Presentasi Analisis Pembentukkan Struktur Sekunder Dan Tersier Pada Protein

Struktur Protein

Protein berasal dari bahasa Yunani proteios yang berarti "barisan pertama". Kata yang diciptakan oleh Jons J. Barzelius pada tahun 1938 untuk menekankan pentingnya golongan ini. Struktur protein merupakan sebuah struktur biomolekuler dari suatu molekul protein. Setiap protein, khususnya polipeptida merupakan suatu polimer yang merupakan urutan yang terbentuk dari berbagai asam L-α-amino (urutan ini juga disebut sebagai residu). Perjanjiannya, suatu rantai yang panjangnya kurang dari 40 residu disebut sebagai sebagai polipeptida, bukan sebagai protein. Protein memegang peranan penting dalam hampir semua proses biologi. Protein merupakan komponen penting atau komponen utama sel hewan atau manusia. Oleh karena sel itu merupakan pembentuk tubuh kita, maka protein yang terdapat dalam makanan berfungsi sebagai zat utama dalam pembentukan dan pertumbuhan tubuh. Untuk dapat melakukan fungsi biologis, protein melipat ke dalam satu atau lebih konformasi spasial yang spesifik, didorong oleh sejumlah interaksi non-kovalen seperti ikatan hidrogen, interaksi ionik, gaya van der Waals, dan sistem kemasan hidrofobik. Struktur tiga dimensi perotein sangat diperlukan untuk memahami fungsi protein pada tingkat molekul. Struktur protein bervariasi dalam hal ukuran, dari puluhan hingga ribuan residu. Protein diklasifikasikan berdasarkan ukuran fisik mereka sebagai nanopartikel (1-100 nm). Sebuah protein dapat mengalami perubahan struktural reversibel dalam menjalankan fungsi biologisnya. Struktur alternatif protein yang sama disebut sebagai konformasi.

Tumbuhan membentuk protein dari CO2, H2O, dan senyawa nitrogen. Hewan yang makan tumbuhan merubah protein nabati menjadi protein hewani. Di samping digunakan untuk pembentukan sel-sel tubuh. Protein juga digunakan sebagai sumber energi apabila tubuh kita kekurangan karbohidrat dan lemak. Komposisi rata-rata unsur kimia yang terdapat dalam protein ialah sebagai berikut: karbon 50%, hidrogen 7%, oksigen 23%, nitrogen 16%, belerang 0,3%, dan fosfor 0,3%. Asam amino merupakan unit dasar struktur protein. Suatu asam aminoα terdiri dari gugus amino, gugus karboksil, atom H dan gugus R tertentu yang semuanya terikat pada atom karbon α . Atom karbon ini disebut α karena bersebelahan dengan gugus karboksil (asam). Gugus R menyatakan rantai samping.

Larutan asam amino pada pH netral terutama merupakan ion dipolar (zwitterion), bukan molekul tak terionisasi. Dalam bentuk dipolar, gugus amino berada dalam bentuk proton ( ) + 3 NH dan gugus karboksil dalam bentuk terdisosiasi ( COO ) - . Status ionisasi suatu asam amino bervariasi tergantung pada pH. Dalam larutan asam (misalnya pH 11), gugus karboksil dalam bentuk tak terionisasi (-COOH) dan gugus amino dalam bentuk terionisasi ( ) + 3 NH . Dalam larutan alkali (misalnya pH 1) gugus karboksil dalam bentuk terionisasi ( COO ) - dan gugus amino dalam bentuk tak terionisasi (-NH2). Glisin mempunyi pK gugus karboksil sebesar 2,3 dan pK gugus amino sebesar 9,6. Jadi, titik tengah ionisasi pertama adalah pada pH 2,3 dan untuk ionisasi kedua pada pH 9,6.

Susunan tetrahedral dari empat gugus yang berbeda terhadap atom karbon α menyebabkan asam amino mempunyai aktivitas optik. Dua bentuk bayangan cermin disebut isomer L dan isomer D. Protein hanya terdiri dari asam amino L, sehingga tanda isomer optik dapat diabaikan saja dan dalam pembahasan protein selanjutnya asam amino yang dimaksud ialah isomer L, kecuali bila ada penjelasan.

