protein dan enzim
advertisement
PROTEIN I GEDE SUDIRGAYASA PENDAHULUAN Kemungkinan sempat terlintas pertanyaan dalam pikiran kita bahwa bagaimana kita yang berawal dari zigot yang kita ketahui hanya berupa satu sel mampu tumbuh besar menjadi manusia dewasa dengan miliaran sel dalam tubuh kita. Namun demikian ada juga beberapa kasus seperti orang kerdil yang mungkin kita jumpai. Di lain kasus ada juga pertumbuhan orang yang super tinggi bagai raksasa. Beberapa pertanyaan lain mungkin juga muncul begitu saja ketika kita memikirkan hal tersebut. Misalnya telor ayam yang biasa kita konsumsi apakah memang diciptakan untuk kita makan. Dan rasanyapun cukup enak. Namun jika dierami oleh induknya dalam waktu tertentu, telur yang kita lihat hanya terdiri dari putih dan kuning telur tersebut akan menetas menjadi anak ayam. Luar biasa sekali ayam bisa “muncul” dari telur tersebut. Kita juga mengetahui bahwa kita perlu makan makanan yang bergisi jika ingin tumbuh dan hidup sehat. Lalu apakah ayam dalam telur tersebut makan? Belakangan ini juga banyak kita lihat baik melalui media cetak maupun elektronik suatu penelitian yang dilakukan oleh kelompok ilmuan untuk menjawab tantangan melawan penuaan. Tentunya untuk mencapai bisa berhasil dibutuhkan suatu pengetahuan dasar tentang bagaimana mekanisme penuaan itu sendiri. Factor-faktor apa saja yang terlibat, bagaimana cara factor tersebut mempengaruhi dan lain sebagainya. Pertanyaan lain misalnya bagaimana jika di dalam lambung kita tidak mengandung molekul-molekul yang membantu mencerna makanan? Bayangkan juga seekor anaconda mampu menelan seekor babi ke dalam perutnya yang akan tercerna sempurna dalam beberapa bulan. Pertanyaan-pertanyaan di atas akan mulai menjadi jelas jika kita melihat ke dalam reaksi yang terjadi pada level sel yang begitu rumit namun teratur yang keseluruhannya diistilahkan dengan metabolisme. Salah satu molekul penting yang berperan dalam metabolisme sel organisme adalah enzim. Anabolisme atau reaksi pembentukan serta katabolisme atau reaksi pemecahan silih berganti dilakukan oleh sel dengan bantuan enzim dalam rangka sintesis protein sebagai molekul pembangun yang berkontribusi dalam pertumbuhan kita. Sel juga melakukan reaksi untuk mensinteis suatu protein hormone yang akan mengkoordinasi aktivitas kita. Agar reaksi di dalam sel sendiri berjalan efektif, sel juga mensintesis molekul katalitik yang kita kenal dengan enzim yang juga merupakan molekul protein termodifikasi kusus. Dalam tulisan ini kami akan coba membahas prinsip-prinsip dasar tentang protein serta enzim yang begitu beragam serta berperan sentral dalam menjamin kelangsungan hidup suatu organisme . A. Protein 1. Prinsip polimer Protein merupakan salah satu jenis makromolekul kehidupan selain karbohidrat, lipid, dan asam nukleat. Oleh karena itu, sebelum membahas lebih jauh mengenai hubungan struktur dan fungsi dari protein sabagai suatu makromolekul, pertama akan dibahas mengenai generalisasi umum bagaimana sel menyusun molekul besar tersebut dari molekul yang lebih kecil. a. Sebagian besar makromolekul adalah polimer Tiga molekul besar di antara empat kategori senyawa organik kehidupan: karbohidrat, protein, dan asam nukleat adalah molekul yang menyerupai rantai yang disebut polimer ( dari bahasa Yunani polys, berarti “banyak”, dan meris yang berarti “bagian”). Polimer adalah suatu molekul panjang yang terdiri dari banyak blok penyusun yang identik atau serupa yang dihubungkan dengan ikatan-ikatan kovalen, mirip seperti kereta api yang terdiri dari rangkaian gerbong. Unit-unit yang disusun berulang-ulang yang berfungsi sebagai blok penyusun suatu polimer adalah molekul kecil yang disebut monomer. Beberapa molekul tersebut yang berfungsi sebagai monomer juga memiliki fungsi lain. Makromolekul polimer berbeda sifatnya dari monomer penyusunnya, akan tetapi mekanisme kimiawi yang digunakan sel untuk membuat dan memutus polimer secara mendasar adalah sama. Monomer-monomer dihubungkan melalui suatu reaksi di mana dua molekul berikatan secara kovalen satu sama lain melalui pelepasan satu molekul air; reaksi ini disebut reaksi kondensasi atau reaksi dehidrasi karena molekul yang hilang adalah air. Ketika ikatan terbentuk antara dua monomer, setiap monomer menyumbangkan bagian dari molekul air yang hilang itu: satu molekul memberikan gugus hidroksil ( -OH), sementara yang lainnya memberikan hidrogen (-H). Untuk membuat suatu polimer, reaksi ini dilakukan secara berulang saat monomer ditambahkan ke rantai itu satu demi satu. Sel harus mengeluarkan energi untuk melaksanakan reaksi kondensasi ini, dan proses ini terjadi hanya dengan bantuan enzim, suatu protein terspesialisasi yang mempercepat laju reaksi kimiawi dalam sel yang akan kita bahas nanti. Polimer akan diurai menjadi monomernya melalui hidrolisis, suatu proses yang pada prinsipnya merupakan kebalikan dari reaksi dehidrasi. Hidrolisis berarti memutus dengan air ( dari bahasa Yunani hydro berarti “air” dan lysis berarti “memutus”). Ikatan dari monomer-monomer diputuskan dengan penambahan molekul air, hidrogen dari molekul air terikat dengan