Saluran ion

Saluran ion adalah protein membran yang membentuk pori-pori dan memungkinkan ion (seperti natrium, kalium, kalsium) melewati pori tersebut. Fungsinya antara lain untuk membantu menciptakan potensial membran saat istirahat, membentuk dan mengatur sinyal listrik seperti potensial aksi dengan mengatur aliran ion melintasi membran sel, mengontrol aliran ion pada sel sekretori dan epitel, serta menjaga keseimbangan volume sel. Saluran ion terdapat pada membran semua jenis sel. Saluran ion merupakan satu dari dua kelas protein ionoforik, bersama dengan pengangkut ion (misalnya pompa natrium-kalium, penukar natrium-kalsium, dan protein transpor natrium-glukosa).

Penelitian tentang saluran ion biasanya melibatkan bidang biofisika, elektrofisiologi, dan farmakologi, serta menggunakan berbagai teknik seperti voltage clamp, patch clamp, imunohistokimia, kristalografi sinar-X, fluoroskopi, dan RT-PCR. Pengelompokan saluran ion sebagai molekul dikenal dengan istilah channelomics.

 Sifat dasar 
jmpl|Filter selektivitas hanya memperbolehkan ion kalium melintasi saluran kalium (PBD: 1K4C).
Terdapat dua sifat berbeda dari saluran ion yang membedakannya dari jenis protein pengangkut ion lainnya:
 Laju transpor ion melintasi saluran sangat tinggi (sering kali 106 ion per detik atau lebih besar dari itu).
 Ion melintasi saluran menuruni gradien elektrokimia yang merupakan fungsi dari konsentrasi ion dan potensial membran, "menuruni bukit", tanpa masukan (atau bantuan) energi metabolik (misalnya ATP, mekanisme kotranspor, atau mekanisme transpor aktif).
Saluran ion terletak di dalam membran dari semua sel peka rangsang, dan banyak organel intraseluler. Saluran ion sering dideskripsikan sebagai terowongan sempit berisi air yang hanya membebaskan ion dengan ukuran dan/atau muatan tertentu untuk melintas. Karakteristik ini disebut permeabilitas selektif. Pola dasar pori saluran adalah memiliki lebar hanya satu atau dua atom pada titik tersempit dan selektif terhadap spesies ion spesifik, seperti natrium atau kalium. Akan tetapi, beberapa saluran mungkin permeabel terhadap lebih dari satu jenis ion, biasanya dengan muatan yang sama: positif (kation) atau negatif (anion). Ion sering kali berpindah melewati bagian pori saluran dalam berkas tunggal hampir secepat ion bergerak melewati larutan bebas. Pada banyak saluran, lintasan melewati pori diatur oleh "pemintuan", yang dapat membuka atau menutup dalam respons terhadap sinyal kimia atau listrik, temperatur, atau gaya mekanik.

Saluran ion merupakan protein membran integral, biasanya terbentuk dari perakitan sejumlah protein tunggal. Perakitan "subunit ganda" ini biasanya melibatkan susunan melingkar dari protein identik atau homolog yang terkemas erat mengitari pori berisi air melintasi bidang membran atau lipid dwilapis. Untuk kebanyakan saluran ion berpintu tegangan, subunit pembentuk pori disebut subunit α, sedangkan subunit pembantu dilambangkan β, γ, dan seterusnya.

 Peran biologis 
Karena saluran ion berperan penting dalam impuls saraf dan saluran yang diaktifkan oleh neurotransmiter mengatur penghantaran sinyal di sinapsis, maka saluran ion menjadi komponen yang sangat mencolok dalam sistem saraf. Banyak racun yang dikembangkan oleh berbagai organisme untuk melumpuhkan sistem saraf mangsa atau pemangsanya—seperti bisa laba-laba, kalajengking, ular, ikan, lebah, siput laut, dan lainnya—bekerja dengan cara memengaruhi kemampuan dan kecepatan saluran ion dalam menghantarkan ion.

Selain dalam sistem saraf, saluran ion juga memiliki peran penting dalam berbagai proses biologis lain yang melibatkan perubahan cepat dalam sel, seperti kontraksi otot jantung, otot rangka, dan otot polos; pengangkutan ion dan nutrisi di sel epitel; aktivasi sel T dalam sistem imun; serta pelepasan insulin oleh sel beta pankreas. Karena peran sentralnya ini, saluran ion sering menjadi target utama dalam pencarian obat-obatan baru.