Umumnya pada protein ditemukan 20 jenis rantai samping yang bervariasi dalam ukuran, bentuk muatan, kapasitas pengikatan hidrogen dan reaktivitas kimia. Susunan protein pada semua spesies mulai dari bakteri sampai manusia dibentuk dari 20 asam amino yang sama dan tidak pernah berubah selama evolusi. Keanekaragaman fungsi yang diperantarai oleh protein dimungkinkan oleh keragaman susunan yang dibuat dari 20 jenis asam amino ini sebagai unsur pembangun. Asam amino yang paling sederhana ialah glisin, yang hanya mempunyai satu atom hidrogen sebagai rantai samping (Gambar 2.4). Asam amino berikut adalah alamin, dengan gugus metil sebagai rantai samping. Rantai samping hidrokarbon yang lebih besar (tiga dan empat karbon) ditemukan pada valin, leusin dan isoleusin. Rantai samping alifatik yang lebih besar ini bersifat hidrofobik, menolak air dan cenderung membentuk kelompok. Sebagaimana akan dibahas kemudian, struktur tiga dimensi protein yang larut dalam air akan menjadi stabil oleh rantai samping hidrofobik yang berkelompok untuk menghindari kontak dengan air. Perbedaan ukuran dan bentuk rantai samping hidrokarbon ini memungkinkan protein untuk membentuk struktur yang ringkas dan kompak yang berlubang-lubang.

A. STRUKTUR PROTEIN PRIMER, SEKUNDER DAN TERSIER

 Pada pembahasan arsitektur protein digunakan pembagian empat tingkatan struktur. Struktur primer adalah urutan asam amino. Struktur sekunder berhubungan dengan pengaturan kedudukan ruang residu asam amino yang berdekatan dalam urutan linier. Pengaturan sterik ini memberi struktur periodik. Heliks- α dan untai- b menunjukkan struktur sekunder. Struktur tersier menggambarkan pengaturan ruang residu asam amino yang berjauhan dalam urutan linier dan pola ikatan-ikatan sulfida. Perbedaan antara struktur sekunder dan struktur tersier tidaklah terlalu jelas. Di samping itu dikenal juga adanya struktur kuarterner dan struktur super sekunder yang akan dibahas sekilas di bagian ini.

1. Struktur Primer

Pada tahun 1953, Frederick Sanger menentukan urutan asam amino insulin, suatu hormon protein. Hal ini merupakan peristiwa penting karena pertama kali memperlihatkan dengan tegas bahwa protein mempunyai urutan asam amino yang tertentu yang tepat. Urutan asam amino inilah yang kemudian dikenal sebagai struktur primer. Selain itu juga diperlihatkan bahwa insulin terdiri dari hanya asam amino L yang saling berhubungan melalui ikatan peptida antara gugus amino- α dan gugus karboksil- α prestasi ini merangsang peneliti lain untuk mempelajari urutan asam amino berbagai protein. Saat ini telah diketahui urutan asam amino yang lengkap lebih dari 10.000 protein. Fakta yang menyolok menyatakan bahwa tiap protein mempunyai urutan asam amino yang khas dengan urutan yang sangat tepat. Pada protein, gugus karboksil- α asam amino terikat pada gugus aminoα asam amino lain dengan ikatan peptida (disebut juga ikatan amida). Pada pembentukan suatu dipeptida dari dua asam amino terjadi pengeluaran satu molekul air yang dapat dilihat pada Gambar 2.5. Keseimbangan reaksi ini adalah ke arah hidrolisis tidak pada sintesis. Oleh sebab itu, biosintesis ikatan peptida memerlukan energi bebas, sebaliknya hidrolisis ikatan peptida secara termodinamika bersifat eksergonik.

Banyak asam amino yang berikatan melalui ikatan peptida membentuk rantai polipeptida yang tidak bercabang (Gambar 2.7). Satu unit asam amino dalam rantai polipeptida disebut residu. Rantai polipeptida mempunyai arah sebab unit penyusun mempunyai ujung yang berbeda, yaitu gugus amino- α dan gugus karboksil- α . Berdasarkan kesepakatan, ujung amino diletakkan pada awal rantai polipeptida; berarti urutan asam amino dalam rantai polipeptida ditulis dengan diawali oleh residu aminoterminal. Pada suatu tripeptida Ala-Gly-Trp (AGW), alanin merupakan residu aminoterminal dan Triptofan merupakan residu karboksil-terminal. Harus diperhatikan bahwa Trp-Gly-Ala (WGA) merupakan tripeptida yang berbeda.

Rantai polipeptida terdiri dari bagian yang berulang secara beraturan yang disebut rantai utama, dan bagian yang bervariabel yang membentuk rantai samping (). Rantai utama kadang-kadang disebut tulang punggung. Kebanyakan rantai polipeptida di alam mengandung antara 50 sampai 2000 residu asam amino. Berat molekul rata-rata residu asam amino adalah 110, berarti berat molekul rantai polipeptida adalah antara 5.500 dan 220.000. Massa protein dapat juga dinyatakan dalam dalton; satu dalton sama dengan satu unit massa atom. Suatu protein dengan berat molekul 50.000 mempunyai massa 50 kd (kilodalton).