satu monomer, dan gugus hidroksil terikat dengan monomer didekatnya. Contoh hidrolisis yang bekerja dalam tubuh kita adalah proses pencernaan. Sejumlah besar materi organik dalam makanan kita berbentuk polimer yang terlalu besar untuk dapat masuk ke dalam sel kita. Di dalam saluran pencernaan, berbagai enzim menghancurkan polimer itu sehingga mempercepat hidrolisis. Monomer yang dibebaskan kemudian diserap ke dalam aliran darah untuk didistribusikan ke seluruh sel-sel tubuh. Sel-sel itu kemudian dapat menggunakan reaksi dehidrasi untuk merakit monomer itu menjadi polimer baru yang berbeda dari polimer yang dicerna sebelumnya. Gambar 1. Sintesis dan Perombakan Polimer b. Variasi polimer yang sangat banyak dapat dibangun dari sekumpulan kecil monomer. Masing-masing sel memiliki ribuan jenis makromolekul yang berbeda. Jenisjenis makromolekul tersebut bervariasi dari satu jenis sel ke jenis sel yang lain dalam organisme yang sama. Perbedaan yang hakiki antara saudara sekandung menggambarkan variasi dalam polimer, kususnya DNA dan protein. Perbedaan molekuler antara individu-individu yang tidak saling berkerabat, jauh lebih besar lagi, dan perbedaan antara spesies-spesies makin besar lagi. Keragaman makromolekul dalam dunia kehidupan sangat besar dan potensi keragaman sungguh tak terbatas. Apa yang menjadi dasar keragaman seperti itu dalam polimer kehidupan? Molekul-molekul ini disusun hanya dari 40 sampai 50 monomer yang umum dan beberapa monomer lain yang jarang sekali muncul. Pembentukan keragaman polimer yang begitu besar dari monomer-monomer yang jumlahnya terbatas analog dengan menyusun ratusan ribu kata hanya dari 26 huruf alfabet. Kuncinya adalah pengaturan, variasi urutan linier dari unit-unit penyusunnya. Protein misalnya, dibangun dari 20 jenis asam amino yang tersusun dalam rantai dengan ratusan asam amino panjangnya. Molekul-molekul kecil yang dimiliki oleh semua organisme disusun menjadi makromolekul yang unik. Prinsip yang perlu diingat bahwa makromolekul memiliki sifat-sifat baru yang tidak ditemukan pada blok-blok penyusunnya. 2. Protein perkakas molekuler sel Peran penting protein dapat dilihat dari namanya yang berasal dari bahasa Yunani proteios yang artinya “tempat pertama.” Protein meliputi 50% bobot kering sebagian besar sel, dan molekul ini sangat berguna sebagai alat bantu dalam hampir setiap hal yang dilakukan oleh organisme. Protein digunakan untuk dukungan struktural, penyimpanan, transport substansi lain, pengiriman sinyal dari satu bagian organisme ke bagian lain, pergerakan, dan pertahanan melawan substansi asing. Sebagai emzim, protein juga mengatur metabolism. Manusia memiliki puluhan ribu protein yang berbeda, masing-masing dengan struktur dan fungsi yang spesifik. Table 1. Gambaran Umum Fungsi Protein JENIS PROTEIN FUNGSI CONTOH GAMBAR Protein structural Pendukung Serangga dan laba laba menggunakan serat sutera, masing-masing untuk membentuk kokon dan sarangnya Protein simpanan Cadangan asam amino Protein transport Mengangkut substansi lain Protein hormonal Koordinasi aktivitas organism Ovalbumin adalah protein pada putih telur yang digunakan sebagai sumber asam amino bagi embrio yang sedang berkembang, kasein protein susu merupakan sumber asam amino untuk bayi mamalia. Tumbuhan memiliki protein cadangan di dalam bijinya Hemoglobin, protein yang mengandung besi dalam darah vertebrata mengangkut oksigen dari paru paru ke bagian tubuh lain. Protein transport lainnya mengangkut molekul melewati membrane sel Insulin, suatu hormone yang disekresi oleh pancreas membantu mengatur konsentrasi gula dalam darah vertebrata Protein reseptor Protein kontraktil Protein pertahanan Protein enzimatik Respon sel terhadap rangsangan kimiawi Reseptor yang ada di dalam membrane sel-sel saraf akan mendeteksi sinyal kimiawi yang dilepaskan oleh selsel saraf lainnya Pergerakan Aktin dan myosin bertanggung jawab atas pergerakan otot. Protein kontraktil bertanggung jawab atas pergerakan atau getaran silia dan flagella yang menggerakkan banyak sel Perlindungan Antibody terhadap menyerang bakteri penyakit dan virus Percepatan reaksi-reaksi kimiawi secara selektif Enzim pencernaan menghidrolisis polimer dalam makanan Protein merupakan molekul yang dikenal mempunyai struktur paling rumit. Sesuai dengan fungsinya yang beragam itu, molekul protein sangat beragam strukturnya. Setiap jenis protein memiliki bentuk tiga dimensi atau konformasi yang unik. Meskipun protein beragam, semua molekul protein merupakan polimer yang dibangun dari kumpulan 20 asam amino yang sama. Polimer asam amino disebut polipeptida. Suatu protein terdiri atas satu atau lebih polipeptida yang terlipat dan terbelit membentuk suatu kesesuaian yang spesifik (Campbell, 2004). a. Polipeptida adalah polimer asam amino yang dihubungkan dalam suatu urutan yang spesifik Asam amino adalah molekul organik yang memiliki gugus karboksil dan gugus amino. Pada bagian pusat asam amino terdapat suatu atom karbon asimetrik. Keempat pasangannya yang berbeda itu adalah gugus amino, gugus karboksil, atom hidrogen dan berbagai gugus yang disimbulkan dengan