BIK D3_Struktur Fungsi dan metabolisme Protein

STRUKTUR FUNGSI DAN
METABOLISME
ASAM AMINO DAN PROTEIN
Apa itu Protein?
• Proteios: utama atau pertama (Yunani)
(Gerardus Mulder, Belanda, 1802-1880)
• Polimer dari residu asam amino yang
memiliki ikatan peptida
• Komponen penyusun sel hidup sampai
dengan 50 %
ASAM AMINO
ASAM AMINO
• Hanya asam α-amino yang fungsional
• Konfigurasi L yang dibutuhkan oleh
tubuh
• Berjumlah 20
Struktur L-Asam Amino
Gugus karboksilat
Gugus amino
+
H3 N
Gugus R
COO
α
-
H
H = Glisin
CH3 = Alanin
Kiralitas Asam Amino
α
Bayangan
cermin
Sifat kimia sama
Stereo isomer
α
Northwest line Chung-San line
-C-C-C-N-C-N
=
Aromatic
Peta Asam Amino
N+
Trp W
Arg R
Basa
-C-
-OH
Tir Y
Lis K
-C-C-C-C-NH3
+
-CN
Nan-Kan line
-C-CONH2
-C-C-CONH2
Asn N
Gln Q Amida
Asp D
Glu E Asam
-C-COOH
-C-C-COOH
-C-
-C-C C
N N+
His H
Central line Gli G
Fen F
Ala A
A
Val V
Ile I
Leu L
-CH3
C C
-C
C
-C-C-C
C
-C-C-C
-H
-C-OH
Ser S
Sis C
-C-SH
Circular line
South line
Non-polar
Polar
-C-C
OH
Alifatik
Tre T
Met M
Hidroksil
Sulfur
-C-C-S-C
Pro P
C
C
C
HN C-COOH
α
Imino,
Sirkuler
Penggolongan asam amino
bagian yang diarsir
berwarna merah
merupakan gugus
fungsi asam amino
/V
/A
mrpk asam amino
terdapat di alam
dan merupakan
penyusun protein
/L
/M
/I
P
/F
/Y
/W
/S
/P
/T
/N
/C
/Q
+
/K
/R
/H
/D
/E
SIFAT ASAM AMINO
• Memiliki serapan maksimum yang
spesifik
• Aktifitas optiknya meluruh 0,1 % per
tahun pada suhu tubuh akibat
rasemisasi spontan non enzimatik
• Berbentuk zwitter ion dalam larutannya
• Bersifat amfoter
• Memiliki sifat asam dan basa dalam satu
molekul
• Asam amino
memiliki serapan
maksimum yang
spesifik
Proton Dapat Diserap dan Dilepas
Proton： mempengaruhi muatan molekul
Pasangan
elektron
Amino
Tinggi pKa Rendah
H+
N H H+
N H
H
H
Rendah pKa Tinggi
Karboksilat
C
O H
O
O
C
O
H+
ZWITTER ION
Suasana asam
Suasana netral
Suasana basa
pK2 ~ 9
NH2 H+
R-C-H
COOH
NH2 H+
R-C-H
COOpK1 ~ 2
+1
NH2
R-C-H
COO-
5.5
0
Titik isolistrik
-1
Asam Amino Memiliki Kemampuan Bufer
pH 12
★
pK2
Titik Isoelektrik =
pI
9
NH2 H+
6
H-C-R
COO-
3
★
0
[OH] →
pK1 + pK2
2
pK1
pH Lingkungan dan Muatan
Protein
Buffer pH
10
9
8
7
Titik isoelektrik,
pI
+
6
5
4
3
0
-
Muatan total protein
-
pKa Asam Amino
Asam amino
-COOH -NH2
Gli
Ala
Val
Leu
Ile
Ser
Tre
Met
Fen
Trp
Asn
Gln
Pro
Asp
Glu
His
Sis
Tir
Lis
Arg
2.34
2.34
2.32
2.36
2.36
2.21
2.63
2.28
1.83
2.38
2.02
2.17
1.99
2.09
2.19
1.82
1.71
2.20
2.18
2.17
G
A
V
L
I
S
T
M
F
W
N
Q
P
D
E
H
C
Y
K
R
9.60
9.69
9.62
9.68
9.68
9.15
10.4
9.21
9.13
9.39
8.80
9.13
10.6
9.82
9.67
9.17
10.8
9.11
8.95
9.04
-R
pH
dua pKa
pK2
pI
pK1
pK1 + pK2
2
tiga pKa
pK3
?
