat perbedaan konsentrasi antara ruang A dan B. Hal ini disebabkan karena membran bersifat semipermeabel terhadap molekul protein. Perbedaan konsentrasi molekul air di ruang A dan B tidak tegas, namun terjadi perembesan molekul air dari ruang A ke ruang B. Hal seperti inilah yang disebut osmosis. Tekanan osmotik yang menahan laju perembesan molekul air dari A ke B akan tibul, apabila telah terjadi keseimbangan konsentrasi air antara A dan ruang B.
Gejala seperti tersebut di atas terjadi di semua sel hidup. Hal ini disebabkan karena sel berisi molekul-molekul protein dan lain-lainnya yang tetap berada di dalam sel. Senyawa-senyawa ini tidak dapat merembes melewati selaput plasma. Perembesan air ke dalam sel menimbulkan tekanan yang terjadi terus menerus pada sel hidup. Tekanan ini dapat digunakan sebagai sumber tenaga untuk beberapa kegiatan sel atau merupakan gangguan yang harus dilawan supaya sel tetap dapat hidup. Sebagai contoh:
- Sel-sel akar tumbuhan berada di lingkungan yang banyak berair. Akibatnya terjadi proses osmosis. Tekanan yang timbul akibat proses tersebut sebagian digunakan untuk menaikkan air ke pucuk batang dan daun. Di batang dan daun masuknya air ke dalam sel mengakibatkan terjadinya takanan yang mendorong sitoplasma menempel erat pada dinding sel.
- Sel yang tanpa dinding, misalnya protozoa, menggunakan tenaga untuk mengeluarkan air yang selalu masuk ke dalamnya. Namun, sel atau organisme yang berada di lingkungan yang lebih pekat daripada sitoplasma, menggunakan tenaga justru untuk memasukkan air ke dalam tubuhnya.
Difusi berkemudahan: merupakan proses perembesan yang memerlukan bantuan protein transmembran. Protein ini diperlukan untuk mengangkut hampir semua molekul-molekul mikro senyawa organik melintasi membran plasma, kecuali molekul-molekul yang terlarut dalam lemak dan molekul mikro yang tidak bermuatan. Setiap protein sangat pemilah (selektif). Untuk mengatur lalulintas molekul-molekul mikro melintasi membran plasma, setiap masing-masing membran plasma memiliki satu perangkat protein yang berbeda. Misalnya: pada membran plasma terdapat protein pengangkut untuk gula, asam amino, nukleotid, asam piruvat, ADP, dan ATP. Terdapat dua macam protein pengangkut yaitu protein pengangkut sejati dan protein pembentuk celah. Perbedaan utama antara protein pengangkut sejati dengan protein pembentuk celah terletak pada cara pemilihan dan pemilahan molekul-molekul yang akan diangkut.
Protein pembentuk celah memilih molekul yang dapat melewatinya berdasarkan ukuran dan muatan molekul tersebut. Protein pengangkut sejati memilih zat-zat terlarut yang dapat berikatan dengan daerah reaktifnya. Cara pengikatan ini sama dengan kerja enzim – substrat. Hal inilah yang membuat pengangkutan ini pemilah (selektif).
Contoh pengangkutan pasif dengan perantaraan protein pengangkut sejati adalah masuk keluarnya glukosa ke dalam dan ke luar sel hati. Apabila di luar sel terdapat banyak sekali molekul glukosa, molekul-molekul glukosa mengikatkan diri ke daerah reaktif protein pengangkut sejati yang terpapar ke arah luar sel. Akibatnya protein pembentuk celah berubah kedudukan sehingga daerah reaktif terpapar ke aral sitosol dan melepaskan glukosa ke dalam sitosol. Sebaliknya bila gula darah rendah, glukosa di keluarkan dari sitosol. Protein pengangkut ini sangat pemilah, daerah reaktifnya dapat berikatan hanya dengan D-glukosa.
Glukosa yang merupakan molekul tidak bermuatan arah pengangkutan pasif ditentukan hanya oleh gradien konsentrasi. Untuk molekul-molekul bermuatan listrik terdapat tenaga tambahan. Semua sel bermuatan listrik, perbedaan muatan listrik di sebelah menyebelah membran disebut membrane potential. Daerah sitosolik membran biasanya bermuatan negatif, yang menyebabkan tertariknya zat terlarut yang bermuatan positif ke dalam sel. Pada saat yang sama zat yang bersangkutan juga bergerak ke arah konsentrasi yang rendah. Dengan demikian tenaga pendorong zat bermuatan untuk melintasi membran merupakan gabungan dua tenaga yaitu tenaga gradien konsentrasi dengan tenaga listrik. Tenaga ini disebut gradien elektro kimia bagi zat terlarut tersebut. Tenaga inilah yang menentukan arah pengangkutan pasif.
Pengangkutan Aktif: Sel tidak dapat mengandalkan hanya pada pengangkutan pasif saja. Diperlukan mekanisme pengangkutan lain untuk memelihara komposisi ion di dalam sel dan memasukkan zat terlarut yang konsentrasi di luar sel lebih rendah daripada di dalam sel. Pengangkutan ini disebut pengangkutan aktif. Terdapat tiga cara pengangkutan aktif yaitu (1) Pengangkutan aktif gabungan. Pengangkutan ini membawa zat menaiki gradien dan sekaligus zat yang menuruni gradien. (2) Pompa terdorong ATP, menggabungkan pengangkutan menaiki gradien dengan hidrolisis ATP. (3) Pompa terdorong cahaya, menggabung-kan pengangkutan menaiki gradien dengan pasokan tenaga cahaya. Pengangkutan ini umumnya terjadi pada bakteri.