 Keanekaragaman 
Terdapat lebih dari 300 jenis saluran ion di dalam sel-sel telinga bagian dalam. Saluran ion dapat diklasifikasikan berdasarkan cara pembukaannya (gating), jenis ion yang melewati saluran tersebut, jumlah pori (gate) yang dimilikinya, serta lokasi protein penyusunnya di dalam sel.

Keanekaragaman saluran ion juga muncul dari variasi kombinasi subunit penyusunnya. Saluran ion yang tersusun dari subunit berbeda dapat menghasilkan jenis arus listrik yang spesifik. Jika salah satu jenis subunit penyusun saluran tidak ada atau mengalami mutasi, hal ini bisa menyebabkan saluran tidak berfungsi dengan baik dan berpotensi menjadi penyebab penyakit neurologis.

 Mekanisme pembukaan 
Saluran ion dapat diklasifikasikan berdasarkan mekanisme pembukaan (gating), yaitu bagaimana saluran tersebut terbuka dan tertutup. Misalnya, saluran ion yang dikendalikan oleh tegangan (voltage-gated ion channels) akan terbuka atau tertutup tergantung pada perbedaan tegangan listrik di sepanjang membran plasma. Sementara itu, ligand-gated ion channels terbuka atau tertutup karena adanya pengikatan molekul ligan pada saluran tersebut.

 Saluran ion yang dikendalikan oleh tegangan 

 Saluran natrium yang dikendalikan oleh tegangan (voltage-gated sodium channels): Keluarga saluran ini memiliki setidaknya sembilan anggota dan berperan penting dalam menciptakan serta menyebarkan potensial aksi. Subunit α pembentuk pori sangat besar (hingga 4.000 asam amino) dan terdiri dari empat domain homolog (I–IV), masing-masing memiliki enam segmen transmembran (S1–S6), sehingga total terdapat 24 segmen transmembran. Saluran ini juga berasosiasi dengan subunit β tambahan yang hanya melintasi membran satu kali. Baik subunit α maupun β mengalami glikosilasi secara luas.
 Saluran kalsium yang dikendalikan oleh tegangan (voltage-gated calcium channels). Keluarga ini memiliki 10 anggota dan biasanya berasosiasi dengan subunit tambahan α2δ, β, dan γ. Saluran ini penting untuk menghubungkan rangsangan otot dengan kontraksi, serta menghubungkan eksitasi neuron dengan pelepasan neurotransmiter. Subunit α-nya mirip secara struktural dengan subunit saluran natrium, dan juga berukuran besar. Subkategori saluran ini yaitu saluran ion kation pada sperma (catsper channels). Keluarga kecil saluran ini berkerabat dengan two-pore channels dan memiliki hubungan jauh dengan saluran TRP. Saluran ini spesifik pada sel sperma dan penting untuk motilitas sperma.
 Saluran kalium yang dikendalikan oleh tegangan (voltage-gated potassium channels/KV). Keluarga ini mencakup hampir 40 anggota, yang dibagi lagi ke dalam 12 subfamili. Saluran ini terutama berperan dalam proses repolarisasi membran sel setelah terjadinya potensial aksi. Subunit α-nya memiliki enam segmen transmembran, homolog dengan satu domain dari saluran natrium. Saluran ini membentuk saluran fungsional dengan cara menyusun diri sebagai tetramer (empat subunit).
 Beberapa saluran TRP (transient receptor potential). Saluran ini dinamai berdasarkan perannya dalam transduksi cahaya pada lalat buah (Drosophila). Terdapat setidaknya 28 anggota dalam keluarga TRP yang sangat beragam dalam mekanisme aktivasi. Beberapa saluran TRP selalu terbuka, sementara yang lain diaktifkan oleh tegangan, ion Ca²⁺ intraseluler, pH, kondisi redoks, tekanan osmotik, atau peregangan mekanik. Ion yang dilalui juga bervariasi—ada yang selektif terhadap Ca²⁺, sementara yang lain lebih umum sebagai saluran kation. Keluarga ini terbagi ke dalam enam subfamili berdasarkan kesamaan struktur: TRPC (klasik), TRPV (reseptor vaniloid), TRPM (melastatin), TRPP (polikistin), TRPML (mukolipin), dan TRPA (protein transmembran ankyrin 1).
 Saluran hiperpolarisasi yang diaktifkan oleh nukleotida siklik (hyperpolarization-activated cyclic nucleotide-gated channels). Saluran ini terbuka saat membran mengalami hiperpolarisasi (kebalikan dari depolarisasi yang biasa membuka saluran lain). Saluran ini juga dipengaruhi oleh nukleotida siklik seperti cAMP dan cGMP, yang mengubah sensitivitas tegangan pembukaannya. Saluran ini memungkinkan lewatnya kation monovalen seperti K⁺ dan Na⁺. Terdapat empat anggota dalam keluarga ini, semuanya membentuk tetramer dari subunit α yang memiliki enam segmen transmembran. Karena terbuka saat hiperpolarisasi, saluran ini berfungsi sebagai pacemaker di jantung, khususnya di nodus SA.
 Saluran proton yang dikendalikan oleh tegangan (voltage-gated proton channels). Saluran ini terbuka saat depolarisasi, tetapi sangat dipengaruhi oleh pH. Akibatnya, saluran ini hanya terbuka jika gradien elektrokimia memungkinkan proton mengalir keluar dari sel. Fungsi utamanya adalah membuang kelebihan asam dari dalam sel. Saluran ini juga penting dalam respiratory burst pada fagosit (seperti eosinofil, neutrofil, dan makrofag), yaitu saat fagosit mengaktifkan enzim NADPH oksidase untuk menghasilkan reactive oxygen species (ROS) guna membunuh mikroba. Karena NADPH oksidase memindahkan elektron (bersifat elektrogenik), saluran proton membantu menyeimbangkan pergerakan muatan dengan membiarkan proton keluar dari sel.