3.86
4.25
6.0
8.33
10.07
10.53
12.48
pK2
?
pK1
pI ?
[OH-]
H
pertama
HOOC-CH2-C-COOH
Asam aspartat
+1
NH3+
pK1 = 2.1
H
kedua
HOOC-CH2-C-COO-
2.1 + 3.9
= 3.0
2
Titik isoelektrik
0
NH3+
pK2 = 3.9
H
-OOC-CH -C-COO2
-2
-1
NH3+ ketiga
pK3 = 9.8
H
-OOC-CH -C-COO2
NH2
pK3
-1
pK2
0
pK1
-2
+1
[OH]
REAKSI ASAM AMINO
• Reaksi gugus karboksil
• Reaksi gugus amino
• Reaksi gugus R
REAKSI GUGUS KARBOKSIL
1. Esterifikasi
•
•
Reaksi dengan alkohol dan dalam
suasana asam
Menghasilkan ester dan air
2. Dekarboksilasi
•
Dapat terjadi secara kimia atau enzimatis
REAKSI GUGUS KARBOKSIL
3. Pembentukan amida
•
•
•
•
Reaksi dengan gugus amino
Menghasilkan air
Disebut juga ikatan peptida
Reaksinya dengan Cu2+ menghasilkan
warna biru ungu (reaksi Biuret)
REAKSI GUGUS AMINA
1.
Reaksi dengan oksidator kuat
•
•
•
2.
Menggunakan HNO2 dan menghasilkan N2
Prolin tidak bereaksi dan lisin bereaksi secara lambat
Dasar penentuan reaksi Kjeldahl
Reaksi ninhidrin
•
•
•
3.
Menghasilkan amonia, CO2, dan aldehida
Menghasilkan warna biru
Reaksi dengan prolin menghasilkan kuning dan asparagin
coklat
Reaksi dengan 1-fluoro-2,4-dinitrobenzena (FDNB)
•
Membentuk 2,4-dinitrofenil yang berwarna
REAKSI GUGUS AMINA
4. Reaksi dengan danzil klorida
•
Membentuk turunan asam amino dansil yang
berfluoresensi
5. Reaksi dengan formaldehida
•
•
Terbentuk kompleks asam amino formaldehida
Melepaskan gugus karboksil bebas yang dapat
dititrasi dengan fenolftalein dan timolftalein
6. Reaksi Edman
•
Reaksi fenilisotiosianat menghasilkan
fenilhidantoin yang menjadi dasar kromatografi
REAKSI GUGUS R
• Tirosin dan histidin dapat mengion untuk
bereaksi
IKATAN PEPTIDA
• Linus Pauling dan RB Corey
• Pembentukan ikatannya melepaskan 1
molekul air
• Salah satu bentuk dari ikatan amida
• Ikatan C-N lebih pendek dari normal
• Ikatan C-N tidak dapat berotasi
• Gugus karbonil berkonfigurasi trans dengan
atom hidrogen pada gugus amino
Pembentukan Ikatan Peptida Melalui Dehidrasi
NH2
1
COOH
NH2
2
COOH
Dehidrasi
Karboimida
-H2O
O
NH2
1
C N
H
2
COOH
Suatu penta peptida
Ser-Gly-Tyr-Ala-Leu
Serilglisiltirosinilalanilleusin
Ikatan Peptida Kaku dan Datar
C
H
C
O
N
C
ASAM AMINO YANG BERPERAN DALAM
STRUKTUR PROTEIN
1.
2.
3.
4.
5.