R. Gugus R itu yang juga disebut rantai samping. Gugus R bisa sesederhana seperti atom hidrogen, misalnya pada asam amino glisin, atau bisa juga suatu kerangka karbon dengan berbagai gugus fungsional yang terikat seperti pada glutamin. Gambar 2. Rumus Umum Asam Amino Sifat kimiawi dan fisik rantai samping akan menentukan karakteristik yang unik dari suatu asam amino tertentu. Pada gambar 3. asam amino dikelompokkan sesuai sifat rantai sampingnya. Satu kelompok terdiri atas asam amino dengan rantai samping nonpolar, yang bersifat hidrofobik. Kelompok lain terdiri atas asam amino dengan rantai samping polar yang bersifat hidrofilik. Asam amino bersifat asam atau asidik adalah asam amino dengan rantai samping yang umumnya bermuatan negatif akibat kehadiran suatu gugus karboksil yang umumnya terurai (terionisasi) pada tingkat pH seluler. Asam amino bersifat basa atau basik mempunyai gugus amino pada rantai sampingnya yang umumnya bermuatan positif. Karena bersifat ionik, rantai samping asidik dan basik juga bersifat hidrofilik. Bagaimana asam amino berikatan membentuk polimer? Ketika dua asam amino diposisikan sedemikian rupa sehingga gugus karboksil dari satu asam amino berdekatan dengan gugus amino dari asam amino yang lain, suatu enzim akan dapat menyatukan kedua asam amino tersebut melalui reaksi dehidrasi. Ikatan kovalen yang dihasilkan disebut ikatan peptida. Jika dilakukan berulang-ulang, proses ini akan menghasilkan polipeptida, suatu polimer yang terdiri dari banyak asam amino yang berikatan melalui ikatan peptida. Pada salah satu ujung rantai polipeptida itu terdapat satu gugus amino bebas. Dengan demikian, rantai tersebut memiliki polaritas dengan ujung amino ( terminal N) dan ujung karboksil ( terminal C). Panjang polipeptida berkisar mulai dari hanya beberapa monomer sampai ke seribu monomer atau lebih setiap polipeptida spesifik memiliki urutan linier yang unik yang terdiri dari asam-asam amino. Keragaman polipeptida yang begitu besar yang ditemukan di alam ini menggambarkan konsep penting yang telah dibahas sebelumnya bahwa sel dapat menghubungkan sejumlah monomer yang terbatas ke dalam urutan yang sangat beragam. Dari sekitar dua puluhan asam amino yang kita kenal, sekitar sepuluh macam tidak bisa dibentuk oleh tubuh manusia dan harus didatangkan dari asupan makanan. Itulah yang disebut asam amino esensial, sering juga disebut asam amino indispensable. Asam amino esensial ini diperlukan untuk pertumbuhan tubuh. Jika kekurangan kelompok asam amino ini akan menderita busung lapar (kwashiorkor). Itu sebabnya asupan asam amino yang cukup dari makanan selalu diperlukan setiap hari. Asam amino yang termasuk ke dalam kelompok esensial diantaranya : Histidine, Isoleucine, Leucine, Lysine, Methionine, Phenylalanine, Threonine, Tryptophan, Valine. Tabel 2. 20 Asam Amino Penyusun Protein Sebenarnya dari beberapa jenis asam amino esensial seperti arginin dapat dibuat oleh tubuh, tetapi prosesnya sangat lambat dan tidak mencukupi untuk seluruh kebutuhan. Jadi juga harus disuplai dari makanan. Selain itu beberapa jenis asam amino juga berfungsi saling melengkapi satu sama lain. Contohnya metionin diperlukan untuk memproduksi cystein, atau fenilalanin diperlukan untuk membentuk tirosin. Ada sepuluh asam amino yang bisa dibentuk oleh tubuh manusia, dan disebut asam amino non esensial atau asam amino dispensable. Karena bisa dibentuk sendiri oleh tubuh maka tidak harus memperoleh asupan dari makanan. Yang termasuk asam amino nonesensial diantaranya: Alanine, Arginine, Asparagine, Aspartic acid, Cysteine, Glutamic acid, Glutamine, Glycine, Proline, Selenocysteine, Serine, Taurine, Tyrosine, Ornithine. Gambar 3. Pembentukan rantai polipeptida b. Fungsi suatu protein bergantung pada bentuk spesifiknya “Polipeptida” tidaklah persis bersinonim dengan “protein”. Hubungannya analog dengan hubungan antara untaian benang panjang dan sebuah sweater dengan ukuran dan bentuk tertentu yang dapat dirajut dari benang tersebut. Suatu protein fungsional bukanlah sekedar rantai polipeptida, akan tetapi satu atau lebih polipeptida yang dipelintir, dilipat, dan dililit secara tepat menjadi suatu molekul dengan bentuk yang unik. Urutan asam amino suatu polipeptida itulah yang menentukan konformasi tiga dimensi apa yang akan diambil oleh protein tersebut. Banyak protein berbentuk globuler (secara kasar agak bulat), sementara yang lain bentuknya seperti serat. Namun demikian, di dalam kategori yang luas ini, mungkin terjadi variasi yang tak terhitung. Konformasi spesifik suatu protein akan menentukan bagaimana protein tersebut bekerja. Dalam hampir setiap kasus, fungsi suatu protein bergantung pada kemampuannya untuk mengenal dan berikatan dengan beberapa molekul lain. Misalnya suatu antibody berikatan dengan suatu substansi asing tertentu yang telah menyerang tubuh, dan suatu enzim mengenali dan berikatan dengan substratnya. 