STRUKTUR DAN FUNGSI LISOSOM

Oleh Trisna Amelia, S.Pd., M.Pd

STRUKTUR DAN FUNGSI LISOSOM

 

1. Struktur Lisosom

Lisosom pertama kali ditemukan pada tahun 1950 oleh Christian de Duve. Lisosom merupakan salah satu organel sel yang terdapat di dalam sitosol. Lisosom merupakan kantung dilapisi membran berisi enzim hidrolitik yang digunakan oleh sel untuk mencerna makromolekul. Membran ini melindungi sel dari enzim pencernaan yang keras yang terkandung dalam lisosom, yang tidak akan menyebabkan kerusakan sel. Lisosom dibatasi oleh membran lipoprotein tunggal. Organel sel ini berbentuk bulat dengan diameter 0,2-0,8 mikron. Sel sangat terjaga dari paparan katalis biokimia yang ada dalam lisosom karena ketergantungan mereka pada lingkungan asam.

Terdapat enzim lisosom yang dapat menghidrolisis protein, polisakarida, lemak, dan asam nukleat (semuanya merupakan kelas utama makromolekul). Enzim ini bekerja sangat baik dalam lingkungan asam, kira-kira pada pH 5. Membran lisosom mempertahankan pH dengan memompakan ion hidrogen dari sitosol ke dalam lumen lisosom dan organel menghindari diri pencernaan dengan protein glucosylation yang berasal dari membran dalam untuk mencegah degradasi mereka. Protein pada permukaan dalam membran lisosom dapat terhindar dari kerusakan karena memiliki konformasi tiga dimensi yang melindungi ikatan yang rentan dari serangan enzimatik. Jika enzim dilepaskan, mereka mencerna sel dan karenanya lisosom juga disebut sebagai "tas bunuh diri". Perhatikan Gambar.

Lisosom merupakan organel yang bentuknya tidak seragam antara satu sama lainnya, cenderung bervariasi bergantung pada isi yang dicerna oleh lisosom tersebut. Namun pada umumnya lisosom memiliki bentuk yang hampir bulat, dengan garis tengah berada pada kisaran 0.05 sampai 1.2 μm. Rata-rata sebuah sel memiliki sekitar tiga ratus lisosom, yang tersebar merata di seluruh sel.

Lisosom berfungsi sebagai sistem pencernaan sel, baik untuk mencerna materi yang diambil dari luar sel dan untuk mencerna komponen yang sudah tidak terpakai dari sel itu sendiri. Dalam bentuk yang paling sederhana, lisosom yang divisualisasikan sebagai vakuola bulat padat, namun mereka dapat menampilkan variasi ukuran dan bentuk sebagai akibat dari perbedaan dalam materi yang telah diambil untuk pencernaan.

 

Gambar 1. Struktur Lisosom

Lisosom terbagi menjadi dua macam yaitu lisosom sekresi dan lisosom konvensional. Lisosom sekresi ditemukan dalam sel yang berbeda dari sistem kekebalan tubuh seperti limfosit T yang berasal dari garis sel homopoietic. Lisosom sekresi adalah kombinasi dari lisosom konvensional dan granula sekresi. Lisosom sekresi berbeda dari lisosom konvensional karena lisosom sekresi mengandung produk partikular sekresi (perforin dan granzymess) yang dapat menyerang virus yang menginfeksi dan sel tumor. Lisosom sekresi juga mengandung hidrolase, membran protein dan pengatur pH lisosom konvensional. Pengatur ini berfungsi untuk mempertahankan lingkungan asam di mana produk sekretori diselenggarakan dalam bentuk tidak aktif.

Enzim hidrolitik dan membran lisosom dibuat oleh RE kasar dan kemudian ditransfer ke aparatus Golgi untuk proses lebih lanjut. Lisosom muncul melalui pertunasan dari muka trans aparatus Golgi.

 

2. Enzim pada Lisosom

Enzim lisosom adalah suatu protein yang diproduksi oleh ribosom dan kemudian masuk ke dalam RE. Dari RE enzim dimasukkan ke dalam membran lalu dikeluarkan ke sitoplasma menjadi lisosom. Selain itu ada juga enzim yang dimasukkan terlebih dahulu ke dalam golgi. Oleh golgi, enzim itu dibungkus ke membran kemudian dilepaskan di dalam sitoplasma. Jadi proses pembentukan lisosom ada dua tahap, pertama dibentuk  oleh RE dan kedua disempurnakan oleh badan golgi.