 Saluran ion yang dikendalikan oleh ligan 
Kelompok saluran ini, juga dikenal sebagai reseptor ionotropik, akan terbuka ketika molekul tertentu (ligan, terutama neurotransmitter) menempel pada bagian luar dari protein reseptornya. Ikatan ini menyebabkan perubahan bentuk (konformasi) dari struktur protein saluran yang akhirnya membuka "gerbang" dan memungkinkan ion mengalir melintasi membran plasma.

Contoh saluran jenis ini termasuk:

 Reseptor asetilkolin nikotinik (nAChR) yang dapat dilewati kation seperti Na⁺ dan K⁺,
 Reseptor glutamat ionotropik,
 Saluran ion yang peka terhadap asam (acid-sensing ion channels / ASIC),
 Reseptor P2X yang diaktifkan oleh ATP,
 dan reseptor GABA tipe A (GABA<sub>A</sub>) yang memungkinkan aliran anion seperti Cl⁻.

Saluran ion yang diaktifkan oleh kurir kedua (second messenger) dari dalam sel juga sering dikelompokkan ke dalam kategori ini, meskipun secara teknis ligan dan kurir kedua merupakan jenis yang berbeda.

 Saluran yang dikendalikan oleh lipid 
Kelompok saluran ini terbuka ketika molekul lipid tertentu menempel pada bagian transmembran saluran, biasanya di sisi dalam dari membran plasma. Lipid seperti fosfatidilinositol 4,5-bifosfat (PIP₂) dan asam fosfatidat (PA) adalah contoh lipid yang paling dikenal dapat mengaktifkan saluran ini.

Contoh saluran yang dikendalikan oleh lipid antara lain:

 Saluran kalium bocor seperti inward-rectifier potassium channels dan saluran kalium berdomain dua pori (two-pore domain potassium channels) seperti TREK-1 dan TRAAK,
 Saluran kalium KCNQ yang diatur oleh PIP₂,
 Saluran kalium yang diaktifkan oleh tegangan (Kv) juga dipengaruhi oleh PA. PA dapat menggeser tegangan aktivasi saluran ini sebesar +50 mV setelah hidrolisis, mendekati potensial istirahat sel. Hal ini menunjukkan bahwa saluran Kv bisa juga terbuka karena sinyal lipid, sehingga dikategorikan sebagai saluran ganda (dual-gated channel)—baik oleh tegangan maupun oleh lipid.

 Mekanisme pembukaan lainnya 
Beberapa saluran ion juga diatur oleh kurir kedua dari dalam sel, bukan dari luar sebagaimana pada ligan biasa. Contoh saluran kalium dengan pembukaan khusus:

 Saluran kalium inward-rectifier (Kir): Saluran ini lebih efektif mengalirkan ion K⁺ masuk ke dalam sel dibanding keluar. Keluarga ini terdiri dari 15 anggota resmi dan 1 tidak resmi, dibagi menjadi 7 subfamili. Saluran ini dipengaruhi oleh ATP intraseluler, PIP₂, dan subunit G-protein βγ. Berperan penting dalam aktivitas pacemaker jantung, pelepasan insulin, dan penyerapan kalium oleh sel glia. Saluran ini hanya memiliki dua segmen transmembran, dan subunit α-nya membentuk struktur tetramer.
 Saluran kalium yang diaktifkan oleh kalsium (KCa): Saluran ini diaktifkan oleh peningkatan kadar Ca²⁺ di dalam sel, dan terdiri dari 8 anggota. Saluran ini berperan dalam kontraksi otot, eksitabilitas neuron, dan sekresi.
 Salauran kalium tandem pore domain (K2P): Terdiri dari 15 anggota dan dikenal sebagai leak channels karena selalu terbuka sebagian. Menampilkan sifat "rectification" sesuai dengan persamaan Goldman-Hodgkin-Katz. Meski disebut "dua domain pori", saluran ini hanya memiliki satu pori fungsional tetapi dua domain pori dalam setiap subunitnya.
 Saluran dua pori (two-pore channels/TPC): Merupakan saluran kation yang bisa diaktifkan oleh ligand maupun tegangan. Seperti namanya, saluran ini memiliki dua subunit pembentuk pori.

 Jenis pembukaan lain yang unik 

 Saluran yang diaktifkan cahaya: Seperti channelrhodopsin, saluran ini terbuka langsung oleh cahaya (foton).
 Saluran mekanosensitif: Saluran ini terbuka sebagai respons terhadap rangsangan mekanis seperti peregangan, tekanan, geseran, atau perpindahan.
 Saluran yang diaktifkan oleh nukleotida siklik: Superfamili ini mencakup dua keluarga utama:
 Saluran CNG: Diaktifkan oleh cAMP atau cGMP dari dalam sel. Biasanya mengalirkan kation monovalen seperti Na⁺ dan K⁺, serta sedikit Ca²⁺ (yang justru menutup saluran). Terdiri dari 6 anggota, terbagi dalam 2 subfamili.
 Saluran HCN: Saluran ini telah dibahas sebelumnya, diaktifkan oleh hiperpolarisasi dan diatur oleh cAMP/cGMP.
 Saluran yang diaktifkan oleh suhu: Termasuk dalam keluarga besar TRP, seperti TRPV1 (terbuka oleh suhu panas) dan TRPM8 (terbuka oleh suhu dingin).

 Lokasi seluler 
Saluran ion berlokasi beragam di dalam sel. Meskipun membran plasma hanya menyumbang sekitar 2% dari total membran sel, sebagian besar saluran ion sebenarnya berada di membran organel intraseluler, yang mencakup sekitar 98% dari membran sel. Organel utama yang memiliki saluran ion adalah retikulum endoplasma (RE), badan Golgi, dan mitokondria. Berdasarkan lokalisasi ini, saluran ion diklasifikasikan menjadi dua kelompok utama:

 Saluran pada membran plasma 
Saluran ini berada di permukaan luar sel dan berperan langsung dalam komunikasi antar sel dan respons terhadap lingkungan luar. Contoh: saluran kalium yang diaktifkan oleh tegangan (Kv), saluran natrium (Nav), saluran kalsium (Cav), saluran Klorida (ClC). Saluran-saluran ini penting untuk eksitabilitas membran, transmisi sinyal saraf, kontraksi otot, dan berbagai fungsi fisiologis lainnya.

 Saluran intraseluler 
Saluran ini berada di membran organel dan dibagi lebih lanjut berdasarkan organel tempat saluran berada:

 Saluran retikulum endoplasma (RE) 

 RyR (Ryanodine Receptor): Melepaskan ion kalsium dari RE ke sitoplasma, sangat penting dalam kontraksi otot.
 SERCA (Sarcoplasmic/Endoplasmic Reticulum Calcium ATPase): Memompa kembali Ca²⁺ ke dalam RE untuk mengisi ulang cadangan kalsium.
 ORAI: Terlibat dalam proses store-operated calcium entry (SOCE), di mana saluran ini memungkinkan masuknya Ca²⁺ ke dalam sel saat cadangan RE menipis.

 Saluran mitokondria 
Saluran ini tersebar baik di membran dalam maupun membran luar mitokondria dan memainkan peran penting dalam metabolisme energi, homeostasis kalsium, dan kematian sel terprogram (apoptosis).

 Membran dalam mitokondria:
 mPTP (mitochondrial permeability transition pore): Terlibat dalam pelepasan Ca²⁺ dan sinyal apoptosis.
 KATP (ATP-sensitive K⁺ channel): Mengatur potensial membran mitokondria berdasarkan tingkat ATP.
 BK dan IK (big and intermediate conductance Ca²⁺-activated K⁺ channels): Mengatur volume dan eksitabilitas mitokondria.
 CLIC5 dan Kv7.4: Terlibat dalam pengaturan muatan dan aliran ion.
 Membran luar mitokondria:
 VDAC (Voltage-Dependent Anion Channel): Mengatur pergerakan ATP, ADP, dan metabolit lain antara mitokondria dan sitosol.
 CLIC4: Anggota keluarga chloride intracellular channel yang juga dapat berlokasi di mitokondria.