1) Empat tingkatan struktur protein Ketika sebuah sel mensintesis suatu polipeptida, rantai itu umumnya melipat secara spontan mengambil konformasi fungsional protein tersebut. Pelipatan tersebut digerakkan dan diperkuat oleh pembentukan berbagai macam ikatan di antara bagian-bagian rantai itu. Dalam arsitektur kompleks suatu protein, dikenal tiga tingkatan struktur yang saling berimpitan yang disebut struktur primer, sekunder dan tersier. Tingkatan keempat, struktur kuaterner, terjadi ketika suatu protein terdiri atas dua atau lebih rantai polipeptida. Struktur primer suatu protein adalah adalah urutan uniknya yang terdiri dari asam amino. Misalnya struktur primer lisozim, suatu enzim antibakteri. Lisozim adalah protein yang relatif kecil yang hanya 129 asam amino panjangnya. Masing-masing dari 20 asam amino menempati setiap 129 posisi di sepanjang rantai itu. Struktur primer mirip dengan tatanan huruf dalam sebuah kata yang sangat panjang. Jika dibiarkan membentuk sendiri akan ada 20129 cara yang berbeda untuk mengatur asam amino menjadi suatu rantai polipeptida sepanjang ini. Namun, struktur primer suatu protein yang tepat tidak ditentukan oleh ikatan acak asam amino itu, akan tetapi oleh informasi genetik yang diwarisi. Gambar 4. Struktur primer protein Perubahan yang sedikit sekalipun dalam struktur primer akan dapat mempengaruhi konformasi protein dan kemampuannya untuk digunakan. Misalnya substitusi satu asam amino dengan asam amino yang lain pada posisi tertentu pada struktur primer hemoglobin, menyebabkan anemia sel sabit yaitu suatu kelainan darah turunan. Yang mempelopori penentuan struktur primer protein adalah Frederick Sanger, yang bersama-sama dengan koleganya di Cambridge University di Inggris, mengerjakan urutan asam amino hormon insulin pada akhir tahun 1940an dan awal tahun 1950-an. Pendekatan yang digunakan adalah dengan menggunakan enzim pencerna protein dan katalis lain yang memutuskan polipeptida pada tempat-tempat spesifik. Perlakuan dengan salahs satu agen tersebut akan memotong-motong pelipeptida menjadi fragmen-fragmen yang dapat dipisahkan melalui kromatografi. Hidrolosis dengan agen lain akan memutuskan polipeptida itu pada tempat yang berbeda, yang menghasilkan kelompok pragmen yang lain. Sanger menggunakan metode kimiawi untuk menentukan urutan asam amino pada fragmen-fragmen kecil itu. Selanjutnya ia mencari daerah tumpang tindih di antara potongan yang diperoleh melalui hidrolisis dengan agen yang berbeda. Misalnya dua fragmen dengan urutan sebagai berikut: Cys-Ser-Leu-Tyr-Gln-Leu Tyr-Gln-Leu-Glu-Asn Kita dapat menyimpulkan dari daerah yang tumpang tindih tersebut maka urutan utuh mengandung segmen sebagai berikut: Cys-Ser-Leu-Tyr-Gln-Leu-Glu-Asn Sanger dan koleganya mampu menyusun ulang struktur primer insulin secara lengkap setelah melakukan upaya bertahun-tahun. Setelah itu sebagian besar langkah yang terlibat dalam pengurutan suatu polipeptida telah diotomatisasikan dengan mesin. Namun demikian, analisis insulin Sanger-lah yang pertama kali mendemonstrasikan apa yang sekarang merupakan suatu aksioma mendasar biologi molekuler: Setiap jenis protein memiliki struktur primer yang unik, suatu urutan asam-asam amino yang tepat. Struktur sekunder. Sebagian besar protein memiliki segmen-segmen dalam rantai polipeptidanya yang terlilit dan terlipat secara berulang dalam pola yang membentuk protein secara keseluruhan. Lilitan dan lipatan ini, yang secara keseluruhan disebut sebagai struktur sekunder. Struktur ini merupakan hasil dari ikatan-ikatan hydrogen pada interval beraturan di sepanjang tulang belakang polipeptida tersebut. Karena bersifat elektronegatif, baik atom oksigen dan nitrogen tulang belakang itu bermuatan negatif lemah. Atom hydrogen bermuatan positif lemah yang berikatan dengan atom nitrogen memiliki afinitas terhadap atom oksigen pada ikatan peptida didekatnya. Secara individual, ikatan hydrogen ini adalah lemah, tetapi karena berulang beberapa kali dalam suatu daerah rantai polipeptida yang relative panjang, ikatan ini dapat mendukung suatu bentuk kusus untuk bagian protein tersebut. Salah satu struktur sekunder seperti itu, adalah heliks alfa (α), suatu lilitan rumit yang disatukan oleh ikatan hydrogen di antara setiap empat asam amino. Jenis struktur sekunder utama lainnya adalah lembaran berlipat-lipat, di mana dua daerah rantai polipeptida terletak sejajar satu sam lain. Ikatan hydrogen antara bagian-bagian tulang belakang pada daerah sejajar itu akan menyatukan struktur tersebut. Lembar berlipat membentuk inti dari banyak protein globuler. Kita dapat melihat satu daerah seperti itu dalam lisozim. Lembaran berlipat juga mendominasi beberapa protein serat, termasuk protein sutera yang dihasilkan oleh banyak serangga dan laba-laba. Struktur tersier. Lapisan tumpang tindih di atas pola struktur sekunder adalah struktur tersier protein, yang terdiri atas pemutarbalikan tak beraturan dari ikatan antara rantai-rantai samping (gugus R) berbagai asam amino. Salah satu jenis ikatan yang berperan dalam struktur tersier disebut interaksi hidrofobik. ketika polipeptida melipat membentuk konformasi fungsionalnya, asam amino dengan rantai samping hidrofobik ( nonpolar) umumnya mengumpul membentuk kumpulan pada bagian inti protein itu, menjauhi kontak dengan air. Dengan demikian, apa