Sistein: membentuk ikatan disulfida
Histidin: berfungsi sebagai ligan
Lisin: pengikat koenzim
Prolin: anti α-heliks
Asam amino polar: membentuk ikatan
ionik
ASAM AMINO BUKAN
PENYUSUN PROTEIN
ASAM AMINO BERDASARKAN
FUNGSINYA
1. Asam amino esensial
•
Met, Trp, Tre, His, Ile, Lis, Leu, Val, Fen
2. Asam amino non esensial
•
Pro, Ser, Arg, Tir, Sis, Gli, Glu, Ala, Asp,
Gln, Asn
PROTEIN
Penggolongan/klasifikasi protein
berdasarkan fungsi biologi
1. Enzim, protein yang terbesar dan paling penting
2. Protein pembangun, sebagai unsur pembentuk
struktur (glikoprotein, penunjang struktur dinding sel;
elastin, protein serat)
3. Protein kontraktil, berperan dalam proses gerak
(miosin, unsur filamen tak bergerak dalam miofibril;
aktin, unsur filamen tak bergerak dalam miofibril)
4. Protein pengangkut, pengangkutan berbagai macam
zat melalui aliran darah (hemoglobin, alat pengangkut
oksigen; mioglobin, alat pengangkut oksigen dalam
jaringan otot; serum albumin, alat pengangkut asam
lemak dalam darah
5. Protein hormon, protein aktif seperti enzim (Insulin,
mengatur metabolisme glukosa; hormon
pertumbuhan, menstimulasi pertumbuhan tulang)
6. Protein bersifat racun (racun ular, protein enzim yg
dapat menyebabkan terhidrolisisnya fosfogliserida;
Clostidium botulinum, menyebabkan keracunan
bahan makanan
7. Protein pelindung, umumnya terdapat dalam darah
(fibrinogen, sumber pembentuk fibrin dalam proses
pembekuan darah; trombin, komponen dalam
mekanisme pembekuan darah)
8. Protein cadangan, disimpan untuk berbagai proses
metabolisme dlam tubuh (ovalbumin, protein pada
putih telur; casein, protein susu)
Struktur protein
Struktur primer protein
Hanya ikatan peptida
STRUKTUR SEKUNDER
•
Ikatan hidrogen antara gugus karbonil
dengan gugus amina dari atom Cα
yang berbeda
1. α-heliks
2. β-pleated sheet
•
•
Paralel
Antiparalel
α-heliks
β-sheet
STRUKTUR TERSIER
• Distabilkan oleh interaksi gugus R
•
•
•
•
•
Ikatan disulfida
Ikatan hidrogen
Interaksi hidrofobik
Interaksi hidrofilik
Interaksi ionik
Struktur
tersier
subunit
HMG-KoA
reduktase
II bakteri
Struktur tersier suatu protein dalam berbagai
bentuk representatif
STRUKTUR KUARTERNER
• Gabungan beberapa struktur tersier
Protein serat kolagen pada
jaringan pengikat
Protein
penggumpal
darah
(protrombin)
Protein serat
(elastin)
Miosin, protein
otot (kontraksi)
PROTEIN BERDASARKAN
BENTUK
1. Protein serabut (fibrous)
•
•
Kurang larut, amorf, dapat memanjang
dan berkontraksi
Keratin, miosin, kolagen, fibrin
2. Protein globuler
•
•
Larut, dapat dikristalkan
Enzim, imunoglobulin
Protein serabut, tidak larut dalam air. Rantai polipeptida memanjang
pada satu sumbu dan tidak berlipat membentuk globular
Fungsi, sebagai protein struktural/ pelindung
Terdpt pada rambut, wol, sayap, kuku,
tanduk
Susunan keratin rambut
Fibroin (β-keratin) antiparalel, pada serat sutra dan jaring laba-laba,
bersifat fleksibel dan lentur dan tdk dapat meregang.
Protein jaringan laba-laba yang mengandung residu Glisin dan Alanin
Kolagen, pada urat, serat kulit, pembuluh darah, tulang, dan tulang
rawan. Tdk dpt meregang
Bentuk heliks kolagen, terdiri atas 3 peptida yang berulang yi: Gly-X-prolin
atau Gly-X-hidroksiprolin
Kolagen (tdk larut dan tdk dicerna) →
gelatin (larut dan dapat dicerna)
Proses pemanasan shg ikatan kovalen
terhidrolisis, misal pada daging.
Mioglobin, protein pengikat oksigen. Fungsi:
menyimpan oksigen, meningkatkan transport oksigen
ke mitokondria
PROTEIN MAJEMUK
1.
2.
3.
4.
5.