 Struktur 
Saluran ion berbeda satu sama lain berdasarkan jenis ion yang dapat melaluinya (misalnya, Na⁺, K⁺, Cl⁻), mekanisme regulasi yang mengaturnya, jumlah subunit penyusunnya, serta berbagai aspek struktural lainnya. Saluran dalam kelas terbesar—yang mencakup saluran yang diaktivasi oleh tegangan yang menjadi dasar impuls saraf—biasanya tersusun atas empat atau kadang lima subunit, yang masing-masing memiliki enam segmen heliks transmembran. Ketika diaktivasi, heliks-heliks ini mengalami pergeseran yang memungkinkan terbukanya pori saluran. Dua dari enam heliks tersebut dipisahkan oleh suatu loop yang melapisi bagian dalam pori dan berperan penting dalam menentukan selektivitas ion serta konduktansinya—baik pada kelas saluran ini maupun pada beberapa jenis saluran lainnya.

Konsep tentang selektivitas ion pertama kali dikemukakan pada akhir 1960-an oleh Bertil Hille dan Clay Armstrong. Mereka mengusulkan bahwa pada saluran kalium, oksigen karbonil dari rantai utama protein di wilayah selectivity filter—istilah yang diperkenalkan oleh Hille—dapat menggantikan molekul air yang biasanya mengelilingi ion kalium. Namun karena ion natrium berukuran lebih kecil dan tidak dapat mengalami dehidrasi total dengan cara yang sama, maka ion ini tidak dapat melewati filter tersebut. Mekanisme ini akhirnya dikonfirmasi melalui penentuan struktur saluran ion pertama, yaitu saluran kalium bakteri KcsA, yang hanya terdiri atas selectivity filter, loop P, dan dua segmen heliks transmembran. Struktur ini digunakan sebagai model dalam studi permeabilitas dan selektivitas saluran ion oleh laboratorium MacKinnon. Penentuan struktur molekul KcsA oleh Roderick MacKinnon menggunakan kristalografi sinar-X memberinya Penghargaan Nobel Kimia tahun 2003.

Karena ukuran saluran ion yang kecil dan kesulitan dalam mengkristalkan protein membran integral untuk analisis kristalografi sinar-X, para ilmuwan baru-baru ini mulai dapat secara langsung memvisualisasikan seperti apa bentuk saluran tersebut. Khususnya dalam kasus di mana saluran harus diekstraksi dari membran menggunakan deterjen, banyak peneliti menganggap hasil gambar yang diperoleh masih bersifat tentatif. Salah satu contohnya adalah struktur kristal dari saluran kalium yang diaktivasi oleh tegangan, yang telah lama dinantikan dan akhirnya dilaporkan pada Mei 2003. Salah satu ambiguitas tak terelakkan dari struktur tersebut adalah adanya bukti kuat bahwa saluran dapat berubah konformasi selama proses kerjanya—misalnya saat membuka dan menutup. Artinya, struktur yang diperoleh dari kristal bisa saja merepresentasikan salah satu dari beberapa keadaan fungsional. Sejauh ini, sebagian besar pengetahuan tentang cara kerja saluran ion diperoleh melalui pendekatan elektrofisiologi, biokimia, perbandingan sekuens genetik, serta mutagenesis.

Saluran ion dapat memiliki satu domain transmembran (seperti pada CLIC) hingga beberapa domain (seperti pada saluran K, reseptor P2X, dan saluran Na). Domain transmembran ini melintasi membran plasma untuk membentuk pori. Pori inilah yang menentukan selektivitas saluran terhadap ion tertentu. Sementara itu, gerbang dapat terletak di bagian dalam atau luar dari wilayah pori.

 Lihat pula 
 Basis data Ki
 Famili saluran ion seperti yang didefinisikan Pfam dan InterPro
 Heliks alfa
 Ionofor
 Kanalom
 Kanalopati
 Neurotoksin
 Pemintuan (elektrofisiologi)
 Potensial aksi
 Potensial membran
 Reseptor transmembran
 Saluran ion kalium
 Saluran ion lipid dwilapis
 Saluran ion natrium
 Saluran ion sintetis
 Transpor aktif
 Transpor magnesium
 Transpor pasif

 Referensi 

 Pranala luar 





Kategori:Komunikasi sel
Kategori:Elektrofisiologi
Kategori:Protein membran
Kategori:Neurokimia
Kategori:Famili protein