yang disebut dengan interaksi hidrofobik pada dasarnya dimulai oleh perilaku molekul air yang menjauhi substansi nonpolar ketika molekul-molekul air membentuk ikatan hydrogen satu sama lain dan dengan bagian hidrofilik protein tersebut. Begitu rantai samping asam amino nonpolar mendekat satu sama lain, gaya tarik Van Der Waals menguatkan kembali interaksi hidrofobik itu. Sementara itu, ikatan hydrogen antara rantai-rantai samping polar dan ikatan ionic antara rantai-rantai samping bermuatan positif dan rantai samping bermuatan negative juga membantu menstabilkan struktur tersier. Semuanya ini merupakan interaksi lemah, akan tetapi efek kumulatifnya membuat protein mempunyai bentuk yang spesifik. Gambar 5. Tiga tingkatan struktur protein Konformasi suatu protein bias semakin diperkuat oleh ikatan kovalen kuat yang disebut jembatan disulfida. Jembatan disulfida terbentuk ketika dua monomer sistein, yaitu asam amino dengan gugus sulfhidril (-SH) pada rantai sampingnya, saling mendekat satu sama lain melalui pelipatan protein tersebut. Sulfur salah satu sistein itu berikatan dengan sulfur sistein kedua, dan jembatan disulfida (-S-S-) mematri bagian-bagian protein menjadi terikat bersama. Semua jenis ikatan-ikatan yang berbeda ini dapat terjadi pada satu protein, seperti pada gambar 6. Struktur kuaterner. Seperti telah disebutkan sebelumnya, beberapa protein terdiri atas dua atau lebih polipeptida yang mengumpul menjadi satu makromolekul yang fungsional. Struktur kuaterner adalah keseluruhan struktur protein yang dihasilkan dari penggabungan semua subunit polipeptida itu. Misalnya kolagen adalah suatu protein serat yang mempunyai subunit heliks yang mengalami superkoil atau superlilitan menjadi suatu heliks rangkap tiga yang lebih besar. Organisasi kolagen superkoil ini, mirip seperti konstruksi sebuah tali, memberikan kekuatan yang sangat besar kepada serat yang panjang tersebut. Hal tersebut sesuai dengan fungsi serat kolagen sebagai balok penopang jaringan ikat, seperti tendon dan ligament. Hemoglobin merupakan salah satu contoh protein globuler dengan struktur kuaterner. Protein ini terdiri dari dua jenis rantai polipeptida di mana pada tiap molekul hemoglobin terdapat dua buah dari masing-masing jenis rantai. Gambar 6. Contoh ikatan yang berperan dalam pembentukan struktur tersier protein 2) Apa yang menentukan konformasi protein? Kita telah mengetahui bahwa konformasi yang unik menyebabkan setiap protein mempunyai fungsi spesifik, namun apa factor kunci yang menentukan konformasi? Rantai polipeptida dengan suatu urutan asam amino tertentu dapat secara spontan mengatur diri mengambil suatu bentuk tiga dimensi yang dipertahankan oleh interaksi-interaksi yang menyebabkan struktur sekunder dan tersier. Keadaan ini terjadi secara normal ketika protein tersebut sedang disintesis di dalam sel. Namun, konformasi protein juga tergantung pada kondisi fisik dan kimiawi lingkungan protein tersebut. Jika pH, konsentrasi garam, suhu atau aspek lain dari lingkungan diubah, maka protein tersebut bisa terbuka dan kehilangan konformasi aslinya, suatu perubahan yang disebut denaturasi. Setelah berubah bentuk, protein terdenaturasi tersebut menjadi inaktif secara biologis. Sebagian besar protein menjadi terdenaturasi jika protein tersebut dipindahkan dari lingkungan aqueous ke suatu pelarut organic seperti eter atau kloroform. Protein tersebut akan menjadi terbalik ( bagian luar masuk ke bagian dalam ), daerah hidrofobiknya berganti tempat dengan bagian hidrofiliknya. Agen denaturasi lain meliputi bahan kimiawi yang merusak atau mengganggu ikatan hidrogen, ikatan ionik dan jembatan disulfida yang mempertahankan suatu bentuk protein. Denaturasi juga disebabkan oleh panas yang berlebihan yang merangsang rantai polipeptida itu sedemikian rupa sehingga cukup mengatasi interaksi lemah yang menstabilkan konformasi tersebut. Gambar 7. Denaturasi dan renaturasi protein Ketika suatu protein dalam larutan tabung reaksi didenaturasi oleh panas atau bahan kimiawi, protein tersebut sering kali akan kembali ke bentuk fungsionalnya bila agen pendenaturasinya dihilangkan. Dengan demikian dapat dikatakan bahwa informasi untuk membangun suatu bentuk spesifik protein bersifat intrinsik dalam struktur primer protein itu. Urutan asam amino menentukan konformasi di mana heliks α dapat terbentuk, di mana lembaran berlipat-lipat dapat terjadi, di mana jembatan disulfida berada, di mana ikatan ionik dapat terbentuk dan selanjutnya. Akan tetapi di dalam lingkungan yang penuh sesak di dalam suatu sel, pelipatan ulang suatu protein terdenaturasi dan bahkan pelipatan yang benar selama sintesis protein mungkin lebih merupakan masalah. 