Sejumlah protein mempunyai ikatan disulfida. Ikatan disulfida antarrantai maupun di dalam rantai terbentuk oleh oksidasi residu sistein. Disulfida yang dihasilkan adalah sistein (Gambar 2.8). Protein intra sel umumnya tidak mempunyai ikatan disulfida, sedangkan protein ekstrasel sering mempunyai beberapa. Ikatan lintas non-belerang yang berasal dari rantai samping lisin ditemukan pada beberapa protein. Misalnya, serat kolagen dalam jaringan ikat diperkuat dengan cara ini, sama seperti fibrin pada pengumpulan darah.

2. Struktur Sekunder

 Dapatkah suatu rantai polipeptida berlipat membentuk struktur reguler yang berulang? Untuk menjawab pertanyaan ini, Pauling dan Corey mempelajari berbagai kemungkinan konformasi polipeptida dengan membuat model-model molekul. Mereka sangat mentaati hasil pengamatan sudut ikatan dan jarak pada asam amino dan peptida kecil. Pada tahun 1951, mereka mengemukakan dua struktur polipeptida yang disebut heliks α dan lembar berlipat β . Struktur ini berhubungan dengan pengaturan kedudukan ruang residu asam amino dalam urutan linier. Heliks α merupakan struktur berbentuk batang. Rantai polipeptida utama yang bergelung membentuk bagian dalam batang dan rantai samping mengarah ke luar dari heliks.

Bentuk heliks α dimantapkan oleh ikatan hidrogen antara gugus NH dan gugus CO pada rantai utama. Gugus CO setiap asam amino membentuk ikatan hidrogen dengan gugus NH asam amino terletak pada empat residu di depannya pada urutan linier. Berarti semua gugus CO dan gugus NH pada rantai utama membentuk ikatan hidrogen. Tiap residu asam dengan residu berikutnya sepanjang aksis heliks Gambar 2.10. Heliks α mempunyai jarak 1,5 o A dengan rotasi 100°, sehingga terdapat 3,6 residu asam amino tiap putaran heliks. Pada heliks α asam amino yang berjarak tiga dan empat pada urutan linier akan terletak berseberangan dalam heliks sehingga tidak saling berhubungan. Jarak antara dua putaran heliks α adalah perkalian jarak translasi (1,5 o A ) dan jumlah residu pada setiap putaran 3,6 yang sama dengan 5,4 o A . Arah putaran heliks seperti pada skrup dapat bersifat putar kanan (searah jarum jam) dan putar kiri (berlawanan arah jarum jam) Heliks protein α bersifat putar kanan. Kandungan heliks α dalam protein bervariasi luas mulai dari hampir tidak ada sampai 100%. Misalnya, enzim kimotripsin tidak mengandung heliks α . Kebalikannya, 75% protein mioglobin dan hemoglobin berbentuk heliks α . Panjang untai tunggal heliks α biasanya kurang dari 45 o A . Tetapi dua atau lebih heliks α dapat saling berpilin membentuk struktur yang stabil, dengan panjang dapat mencapai 1000 o A (100 nm atau 0,1 m m ) atau lebih. Heliks α yang saling berpilin ditemukan pada miosin dan tropomiosin otot, pada fibrin gumpalan darah dan pada keratin rambut. Bentuk heliks pada protein ini mempunyai peran mekanis dalam pembentukan berkas serat yang kaku seperti duri landak. Sitoskeleton (penyangga bagian dalam) suatu sel mengandung banyak filamen yang merupakan dua untai heliks α yang saling berpilin. Struktur heliks α telah disimpulkan oleh Pauling dan Corey enam tahun sebelum struktur ini terbukti pada mioglobin dengan pemeriksaan menggunakan sinar X. Uraian tentang struktur heliks α ini merupakan peristiwa penting dalam sejarah biologi molekuler sebab memperlihatkan bahwa konformasi rantai polipeptida dapat diperkirakan bila sifat komponennya diketahui dengan teliti dan tepat.

