Tranduksi Sinyal

Banyak enzim yang diregulasi melalui ikatan kovalen fosfat,dalam ikatan ester,pada rantai samping gugus hidroksil pada bagian residu asam amino (Ser,Thr,atau Tyr)


Protein kinase mentransfer ujung fosfat ATP ke gugus hidroksil dari suatu protein.
Protein fosfatase mengkatalis perpindahan fosfat(Pi) melalui hidrolisis
Protein kinase dan fosfatase sendiri diregulasi melalui complex signal cascade
Misalnya,beberapa protein kinase diaktivasi oleh Ca2+-calmodulin
Sebuah kinase yang memiliki peranan penting dalam meregulasi enzim-enzim metabolism adalah cyclic AMP-dependent protein kinase,yang disebut protein kinase A.
Cyclic AMP
Cyclic AMP dipadankan sebagai transient signal (2nd messenger)
Baik sintesis maupun degradasinya terjadi secara spontan,tapi enzim-enzim diperlukan untuk reaksi sintesis ini.
Enzim-enzim yang mensintesis dan mendegradasi cAMP diregulasi.
Katalisis oleh adenylyl cyclase( AC, Adenylate Cyclase) :
ATP  cAMP + PPi
Reaksi ini berjalan melalui pemecahan PPi oleh Pyrophosphatase: PPi  2Pi
Katalisis oleh Phosphodiesterase : cAMP + H2O  AMP
Pemotongan ikatan yang berwarna merah melalui hidrolisis secara spontan,disebabkan oleh bentuk sterik yang tidak sempurna.
Ikatan hormone tertentu (misalnya epinefrin) pada permukaan luar sel mengaktivasi formasi cAMP dengan sel. cAMP disini berperan sebagai second messenger.