3) Masalah pelipatan protein Para ahli biokimia telah mengetahui urutan asam amino lebih dari 100.000 protein dan sekitar 10.000 bentuk tiga dimensi. Mungkin kita akan berpikir bahwa dengan menghubungkan struktur primer berbagai protein dengan konformasinya, akan memungkinkan untuk menemukan aturan pelipatan protein kususnya dengan bantuan komputer. Akan tetapi permasalahan pelipatan protein tidaklah sesederhana itu. Sebagian besar protein barangkali mengalami bentuk intermediet sebelum mencapai konformasi stabilnya, dan dengan hanya melihat konformasi yang “matang “ tersebut tidak akan mengungkapkan tahapan pelipatan yang diperlukan untuk mencapai bentuk itu. Namun, para ahli biokimia telah mengembangkan metode untuk pelacakan suatu protein yang melalui tahapan pelipatan intermedietnya. Para peneliti juga telah menemukan protein chaperone, molekul yang berfungsi sebagai penahan atau penguat temporer yang membantu pelipatan protein lain. Permasalahan pelipatan protein sangat penting artinya. Jika aturan pelipatan protein telah diketahui, seharusnya akan memungkinkan untuk merancang protein yang akan melakukan suatu tugas spesifik dengan cara membuat suatu rantai polipeptida dengan urutan asam amino yang tepat. 3. Sintesis protein Sebelum membahas bagaimana gen mengatur sintesis protein, akan dibahas terlebih dahulu mengenai hubungan antara gen dan protein. a. Satu gen satu polipeptida Setelah para ahli dan peneliti mempelajari lebih lanjut tentang protein, mereka membuat revisi kecil mengenai hipotesis satu gen satu enzim. Tidak semua protein adalah enzim. Keratin, protein structural pada rambut hewan dan hormone insulin merupakan contoh protein yang bukan enzim. Oleh karena protein yang bukan enzim bagaimanapun juga adalah produk dari gen, ahli biologi molekuler mulai berpikir dari sudut pandang satu gen satu protein. Namun demikian, banyak protein terdiri dari dua atau lebih rantai polipeptida yang berbeda,dan setiap polipeptida ditentukan oleh gennya masing-masing. Contohnya hemoglobin, protein pentranspor oksigen dalam sel darah merah vertebrata, terbentuk dari dua jenis polipeptida yang artinya protein ini di kode oleh dua gen. Oleh karena itu hipotesis menjadi satu gen satu polipeptida. Namun lebih umum disebut protein bukannya polipeptida sebagai produk gen. Gambar 8. Gambaran umum sintesis protein b. Transkripsi dan translasi merupakan dua proses utama yang menghubungkan gen ke protein Gen memberi perintah untuk membuat protein tertentu. Tetapi gen tidak membangun protein secara langsung. Jembatan antara DNA dan sintesis protein adalah RNA. RNA secara kimiawi serupa dengan DNA, terkecuali bahwa RNA mengandung ribosa bukan deoksiribosa sebagai gulanya, dan memiliki basa nitrogen urasil bukan timin. Dengan demikian, setiap nukleotida di sepanjang untai DNA memiliki deoksiribosa sebagai gulanya dan A, G, C atau T sebagai basanya. Setiap nukleotida di sepanjang untai RNA memiliki ribose sebagai gulanya dan A, G, C, atau U sebagai basanya. Suatu molekul RNA hampir selalu terdiri dari satu untai tunggal. Gen biasanya panjangnya mencapai ratusan atau ribuan nukleotida dengan urutan basanya masing-masing yang spesifik. Setiap polipeptida dari suatu protein juga memiliki monomer yang memiliki susunan dalam tatanan linier tertentu. Tetapi monomernya adalah keduapuluh asam amino tersebut. Dengan demikian asam nukleat dan protein berisi informasi yang ditulis dalam dua bahasa kimiawi yang berbeda. Untuk beralih dari DNA yang ditulis dalam suatu bahasa ke protein yang ditulis dalam bahasa lain, membutuhkan dua tahapan utama yaitu transkripsi dan translasi. Gambar 9. Heliks ganda DNA Transkripsi merupakan sintesis RNA berdasarkan arahan DNA. Kedua asam nukleat menggunakan bahasa yang sama dan informasinya tinggal ditranskripsi atau disalin dari satu molekul ke molekul yang lain. Transkripsi menyediakan suatu cetakan untuk penyusunan urutan nukleotida DNA. Molekul RNA yang dihasilkan merupakan transkrip penuh dari instruksi-instruksi pembangun protein dari gen tersebut. Jenis molekul RNA ini disebut RNA mesenjer ( mRNA ), karena molekul ini membawa pesan dari DNA ke peralatan pensintesis protein dari sel tersebut. Translasi merupakan sintesis polipeptida yang sesungguhnya yang terjadi berdasarkan arahan mRNA. Selama tahapan ini terdapat perubahan bahasa. Sel tersebut harus mentranslasi ( menerjemahkan ) urutan basa molekul mRNA ke dalam urutan asam amino polipeptida. Tempat-tempat translasi ini adalah ribosom, partikel kompleks yang memfasilitasi perangkaian secara teratur asam amino menjadi rantai polipeptida. Dari uraian di atas dapat kita sederhanakan bahwa gen memprogram sintesis protein melalui pesan genetic dalam bentuk mRNA. Dengan kata lain, sel diatur oleh rantai perintah molekuler: DNA→RNA→protein. c. Dalam kode genetic, triplet nukleotida menentukan asam amino Ketika mulai diketahui bahwa perintah untuk sintesis protein dikodekan dalam DNA, para peneliti menyadari adanya masalah. Hanya ada 4 nukleotida untuk menentukan 20 asam amino. Jika setiap basa nukleotida ditranslasi ke dalam asam amino, hanya 4 dari keduapuluh asam amino itu yang dapat ditentukan. Bagaimana jika kode 2 huruf? Misalnya AG dapat menentukan satu asam amino, dan GT dapat menentukan asam amino yang lain. Karena terdapat 4 basa maka kemungkinan susunan yang dapat dihasilkan adalah 42 yaitu 16. Sehingga masih belum cukup untuk mengkode ke 20 asam amino. Triplet nukleotida merupakan unit terkecil dengan panjang seragam yang dapat mengkode seluruh asam amino. Jika