Pauling dan Corey menemukan corak struktur periodik yang lain yang dinamakan lembar berlipat β (disebut β sebab merupakan struktur kedua yang mereka temukan sedangkan heliks α sebagai struktur pertama). Lembar berlipat 0 berbeda dengan heliks a yang berbentuk batang. Rantai polipeptida lembar berlipat β disebut untai β , berbentuk lurus terentang tidak bergelung tegang seperti heliks α Jarak aksis antara asam amino yang bersebelahan adalah 3,5A sedangkan pada heliks α adalah 1,5 A. Perbedaan lain ialah pada lembar berlipat β distabilkan oleh ikatan hidrogen antara gugus NH dan CO pada rantai polipeptida berlainan, sedangkan pada heliks α ikatan hidrogen terdapat antara gugus NH dan CO pada rantai yang sama.

Rantai polipeptida yang bersebelahan pada lembar berlipat β dapat searah (lembar β paralel) atau berlawanan arah (lembar β antiparalel). Misalnya, fibroin sutra hampir seluruhnya terdiri dari tumpukan lembar β antiparalel. Bagian lembar β seperti ini merupakan struktur yang berulang pada banyak protein. Sering dijumpai unit struktur yang terdiri dari dua sampai lima untai lembar β paralel atau antiparalel.

3. Struktur Tersier Struktur tersier

menggambarkan pengaturan ruang residu asam amino yang berjauhan dalam urutan linier dan pola ikatan-ikatan disulfida. Perbedaan antara struktur sekunder dan tersier tidaklah terlalu jelas (lihat Gambar 2.15). Kolagen memperlihatkan tipe khusus suatu heliks dan merupakan protein yang paling banyak ditemukan pada mamalia. Kolagen merupakan komponen serat utama dalam kulit, tulang, tendon, tulang rawan dan gigi. Protein ekstrasel ini mengandung tiga rantai polipeptida berbentuk heliks, yang masing-masing sepanjang hampir 1000 residu. Urutan asam amino dalam kolagen sangat beraturan: tiap residu ketiga hampir selalu glisin. Dibanding dengan protein lain kandungan prolin dalam kolagen juga tinggi. Selanjutnya, kolagen mengandung 4-hidroksiprolin yang jarang ditemukan dalam protein lain. Urutan glisin-prolin-hidroksiprolin (Gly-ProHyp) sering kali dijumpai.

3000 o A dengan diameter hanya 15 o A . Corak heliks dari gabungan ketiga rantai polipeptida, sama sekali berbeda dengan heliks α dalam satu untai tidak ditemukan ikatan hidrogen. Tetapi, masing-masing untai heliks kolagen distabilkan oleh daya tolak menolak cincin pirolidin residu prolin dan hidroksiprolin. Dalam bentuk heliks ini yang lebih terbuka daripada heliks yang terpilin tegang, cincin-cincin pirolidon berjauhan letaknya. Ketiga untai polipeptida saling berbelit membentuk superheliks. Jarak aksis tiap residu dalam superheliks adalah 2,9 o A dengan hampir tiga residu pada tiap putaran. Ketiga untai heliks ini saling berikatan melalui ikatan hidrogen. Sebagai donor hidrogen adalah gugus NH residu glisin dan gugus CO residu pada rantai yang berlainan bertindak sebagai akseptor hidrogen. Gugus hidroksil residu hidroksiprolin juga berperan pada pembentukan ikatan hidrogen. Dengan ini dapat dimengerti mengapa glisin menempatkan diri pada tiap posisi ketiga pada rentangan seribu residu yang membentuk heliks kolagen. Bagian dalam heliks tiga untai ini sangat padat. Ternyata glisin merupakan satu-satunya residu yang cocok pada bagian dalam. Karena ada tiga residu pada tiap putaran heliks, maka tiap residu ketiga pada setiap untai tersebut haruslah glisin. Residu asam amino bersebelahan dengan glisin terletak pada bagian luar untai dan ruang ini cukup untuk residu prolin dan hidroksiprolin yang besar. Protein yang terdiri atas lebih dari satu rantai polipeptida mempunyai tingkat organisasi struktural tambahan. Masing-masing rantai polipeptida disebut sub unit. Struktur kuarterner menggambarkan pengaturan sub unit protein dalam ruang. Misalnya hemoglobin, terdiri atas dua rantai α dan dua rantai β. Susunan sub unit hemoglobin pada tetramer ini berperan pada komunikasi antartempat pengikatan O2, C O2, dan H+ yang berjauhan. Virus sangat memanfaatkan informasi genetik yang terbatas dengan membentuk selubung yang terdiri dari sub unit-sub unit yang sama secara berulang di dalam susunan yang simetris.

permasalahan 

1. jeaskan apa itu ikatan peptida dan rantai polipeptida  ?

2. apa yang dimaksud dengan  dua struktur polipeptida yang disebut heliks α dan lembar berlipat β ?

3. apa perbedaan antara struktur primer, sekunder dan tersier protein?