G Protein Signal Cascade
Suatu hormone (misalnya epinefrin atau glucagon) yang mengaktivasi formasi cAMP,mengikat reseptor pada permukaan sel dengan 7 α-helix transmembran.
Rhodopsin merupakan anggota pertama dari family reseptor 7-helix yang memiliki struktur yang ditentukan melalui kristalografi sinar-X ( X-ray crystallography).
Sebuah reseptor 7-helix berinteraksi dengan G-Protein,suatu heterometrik GTP-binding protein.
G-Protein memiliki 3 subunit yaitu α,β,γ.
Reseptor 7-helix yang berikatan dengan G-Protein disebut GPCR ( G-Protein Coupled Receptors).
Berbagai protein berinteraksi dengan GPCR untuk memodulasi aktivitasnya. interaksi ini memiliki efek diantaranya mengubah afinitas ligand,Dimerisasi reseptor dapat menginduksi atau mengubah aktivitas,mengubah lokalisasi reseptor,dsb.
Suatu G protein yang merupakan bagian dari suatu jalur (pathway) yang menstimulasi Adenylyl Cyclase,disebut Gs dan subunit α-nya disebut Gsα.
Subunit α dari G-protein berikatan dengan GTP,dan menghidrolisisnya menjadi GDP.
Subunit α dan γ berikatan secara kovalen pada lipid anchors yang mengikat G-protein pada membran sitosolik permukaan plasma . Adenylyl Cylclase (AC) merupakan protein transmembran,dengan domain sitosolik pembentuk daerah katalitik.
Kompleks subunit β dan γ ( Gβ,γ ) menghambat Gα.
Sequence of event hormone yang melalui signaling cAMP:
1. Awalnya Gα mengikat GDP,subunit α,β,dan γ membentuk kompleks
2. Hormone yang terikat pada GPCR menyebabkan perubahan konformasi yang kemudian disalurkan ke G-Protein. Daerah ikatan nukleotida pada Gα menjadi lebih aksesibel pada sitosol,saat [GTP] > [GDP]
Gα melepaskan GDP dan mengikat GTP (pertukaran GDP-GTP)
3. Substitusi GTP ke GDP menyebabkan perubahan konformasi lain pada Gα
Gα-GTP terpisah dari kompleks inhibitor βγ dan sekarang dapat berikatan dan mengaktifkan Adenylyl Cyclase.
4. Adenylyl Cyclase,diaktivasi oleh Gα-GTP,mengkatalisis reaksi pembentukan cAMP.
5. Protein Kinase A (cAMP Dependent Protein Kinase) mengkatalisis fosforilasi berbagai protein seluler,mengubah aktivitasnya.
Turn off the signal:
1. Gα menghidrolisis GTP menjadi GDP + Pi (GTPase)
Keberadaan GDP pada Gα menyebabkannya berikatan kembali dengan kompleks inhibitor βγ
Adenylate Cyclase tidak diaktivasi lagi
2. Phosphodiesterase mengkatalisis reaksi hidrolisi dari cAMP  AMP
3. Terjadi desensitisasi reseptor hormone. Proses ini gak kan dibahas secara mendetail
4. Protein fosfatase mengkatalis perpindahan melalui hidrolisis fosfat yang diikat pada protein-protein melalui Protein Kinase A
Amplifikasi signal merupakan fitur penting dalam signal cascade:
 Satu molekul hormone dapat membentuk formasi dari beberapa molekul cAMP
 Masing-masing subunit katalitik protein kinase A mengkatalisis reaksi fosforilasi dari berbagai protein selama tersedianya cAMP
 Penstimulasi Gsα,saat berikatan dengan GTP,mengaktifkan Adenylyl cyclase
 Penghambatan Giα,saat berikatan dengan GDP,menghambat Adenylyl cyclase
 Perbedaan efektor dan reseptornya menginduksi Giα untuk mengubah GDP menjadi GTP kemudian mengaktifkan Gsα
 Pada beberapa sel,kompleks Gβ,α yang dihasilkan saat Gα mengikat GTP merupakan efektor bagi dirinya sendiri yang mengikat dan mengaktfkan protein lain
Small GTP-binding switch proteins
Ini adalah family yang lebih besar dari Small GTP-binding switch proteins,berkaitan dengan Gα
Small GTP-binding switch proteins meliputi:
1. Faktor inisiasi dan elongasi(sintesis protein)
2. Ras (faktor pertumbuhan signal cascade)
3. Rab (pentargetan vesikula dan fusi)
4. ARF (lapisan coatomer pembentuk vesikula)
5. Ran (transport protein masuk dan keluar nucleus)
6. Rho ( regulasi aktin sitoskeleton)
Semua GTP-binding proteins memiliki konformasi yang berbeda tergantung akan keberadaan GDP atau GTP pada nucleotide-binding site-nya. Pada umumnya,pengikatan GTP menginduksi kondisi aktif
Kebanyakan GTP-binding protein bergantung pada helper protein:
GAPs,GTPase Activating Proteins,menghidrolisis GTP
GAP Memenyediakan essential active site residu,dan/atau mempromosikan konformasi pada katalisis favorit
Gα dari heteroatom G protein memiliki kemampuan untuk menghidrolisis GTP
Protein RGS,merupakan regulator negative bagi signaling G protein,berfungsi sebagai GAPs menstimulasi hidrolisis GTP oleh Gα
GEFs,Guanin Nukleotida Exchange Factors,mempromosikan perubahan GDP/GTP
Reseptor terkativasi (GPCR )bekerja sebagai GEF untuk G protein heteroatom
SOS

Toksin Cholera mengkatalisis modifikasi kovalen dari Gα. ADP-ribosa ditransfer dari NAD+ menuju residu arginin pada GTPase active site dari Gsα
ADP-ribosilasi ini mencegah Gsα dari penghidrolisisan GTP. Lalu Gsα menjadi teraktivasi selamanya
Toksin Pertusis (penyebab penyakit batuk) mengkatalisis ADP-ribosilasi pada residu sistein pada Giα,membuat penghambatan pada Gα sehingga tidak mampu mengubah GDP menjadi GTP. Lalu jalur inhibisi terblok
ADP-ribosilasi merupakan mekanisme umum yang meregulasi aktivitas berbagai protein,baik pada eukariot maupun prokarot