 

Tabel 1. Jenis-jenis enzim pada Lisosom

Lisosom mengandung sekitar 50 enzim degradatif yang dapat menghidrolisis protein, DNA, RNA, polisakarida, dan lipid. Mutasi pada gen yang mengkode enzim ini bertanggung jawab untuk lebih dari 30 penyakit genetik manusia yang berbeda, yang disebut penyakit penyimpanan lisosomal karena bahan yang tidak terdegradasi terakumulasi dalam lisosom dari individu yang terkena. Sebagian besar penyakit ini akibat dari kekurangan dalam enzim lisosomal tunggal. Misalnya, penyakit Gaucher, hasil dari mutasi pada gen yang mengkode enzim lisosomal diperlukan untuk pemecahan glikolipid. Pada penyakit I-sel, yang disebabkan oleh kekurangan enzim yang mengkatalisis.

Jika lisosom pecah atau membocorkan kandungannya, aktivitas enzim berkurang dalam lingkungan sitosol yang netral. Akan tetapi, kebocoran yang berlebihan dari sejumlah besar lisosom dapat merusak sel akibat pencernaan sendiri.

Semua enzim lisosom adalah hidrolisis asam, yang aktif pada pH asam yang dipertahankan dalam lisosom tetapi tidak aktif pada pH netral (sekitar 7,2). Fungsi lisosom memerlukan tingkat pH 4,5. Hal ini cukup asam dan dapat menyebabkan kerusakan pada sitosol, atau dikenal sebagai cairan intraseluler, yang sangat alkali. Lisosom memiliki membran yang mengelilinginya yang mencegah kerusakan pada sitosol. Hal ini juga membantu menjaga keseimbangan diferensial dengan pH sitosol melalui suatu pompa proton yang memompa keluar molekul hidrogen. Sitosol sedikit basa, pH sekitar 7,2 , dan pH perbedaan ini tidak akan mengganggu fungsi enzim lisosom itu sendiri.

Mannose-6-Phospate sebagai Penanda Lisosom

Langkah pertama dalam penandaan enzim lisosom dengan mannose-6-fosfat terdapat di dalam aparatus Golgi. Contoh enzim pada lisosom adalah protease, nuklease, glikosidase, lipase, fosfolipase, fosfatase, ataupun sulfatase yang dibentuk dalam RE kasar dan dibawa ke Golgi untuk diberi penanda. Semua enzim tersebut aktif pada pH 5 (Asam hidrolase), enzim itu dinamakan lisozim.

Gambar Enzim hydrolase dengan M-6-P sebagai Penanda

 

Ingat di mana proses penambangan gugus M-6-P terjadi??

Gambar Proses Penandaan Enzim Hidrolase di Permukaan Cis Golgi

Untuk apa pentingnya penandaan enzim hydrolase dengan M-6-P??

Gambar Pembentukan Vesikula Lisosom pada Permukaan Trans Golgi

            M-6-P ternyata penting keberadaannya terikat pada semua enzim hydrolase yang akan masuk ke lisosom sebagai pengenalan pada reseptornya di permukaan trans golgi sehingga dapat di kumpulkan dan dikenali sebagai enzim hidrolisis untuk dikeluarkan pada vesikula yang akan membentuk lisosom.

Mannose-6-Phospate yang merupakan molekul kunci target sinyal untuk asam hidrolase, protein prokuser untuk ditransfer dari badan golgi ke lisosom. Ia berfungsi untuk transportasi enzim lisosom dari badan golgi ke lisosom itu sendiri.

Mekanisme Mannose-6-Phospate:

  1. M6P ditambahkan beberapa protein pada cis Golgi. Pada reaksi ini, uridine diphospate (UDP) dan N-acetilglucosamine
  2. Enzim N-acetilglucosamine-1-phospate trasnferase mengkatalisis glikolisis N- dari residu asparagine dengan M60
  3. Setelah ditandai M6P targeting sinyal, protein-protein ini pindah ke trans-Golgi. Disini M6P terdeteksi dan kemudian terikat pada protein mannose-6-phospate receptor (MPR) pada pH 6.5-6.7.