tiga basa berurutan menentukan satu asam amino, maka terdapat 43 yaitu 64 kemungkinan kode, lebih dari cukup untuk menentukan asam amino tersebut. Sel tidak dapat secara langsung mentranslasi gen menjadi asam amino. Langkah antaranya adalah transkripsi dimana selama transkripsi inilah gen tersebut menentukan urutan triplet basa disepanjang molekul mRNA. Untuk setiap gen, hanya salah satu dari dua untai DNA yang ditranskripsi. Untai ini disebut untai cetakan, karena untai ini memberikan cetakan untuk menata urutan nukleotida dalam transkrip RNA. DNA yang ada dapat menjadi untai cetakan di beberapa daerah dalam suatu molekul DNA. Sumber, biologi Campbell 9 Gambar 10. Kamus kode genetik Molekul mRNA lebih merupakan komplementer daripada identik dengan cetakan DNAnya karena basa RNA disusun pada cetakan tersebut berdasarkan aturan pemasangan basa. Pasangan ini serupa dengan pasangan yang terbentuk selama replikasi DNA. Namun pada RNA basa U menggantikan T yang berpasangan dengan A. Dengan demikian, apabila untai DNA ditranskripsi, triplet basa ACC dalam DNA menyediakan cetakan untuk UGG dalam molekul mRNA tersebut. Triplet basa ini disebut kodon. Misalnya, UGG merupakan kodon untuk asam amino triptofan ( disingkat Trp). Selama translasi, urutan kodon di sepanjang mRNA dikode atau ditranslasi menjadi urutan asam amino yang menyusun suatu rantai polipeptida. Setiap kodon di sepanjang mRNA menentukan yang mana dari keduapuluh asam amino itu yang akan dimasukkan pada posisi yang sesuai di sepanjang polipeptida. Karena kodon merupakan triplet basa, jumlah nukleotida yang menyusun pesan genetic haruslah tiga kali jumlah asam amino yang menyusun produk protein tersebut. Misalnya dibutuhkan 300 nukleotida di sepanjang untai RNA untuk mengkode polipeptida yang panjangnya 100 asam amino. Dari uraian di atas dapat kita ringkas bahwa informasi genetic dikode sebagai suatu urutan triplet basa yang tidak tumpang tindih atau kodon, yang masingmasing ditranslasi menjadi asam amino spesifik selama sintesis protein. Gambar 11. Kode triplet d. Translasi adalah sintesis polipeptida yang diarahkan oleh RNA Kita dapat membagi translasi, sintesis rantai polipeptida ke dalam tiga tahapan: inisiasi, elongasi, dan terminasi. Semua tahapan ini memerlukan faktor-faktor protein yang membantu mRNA, tRNA dan ribosom selama proses translasi. Inisiasi. Tahap inisiasi membawa bersama-sama mRNA, sebuah tRNA yang membawa asam amino pertama, dan dua subunit ribosom. Pertama subunit ribosom kecil mengikatkan diri pada mRNA dan tRNA inisiator kusus. Pada arah downstream dari mRNA terdapat kodon inisiasi AUG yang memberikan sinyal dimulainya proses translasi. tRNA inisiator yang membawa asam amino metionin melekat pada kodon inisiasi. Gambar 12. Inisiasi translasi Penyatuan mRNA, tRNA inisiator dan subunit ribosom menyempurnakan komplek inisiasi translasi. Protein yang disebut factor inisiasi dibutuhkan untuk membawa semua komponen tersebut bersama-sama. Saat penyelesaian proses inisiasi, tRNA inisiator berada pada tempat P dari ribosom dan tempat A yang kosong siap untuk tRNA aminoasil berikutnya. Sintesis polipeptida dimulai dari ujung aminonya. Elongasi. Pada tahap elongasi dari translasi, asam-asam amino ditambahkan satu per satu pada asam amino pertama. Tiap penambahan melibatkan partisipasi beberapa protein yang disebut factor elongasi dan terjadi dalam siklus tiga tahap. 1) Pengenalan kodon. Kodon mRNA pada tempat A dari ribosom membentuk ikatan hydrogen dengan antikodon molekul tRNA yang baru masuk yang membawa asam amino yang tepat. Factor elongasi membawa tRNA ke tempat A. Langkah ini juga membutuhkan hidrolisis GTP. 2) Pembentukan ikatan peptida Molekul rRNA dari subunit ribosom besar berfungsi sebagai ribozim, mengkatalis pembentukan ikatan peptide yang menggabungkan polipeptida yang memanjang dari tempat P ke asam amino yang baru tiba di tempat A. Pada tahap ini, polipeptida memisahkan diri dari tRNA tempat pelekatannya semula, dan asam amino pada ujung karboksilnya berikatan dengan asam amino yang dibawa oleh tRNA di tempat A. 3) Translokasi tRNA di tempat A sekarang terikat pada polipeptida yang sedang tumbuh, ditranslokasikan ke tempat P. Saat RNA berpindah tempat, antikodonnya tetap berikatan dengan hydrogen pada kodon mRNA. mRNA bergerak bersama-sama dengan antikodon ini dan membawa kodon berikutnya untuk ditranslasi pada tempat A. Sementara itu, tRNA yang tadinya di tempat P bergerak ke tempat E dan dari tempat ini keluar dari ribosom. Siklus elongasi menghabiskan waktu kurang dari 1/10 detik dan terus diulang sampai rantai polipeptidanya lengkap. Gambar 13. Siklus elongasi tranlasi Terminasi. Tahap akhir translasi adalah terminasi. Elongasi berlanjut hingga kodon stop mencapai tempat A di ribosom. Triplet basa stop adalah UAA, UAG dan UGA tidak mengkode suatu asam amino melainkan bertindak sebagai sinyal untuk menghentikan translasi. Suatu protein yang disebut factor pelepas langsung mengikatkan diri pada kodon stop di tempat A. Faktor pelepas ini menyebabkan penambahan molekul air, bukan asam amino, pada rantai polipeptida. Reaksi