Fosfatidilinositol signal cascade
Beberapa aktivasi hormone signal cascade berdasar pada membran lipid fosfatidilinositol
Kinase mengkatalisis transfer Pi dari ATP pada gugus OH pada posisi 5 dan 4 dari cincin inositol secara berantai,menghasilkan phophatidylinositol-4,5-bisphosphate (PIP2)
PIP2 dipotong oleh enzim Phospholipase C
Perbedaan isoform fosfolipase C memiliki perbedaan domain regulator,dan berbeda respon signal juga.
Satu bentuk fosfolipase C teraktivasi oleh G protein,Gq.
GPCR (reseptor) teraktivasi. GTP diubah menjadi GDP. Gqα-GTP mengaktivasi fosfolipase C
Ca++,yang dibutuhkan untuk mengaktivasi fosfolipase C,berinteraksi dengan residue bermuatan negative dan dengan fosfat moieties IP3 pada active site
Pemotongan PIP2,dikatalisis oleh fosfolipase C,menghasilkan 2 second messengers: inositol-1,4,5-triphosphate(IP3) dan diacylglycerol (DG)
DG dengan Ca++,mengaktivasi Protein kinase C,yang mengkatalisis reaksi fosforilasi dari beberapa protein seluler,menurunkan aktivitasnya
IP3 mengaktivasi pelepasan Ca++ pada membran RE.
Ca++ yg tersimpan di dalam RE dilepas menuju sitosol,disana akan berikatan dengan kalmodulin,atau membantu mengaktivasi protein kinase C
Signal-turn off meliputi perpindahan Ca++ dari sitosol melalui pompa Ca++-ATPase,dan mendegradasi IP3
Defosforilasi sekuensial IP3 oleh enzim-terkatalisis hidrolisis menghasilkan inositol,substrat untuk sintesis PI
IP3 dapat diganti menjadi bentuk terfosforilasi lewat kinase spesifik,menjadi IP4,IP5 atau IP6,yang memiliki pengaturan signal masing-masing
Misalnya: IP4(inositol-1,3,4,5-tetraphosphate)pada beberapa sel mengaktivasi kanal Ca++ membran plasma
Kinase yang mengubah PI menjadi PIP2 mentransfer Pi dari ATP ke OH pada posisi 4 dan 5 pada cincin inositol
PI3-Kinase mengkatalis fisforilasi PI pada posisi 3 cincin inosito
PI-3-P,PI-3,4-P2,PI-3,4,5-P3,dan PI-4,5-P2 memiliki aturan signaling
Ini merupakan ligan2 untuk particular pleckstrin homology (PH) dan FYVE protein domains yang mengikat protein pada permukaan membran
Protein kinase B(atau Akt)menjadi teraktivasi saat diambil dari sitosol menuju permukaan membran plasma oleh ikatan yg memproduksi PI3-kinase.misalnya PI-3,4,5-P3(PI3P3)
Kinase lain pada permukaan sitosolik membran plasma mengkatalisis fosforilasi protein kinase B.mengaktivasikannya
Protein kinase B teraktivasi mengkatalisis fosforilasi berbagai protein lain,dengan efek yang beragam pd metabolism dan pertumbuhan sel
Beberapa efek downstream meliputi stimulasi sintesis glikogen,stimulasi glikolisis,dan menghambat glukoneogenesis.

Signal2 cascade dapat dimediasi oleh kompleks protein yg terbentuk pada permukaan sitosolik membran plasma,seringnya dalam suatu area dg komposisi lipid yang berbeda2 yang disebut lipid rafts
Protein signal dapat diterima ke dalam beberapa kompleks oleh:
1. Insersi lipid anchor-nya dalam membran plasma
2. Interaksi dengan membran terasosiasi scaffolding protein
3. Interaksi domain pleckstrin homology dengan dibentuk derivate PI sementara