M6P yang mengantung enzim lisosom dikirim ke late endosome melalui transportasi vesicular. pH di late endosome bisa mencapai 6.0 disebabkan oleh terpisahnya M6P dengan reseptornya. Setelah dibebeaskan, enzim-enzim melanjutkan perjalanannya ke lisosom. MPR dikemas kedalam vesicles dan kembali ke trans-Golgi. Dengan cara inilah MPR dapat direcycle.

 

3. Mekanisme Kerja/ Fungsi Lisosom

Lisosom berfungsi untuk mendegradasi, mencerna, atau memecah molekul yang didapatkan melalui empat proses: endositosis, fagositosis, autofag dan apoptosis. Keempatnya memiliki tujuan yang berbeda. Endositosis dan fagositosis bertujuan untuk memecah atau mencerna molekul menjadi material yang bermanfaat bagi sel. Sedangkan autofag bertujuan untuk memecah organel-organel sel yang sudah usang dan tidak berfungsi lagi dan apoptosis merupakan kematian sel terprogram. Selain itu didalam lisosom juga terdapat mekanisme fertilasasi yang terjadi antara sperma dan sel telur dan juga mekanisme kekebalan tubuh dengan mentransfer asam hydrolase dan protein prokuser dari badan golgi ke lisosom.

Lisosom terdiri dari suatu kesatuan enzim yang mampu memecah seluruh jenis polimer biologi seperti protein, asam nukleat, karbohidrat, dan lemak. Lisosom berperan sebagai sistem pencernaan dalam sel, lisosom sebagai pendegradasi material yang berasal dari luar sel dan mencerna komponen sel yang sudah rusak/tua/tidak berfungsi lagi. Dalam bentuk yang paling sederhana, lisosom yang divisualisasikan sebagai vakuola bulat padat, namun lisosom dapat menampilkan variasi ukuran dan bentuk sebagai akibat dari perbedaan materi yang telah diambil untuk pencernaan. Jadi fungsi lisosom secara umum adalah mendegradasi material intraseluler.

1. Endositosis

Endositosis lebih sering disebut sebagai proses pembentukan lisosom dibandingkan sebagai salah satu proses pencernaan pada lisosom itu sendiri. Hal itu disebabkan karena melalui endositosis lah sebenarnya lisosom dapat terbentuk.

Endositosis bermula pada pengambilan material, makanan, atau molekul dari luar sel oleh membran plasma. Membran plasma yang menangkap molekul secara endositosis ini kemudian membentuk vesikel endosit yang berkembang menjadi endosom awal (kumpulan dari gabungan material yang dibawa melalui vesikel endosit). Di dalam endosom awal, terjadi pemilahan antara material yang berguna dan tidak berguna. Material yang tidak berguna kemudian dikembalikan lagi ke luar sel melalui vesikel yang sebelumnya bergabung dengan endosom daur ulang. Endosom awal kemudian tumbuh dan berkembang menjadi endosom lanjut seiring dengan semakin ‘matang’nya material yang ada di dalam endosom. Perlu diketahui bahwa terjadi penurunan pH dalam perkembangan endosom awal menjadi endosom lanjut. Penurunan pH hingga 5.5 bertujuan agar tidak terjadi proses pencernaan atau pemecahan komponen sel yang rata-rata ber-pH7.

Gambar Proses Endositosis

Aparatus golgi kemudian mengirimkan reseptor mannose-6-phosphate yang mengandung enzim hidrolase (yang telah dibuat dan ditransfer dari retikulum endoplasma) melalui vesikel transportasi kepada endosom lanjut. Enzim hidrolase kemudian dilepaskan di dalam endosom lanjut dan reseptor mannose-6-phosphate pun dikembalikan lagi ke aparatus golgi untuk didaur ulang. Endosom lanjut yang sudah memiliki enzim hidrolase tersebut kemudian berubah menjadi lisosom.