Pada sel hewan pompa yang menggunakan tenaga ATP mengangkut Na+ke luar sel dengan melawan gradien elektrokimianya. Pompa Na+menghidrolisis ATP menjadi ADP, tenaga yang timbul digunakan untuk mengangkut Na+ ke luar sel. Oleh karena itu pompa ini bukan sekedar protein pembawa tetapi sekaligus suatu enzim ATPase. Pompa ini terkenal dengan pompa Na+K+.
Pompa Na+K+ bekerja dalam suatu siklus. Dalam satu siklus pemompaan terdapat 6 tahapan. yakni:
- Na+ mengikatkan diri pada protein pengangkut yang daerah reaktifnya terpapar ke arah sitosol. Pada saat itu ATP dihidrolisis menjadi ADP dan fosfat, dan terjadi proses fosforilasi
- Fosforilasi ini mengakibatkan protein pengangkut berubah bentuk sedemikian rupa sehingga Na+berada di luar sel dan dilepaskan
- Pada saat itu ion K+mengikatkan diri ke protein pengangkut. Pengikatan K+ ini memicu terjadinya proses defosforilasi sehingga protein pengangkut kembali ke keadaan semula.
- Akibatnya ion K+ terpapar ke sitosol dan dilepas.
Pompa Na+ K+ selain digunakan untuk mengangkut molekul menaiki gradien konsentrasi dapat pula digunakan mengangkut ion lain bersamaan. Pengangkutan seperti ini disebut pengangkutan aktif gabungan. Bila searah disebut simpor, bila arah berlawanan disebut antipor.
Pengangkutan gabungan ini memegang peranan penting pada sel-sel hewan. Sebagai contoh adalah penyerapan glukosa oleh sel-sel epitelium mukosa dinding usus. Apabila penyerapan glukosa oleh sel-sel ini hanya mengandalkan pada pengangkutan pasif, pada saat usus kosong glukosa yang sudah berada di dalam sel akan kembali ke lumen usus. Mengapa? Sebaliknya apabila sel-sel ini hanya mengandalkan pada pengangkutan simpor gula tidak akan merembes ke luar dan mencapai sel-sel lain di dalam tubuh. Oleh karena itu, sel-sel ini memiliki dua macam protein pengangkut yang berada di daerah apikal merupakan protein pompa N+K+, sedangkan yang berada di daerah baso-lateral merupakan protein pengangkut pasif simpor. Dua macam protein tersebut dipisahkan oleh penghalang difusi sehingga tetap berada di tempat masing-masing. Penghalang difusi tersebut tidak lain adalah tautan lekat (tight junction).
Pada sel-sel hewan pompa Na+K+ juga berperan untuk memelihara keseimbangan osmotik.
Pada sel-sel selain pompa Na+K+ terdapat pula pompa Ca2+ dan pompa H+. Ion Ca2+ seperti halnya ion Na+ diusahakan konsentrasi di dalam sel selalu lebih rendah daripada konsentrasi di luar sel. Gerakan ion Ca2+ melintasi membran sangat penting dan rumit. Hal ini disebabkan karena Ca2+ dapat terikat erat ke molekul lain yang berada di dalam sel, sehingga mengganggu kegiatana sel. Masuknya ion Ca2+ ke sitosol sering digunakan sebagai isyarat pemicu kegiatan lain di dalam sel misalnya proses sekresi maupun kontraksi sel otot. Makin rendah konsentrasi Ca2+ di dalam sitosol makin peka sel tersebut terhadap kenaikan konsentrasi Ca2+. Konsentrasi rendah ion Ca2+ di dalam sitosol dapat dicapai melalui pompa Ca2+yang berada di membran sel maupun membran RE. Seperti halnya pompa K+Na+, pompa Ca2+ juga merupakan proses fosforilasi defosforilasi ATPase.
Sel tumbuhan, fungi, dan bakteri tidak memiliki pompa K+Na+, sebagai gantinya mereka menggunakan pompa H+ (proton). Dengan adanya pompa H+konsentrasi proton dalam sitosol dibuat selalu rendah. Pompa H+ juga membuat media di sekeliling sel mempunyai pH randah.
Pompa H+ tidak hanya berada di membran sel tumbuhan saja, melainkan terdapat pula di membran lisosoma sel hewan dan membran vakuola sel tumbuhan. Di dua tempat ini pompa proton bertugas memompa ion H+ ke luar dari sitosol dan memasukkannya ke lumen lisosom atau ke vakuola.
Proses pengangkutan yang telah dibicarakan merupakan proses pengangkutan molekul mikro dan ion. Molekul-molekul makro dapat melewati membran plasma dengan jalan endositosis dan eksositosis (Gambar ). Suatu hal yang penting dalam proses endositosis dan eksositosis yaitu bahwa, molekul makro yang dimasukkan maupun yang disekresikan, selama dalam sitosol berada di dalam suatu vesikula terpisahkan dari molekul yang lain.
Di samping endositosis dan eksositosis terdapat pengangkutan lain yaitu pertunasan (budding). Pertunasan terjadi pada membran RE dan Golgi).