Nukleoprotein: ssDNA binding protein
Glikoprotein: musin
Fosfoprotein: kasein
Kromoprotein: hemoglobin
Protein-koenzim: piruvat dehidrogenaseNAD+
6. Lipoprotein
7. Metaloprotein: kalmodulin-Ca2+
REAKSI PROTEIN
1. Dengan garam
•
•
Kelarutan protein meningkat dengan
penambahan sedikit garam (salting in)
Protein mengendap dalam garam pekat (salting
out
2. Dengan asam
•
•
Sedikit asam mendenaturasi protein
Asam berlebih menyebabkan hidrolisis
REAKSI PROTEIN
3.
Dengan basa
•
4.
Tidak mengendapkan tetapi menyebabkan hidrolisis,
dekomposisi oksidatif, dan rasemisasi
Dengan logam berat
•
5.
Menghasilkan endapan yang tidak dapat larut kembali
Dengan pereaksi alkoloidal
•
•
Mengendapkan protein pada suasana asam
Asam trikloroasetat, asam tannat, asam fosfotungstat,
asam fosfomolibdat
REAKSI PROTEIN
6. Dengan pelarut organik
•
•
Menurunkan konstanta dielektrik
Alkohol, kloroform
7. Dengan pemanasan
•
•
Terjadi denaturasi (terurainya protein
menjadi struktur primernya)
Terjadi koagulasi
REAKSI UJI PROTEIN
1. Reaksi Millon: tirosin
2. Reaksi Biuret: ikatan peptida
3. Reaksi xantoprotein: asam amino
aromatik
4. Reaksi Hopkins Cole: triptofan
5. Reaksi ninhidrin: gugus karboksil dan
amino bebas
REAKSI UJI PROTEIN
6.
Reaksi Lowry (J. Biol. Chem, 1951)
•
•
•
7.
Menggunakan pereaksi Folin fenol
Standar terbaik Human Albumin
Terganggu oleh ion K+, Mg2+, EDTA, Tris, pereaksi tiol,
dan karbohidrat
Reaksi Bradford (Anal. Biochem, 1976)
•
•
•
Menggunakan pewarna Coomassie Brilliant Blue G-250
Standar terbaik γ-Globulin
Terganggu oleh deterjen dan sedikit oleh aseton
METABOLISME NITROGEN
Metabolic Nitrogen Balance
• Sebagian besar organisma memiliki kapasitas yang kecil untuk
menyimpan nitrogen. Oleh karena itu, hewan harus terus menerus
memanfaatkan nitrogen dari makanan untuk mengganti nitrogen
yang hilang akibat katabolisme.
• Bila protein makanan kurang, maka produksi protein untuk tujuan
lain, misalnya untuk protein otot, akan terputus dan tidak akan
tergantikan.
• Seseorang dikatakan berada dalam kesetimbangan nitrogen bila
Nitrogen yang dikonsumsi dari makanan = Nitrogen yang hilang
(melalui ekskreasi dan proses lainnya)
• Positive nitrogen balance: Dietary intake of nitrogen > Nitrogen loss
• Negative nitrogen balance : Dietary intake of nitrogen < Nitrogen loss
Protein turnover
• Dalam keadaan biasa, seseorang yang berada dalam kesetimbangan
nitrogen akan mengkonsumsi 100 gram protein, mendegradasi 400
gram protein tubuh, mensintesis kembali 400 gram protein, dan
mengeksresi/katabolisme 100 gram protein.
• Setiap individu protein memiliki variasi waktu hidup, dari beberapa
menit hingga beberapa bulan. Degradasi protein mengikuti kinetika orde
pertama.
• Protein yang berada dalam lingkungan ekstrasel, seperti enzim
pencernaan, hormon polipeptida, dan antibodi, memiliki turn over yang
cepat, tetapi protein yang berperan dalam struktur, seperti kolagen lebih
stabil.
• Enzim yang mengkatalisis tahap penentu laju dalam jalur metabolisme
juga memiliki waktu hidup pendek. Oleh karena itu degradasi protein
merupakan salah satu regulasi yang penting dalam metabolisme.
Peran protein makanan dalam metabolisme
nitrogen keseluruhan
1.
Jumlah protein makanan yang disarankan: Katabolisme asam
amino menyebabkan kehilangan 30 – 55 g protein per hari.
Kehilangan ini harus dapat digantikan dari protein makanan.
Diperlukan sekitar 55 g protein per hari untuk orang dengan berat
badan 70 kg.