ini menghidrolisis polipeptida yang sudah selesai ini dari tRNA yang berada di tempat P, melepaskan polipeptida dari ribosom. Sisa-sinya penyusunan translasi kemudian terpisah-pisah. Gambar 14. Terminasi translasi 4. Metabolism protein a. Biosintesis asam amino Manusia dapat membentuk 12 dari ke 20 asam amino yang umum dari zat-zat antara amfibolik glikolisis dan siklus asam sitrat . Enzim glutamate dehidrogenase, glutamine sintetase dan aminotransperase menempati posisi sentral dalam biosintesis asam amino. Kerja kombinasi ketiga enzim tersebut adalah mengubah ion ammonium menjadi nitrogen α –amino dari berbagai asam amino. Contohnya transaminasi oksaloasetat membentuk aspartat. Perubahan aspartat menjadi asparagin dikatalisis oleh asparagin sintetase yang mirip dengan glutamine sintetase. Gambar 15. Reaksi asparagin sintetase b. Katabolisme protein dan nitrogen asam mino Pada orang dewasa normal, asupan nitrogen sesuai dengan nitrogen yang diekskresikan. Ammonia yang terutama berasal dari nitrogen α-amino asam amino sangat toksik. Jaringan mengubah ammonia menjadi nitrogen amida glutamine yang nontoksik. Deaminasi glutamine selanjutnya di hati membebaskan ammonia yang kemudian diubah menjadi urea yang nontoksik. Urea merupakan produk akhir utama hasil katabolisme nitrogen pada manusia. Sintesis 1 mol urea memerlukan 3 mol ATP plus 1 mol ion ammonium dan 1 mol nitrogen α-amino aspartat. Dari enam asam amino yang ikut serta, N-asetilglutamat hanya berfungsi sebagai activator enzim. Asam amino lain berfungsi sebagai pembawa atom yang akhirnya menjadi urea. Peran metabolic utama ornitin, sitrulin dan argininosuksinat pada mamalia adalah urea. Beberapa reaksi sintesis urea terjadi pada matrik mitokondria dan reaksi lain berlangsung di sitosol (Murray, 2006). c. Katabolisme rangka karbon asam amino Katabolisme asam amino biasanya dimulai dengan transaminasi. Pengeluaran nitrogen α-amino melalui transaminasi adalah reaksi katabolic pertama asam amino kecuali prolin, hidroksiprolin, treonin, dan lisin. Rangka hidrokarbon yang tersisa kemudian diuraikan menjadi zat-zat antara amfibolik. Ganbar 16. Zat-zat amfibolik katabolisme asam amino 5. Mutasi titik serta gangguan konformasi protein dapat memiliki konsekuensi patologis Mutasi adalah perubahan materi genetic suatu sel. Jika mutasi titik terjadi pada suatu gamet maka akan diturunkan pada keturunannya. Contohnya pada penyakit sel sabit yang merupakan mutasi pada suatu pasangan pasa yang mengkode pembentukan salah satu polipeptida hemoglobin. Begitu juga halnya dengan penyakit alzhaimer, talasemia beta merupakan penyakit yang timbul dari adanya gangguan konformasi protein. Gambar 15. Penyakit sel sabit pada sel eritrosit manusia SIMPULAN Protein merupakan salah satu jenis makromolekul kehidupan selain karbohidrat, lipid, dan asam nukleat. Tiga makromolekul di antara empat kategori senyawa organik kehidupan: karbohidrat, protein, dan asam nukleat adalah molekul yang menyerupai rantai yang disebut polimer. Unit-unit yang disusun berulang-ulang yang berfungsi sebagai blok penyusun suatu polimer adalah molekul kecil yang disebut monomer. Polimer asam amino disebut polipeptida. Suatu protein terdiri atas satu atau lebih polipeptida yang terlipat dan terbelit membentuk suatu kesesuaian yang spesifik. Peran penting protein adalah digunakan untuk dukungan struktural, penyimpanan, transport substansi lain, pengiriman sinyal dari satu bagian organisme ke bagian lain, pergerakan, dan pertahanan melawan substansi asing dan sebagai enzim. Dalam arsitektur kompleks suatu protein, dikenal tiga tingkatan struktur yang saling berimpitan yang disebut struktur primer, sekunder dan tersier. Tingkatan keempat, struktur kuaterner, terjadi ketika suatu protein terdiri atas dua atau lebih rantai polipeptida. Struktur ini sangat khas untuk setiap protein agar fungsional. Sintesis protein dikontrol oleh gen dalam 2 tahapan utama yaitu transkripsi, proses sintesis RNA dan translasi, penerjemahan informasi yang dibawa RNA. Manusia dapat membentuk 12 dari ke 20 asam amino yang umum dari zat-zat antara amfibolik glikolisis dan siklus asam sitrat . Pada orang dewasa normal, asupan nitrogen sesuai dengan nitrogen yang diekskresikan. Urea merupakan produk akhir utama hasil katabolisme nitrogen pada manusia. Katabolisme asam amino biasanya dimulai dengan transaminasi. Pengeluaran nitrogen α-amino melalui transaminasi adalah reaksi katabolic pertama asam amino kecuali prolin, hidroksiprolin, treonin, dan lisin. Rangka hidrokarbon yang tersisa kemudian diuraikan menjadi zat-zat antara amfibolik. Mutasi titik serta gangguan konformasi protein dapat memiliki konsekuensi patologis. Contohnya pada penyakit sel sabit dan alzhaimer. Rujukan Boyce Sinead, Keith F Tipton. Enzyme Classification and Nomenclature. Trinity College, Dublin, Ireland Campbell, Neil A. 2004. Biologi.(terjemahan). Jakarta: Erlangga Phillips,Jhon S. dkk. 2002. Chemistry: concept and application. USA: The McGraw Hill Companies Inc. Murray, Robert K. et al. 2006. Harper’s Illustrated Biochemistry, 27th ed. The McGraw Hill Companies Inc.