2. Fagositosis

Proses fagositosis banyak dilakukan oleh sel-sel khusus, seperti sel makrofag dan sel monosit pada leukosit dalam sistem imun. Sel tersebut dapat mendegradasi partikel besar, seperti bakteri, molekul besar, debris sel, atau sel tua yang perlu dihilangkan dari dalam tubuh. Partikel besar tersebut diambil oleh vakuola fagositik (fagosom) yang kemudian bergabung dengan lisosom membentuk fagolisosom. Fagolisosom kemudian mencerna komponen dan menghasilkan material yang berguna bagi sel. Fagolisosom biasanya memiliki ukuran yang cukup besar dan memilki kandungan beragam karena ukuran dan bentuknya bergantung pada material yang dicerna.

3. Autofag

Lisosom juga melakukan autofag untuk mengganti dan mendaur ulang komponen-komponen sel yang sudah tua atau rusak. Langkah pertama dalam autofag adalah pembentukan pagar organel dari membran retikulum endoplasma yang kemudian menyelimuti organel sel (co: mitokondria) yang kemudian menjadi autofagosom. Autofagosom lalu bergabung dengan lisosom menjadi autolisosom yang kemudian dilanjutkan dengan pemecahan organel dan komponennya.

 

Gambar autofag dan fagositosis

4. Apoptosis

Apoptosis atau kematian sel terprogram adalah mekanisme yang sangat rumit dikendalikan bunuh diri seluler. Mekanisme tersebut sangat penting selama perkembangan embrio dan penghancuran sel tua, sel yang terinfeksi dan sel-sel dengan kerusakan DNA . Apoptosis dimulai melalui berbagai jalur dalam sel, salah satunya adalah jalur apoptosis dimediasi lisosom. Protease tertentu hadir dalam lisosom telah diidentifikasi sebagai salah satu penggagas untuk kematian sel tersebut. Protease menyebabkan serangkaian sinyal dan ditandai dengan kerusakan pada komponen seluler. Komponen ini dikemas dalam vesikula disebut badan apoptosis yang ditelan oleh sel-sel tetangga. Lisosom dari sel tetangga membawa pencernaan sisa komponen ini.

5. Peran dalam Fertilisasi

Lisosom (dalam hal ini disebut sebagai akrosom) juga mampu melepaskan enzim pencernaan mereka di luar sel untuk membawa pencernaan ekstraseluler. Selama pembuahan, isi lisosomal sperma yang dirilis di luar sel dalam rangka untuk membawa tentang pencernaan membran pembatas di sekeliling telur.  Ini memfasilitasi fusi dari sperma dan sel telur. Selain ini, setelah dua sel memberi sinyal, yang ayah mitokondria dihancurkan melalui mesin lisosomal telur. Sperma yang diturunkan mitokondria cenderung menumpuk mutasi genetik karena aktivitas metabolik yang tinggi sperma. Oleh karena itu, mereka perlu dihilangkan dari sel menyatu untuk menghindari transfer mutasi embrio yang dihasilkan.

 

3. Ketika Lisosom Rusak

Kerusakan lisosom menyebabkan sekitar 50 jenis gangguan metabolisme diwariskan langka. Yang baru terus diidentifikasi. Kerusakan atau kehilangan enzim pencernaan menyebabkan akumulasi substrat dalam sel, sehingga merusak metabolisme. Kekurangan tersebut atau disfungsi hasil enzim lisosom dalam beberapa gangguan metabolisme diwariskan yang secara kolektif disebut sebagai penyakit penyimpanan lisosomal. Sebuah karakteristik utama beberapa ini telah diberikan di bawah ini.

Penyakit penyimpanan lisosomal dicirikan oleh adanya lisosom abnormal diperbesar mengandung akumulasi tercerna komponen seluler. Komponen atau makromolekul yang menumpuk tergantung pada enzim spesifik yang disfungsional. Penyakit Pompe, penyakit Tay - Sachs , mucopolysaccharidosis (MPS) , dan penyakit Gaucher adalah beberapa contoh. Dalam beberapa kasus, gejala seperti perawakan pendek, cacat tulang, kesulitan jantung dan pernafasan, kepala membesar, hati dan limpa yang diamati saat lahir. Namun, dalam beberapa kasus, timbulnya penyakit ini terjadi pada usia lanjut dan berbagai organ yang terkena tergantung pada jenis penyakit. Harapan hidup sangat bervariasi dan mereka dengan bentuk parah dapat bertahan hingga 5-10 tahun. Penyakit ini tidak dapat disembuhkan saat ini dan perawatan yang tersedia sebagian besar mengurangi gejala.