2.
Konsekuensi kekurangan protein: kekurangan asam amino
esensial akan memaksa terjadinya degradasi protein jaringan dan
menyebabkan efek klinis yang disebut kwashiorkor.
3.
Konsekuensi kelebihan protein: tidak ada gudang
penyimpanan untuk asam amino. Oleh karena itu, makanan yang
mengandung asam amino berlebih akan dimanfaatkan segera
untuk meresintesis protein tubuh, dan senyawa-senyawa nitrogen
lainnya. Kerangka karbonnya akan dioksidasi atau dikonversi
menjadi glukosa atau lemak, dan gugus aminonya dikonversi
menjadi amoniak.
Pencernaan Protein Makanan
1. Pencernaan protein oleh cairan
lambung
Isi cairan lambung: HCl (pH 2-3)
dan pepsinogen.
2. Pencernaan protein oleh protease
pankreas.
Protease pankreas: tripsin,
kimotripsin, elastase,
karboksipeptidase
3. Pencernaan oligopeptida oleh
protease usus kecil
Permukaan usus mengandung
aminopeptidase, yaitu suatu
eksopeptidase yang memotong
asam amino dari arah ujung N
4. Penyerapan asam amino dan
dipeptida
Gambaran Umum Aliran Nitrogen di
dalam Tubuh
Asam amino glukogenik dan ketogenik
Asam amino dapat diklasifikasikan sebagai ketogenik atau
glukogenik bergantung pada produk akhir dari metabolime
1.
Ketogenik: Asam amino yang katabolismenya
menghasilkan asetoasetat atau salah satu dari
prekursornya, yaitu asetil-CoA atau asetoasetil-CoA
(Ketone bodies).
2.
Glukogenik: Asam amino yang katabolismenya
menghasilkan piruvat atau salah satu intermediet
siklus asam sitrat, dimana intemediet2 tsb merupakan
prekursor dalam proses glukoneogenesis.
Katabolisme asam amino
Reaksi penting metabolisme
asam amino
•
•
•
•
•
•
Dekarboksilasi
Transaminasi
Deaminasi oksidatif
Transpor amonia dan detoksifikasi
Sintesis urea
Metabolisme rantai karbon
Dekarboksilasi
Transaminasi
• Asam amino kehilangan gugus amin
• Dikatalisis oleh transaminase (atau amino
transferase)
• Transaminasi terjadi in vivo pada semua asam
amino kecuali lisin and threonin
• Kebanyakan transaminase membutuhkan αketoglutarat untuk menerima gugus amin
Deaminasi oksidatif
• Glutamat yang terbentuk dari reaksi transaminasi dideaminasi menjadi α-ketoglutarate
• Glutamate dehydrogenase sebagai enzim
• - NAD+ or NADP+ adalah koenzim
Transport dan detoksifikasi amonia
• Amonia ditranspor
ke hati
• Terutama dalam
bentuk glutamin
• Glutamin berperan
sebagai penyedia
gugus amin untuk
biosintesis asam
amino
Sintesis urea
• Di hati
• 5 langkah siklus
urea (Small Krebs
c., Krebs-Hensleit c.,
Ornitihin c.)
• Menggunakan
amonia, CO2, 3 ATP
and aspartat
Sintesis Asam Amino
Biosintesis asam amino koneksi dengan glikolisis/ gluconeogenesis dan
siklus asam sitrat
Siklus ini adalah lintasan yang
ditempuh untuk membawa ion
amonium buangan yang berasal dari
metabolisme asam amino di otot ke
hati untuk diproses menjadi urea di
dalam siklus urea.
Di otot: gugus amina akan dipindah
dari glutamat, bereaksi dengan
piruvat melalui reaksi transaminasi
membentuk alanina untuk
selanjutnya dibawa sirkulasi darah
menuju hati.
Di hati: alanina akan mengalami
transaminasi menjadi piruvat kembali
dan memindahkan gugus amina
pada alfa ketoglutarat menghasilkan
glutamat. Glutamat akan megalami
deaminasi oksidatif membebaskan
ion amonium yang segera masuk ke
dalam siklus urea.
Siklus Glukosa-Alanina:
Kaitan Siklus Urea dengan Siklus Sitrat
TERIMA KASIH