Resume Materi Kuliah Biokimia

RESUME MATERI MATA KULIAH STRUKTUR DAN FUNGSI BIOMOLEKUL KI3161

Protein tersusun atas berbagai macam asam amino. Interaksi antarasam amino berakibat pada pembentukan struktur protein. Struktur protein dapat dikelompokkan menjadi empat, yaitu struktur primer, struktur sekunder, struktur tersier, dan struktur kuartener. Setiap struktur memiliki kekhasannya masing-masing.

Interaksi paling penting antarasam amino yaitu terbentuknya ikatan peptida. Ikatan peptida terbentuk melalui mekanisme substitusi nukleofilik oleh gugus amina yang terikat pada karbon alfa terhadap gugus karboksilat yang juga terikat pada atom karbon alfa dari asam amino yang berbeda. Reaksi juga menghasilkan air sebagai produk samping. Pada struktur primer protein hanya ada ikatan peptida sebagai interaksi antarasam amino. Ikatan peptida yang terbentuk bersifat polar karena terdapat momen dipol yang searah.

I.          STRUKTUR PRIMER PROTEIN

Struktur protein yang paling sederhana yaitu struktur primernya. Interaksi yang terjadi yaitu adanya ikatan peptida yang saling menghubungkan antarasam amino. Terdapat banyak ikatan sigma pada rantai primer protein sehingga dapat berputar bebas.

Pada struktur primer protein terdapat banyak ikatan sigma yang dapat berotasi. Rotasi dapat menyebabkan protein berada pada berbagai macam struktur. Namun pada kenyataannya protein selalu menuju ke struktur tertentu.  Terdapat beberapa faktor yang mengurangi kemungkinan suatu struktur protein dapat terjadi, antara lain:

1.         Ikatan rangkap pada ikatan peptida

Adanya ikatan rangkap pada atom karbon membuat molekul memiliki struktur yang planar. Ikatan rangkap pada ikatan peptida dapat beresonansi. Hal ini ditandai dengan panjang ikatan C—N pada ikatan peptida bukan merupakan panjang ikatan sigma maupun sigma dan pi tetapi di antara keduanya. Maka dari itu ikatan tersebut tidak dapat berotasi dengan bebas.

2.         Halangan sterik gugus samping asam amino

Rotasi pada rantai protein dapat dilakukan apabila pada saat terjadi rotasi tidak ada tabrakan antargugus samping residu sehingga tolakan di antara gugus-gugus tersebut dapat dihindarkan.

3.         Proses folding / pelipatan struktur protein

Pelipatan protein terjadi karena adanya interaksi hidrofobik antara residu asam amino yang nonpolar dengan pelarut polar misalnya air. Untuk memperkecil luas permukaan kontak maka protein dapat melipat dirinya sehingga bagian nonpolar residu asam amino pada rantai protein dapat dihindarkan dari pelarut. Proses yang disukai tentu memberikan energi yang lebih rendah, dalam artian kestabilan strukturnya sngat disukai. Pada proses pelipatan tertentu dapat dilepaskan sebagian energi yang besar sebagai parameter entalpi sehingga protein akan lebih memilih untuk melipat ke dalam struktur tertentu ini.

Dengan adanya ketidakbolehan rotasi, kemungkinan struktur yang terbentuk dapat berkurang. Rotasi yang diperbolehkan hanya boleh pada ikatan N—C alfa dan O=C—C alfa. Pada N—C alfa disebut sudut putaran (sudut dihedral) phi sedangkan O=C—C alfa disebut sudut putaran (sudut dihedral) psi.

Rotasi searah jarum jam akan memberikan nilai sudut dihedral yang positif sedangkan bila berlawanan arah jarum jam akan memberi nilai negatif. Nilai sudut dihedral phi dan psi memberikan informasi mengenai struktur sekunder protein yang terbentuk. Hal ini dapat disampaikan oleh diagram Ramachandran.

Dalam diagram di atas area krem sesuai dengan konformasi di mana atom dalam polipeptida mendekat dari jumlah mereka van der Waals radhiyallahu. Daerah ini sterik dianulir karena semua asam amino kecuali glisin yang unik karena tidak memiliki rantai samping. Daerah merah sesuai dengan konformasi di mana tidak ada bentrokan sterik, yaitu ini adalah daerah diperbolehkan yaitu konformasi alfa heliks dan beta-sheet. Daerah kuning menunjukkan daerah diizinkan jika sedikit lebih pendek van der Waals radhiyallahu digunakan dalam perhitungan, yaitu atom yang diizinkan untuk datang sedikit lebih dekat bersama-sama. Ini membawa keluar daerah tambahan yang sesuai dengan alpha-helix kidal.

Asam L-amino tidak dapat membentuk daerah heliks kidal diperpanjang tapi kadang-kadang residu individu mengadopsi konformasi ini. Residu ini biasanya glisin tetapi juga dapat asparagin atau aspartat mana bentuk rantai samping ikatan hidrogen dengan rantai utama dan oleh karena menstabilkan konformasi dinyatakan tidak menguntungkan ini. 3 (10) helix terjadi dekat dengan kanan atas wilayah alpha-heliks dan di tepi daerah diperbolehkan menunjukkan stabilitas yang lebih rendah.

Daerah dianulir umumnya melibatkan halangan sterik antara rantai samping C-beta gugus metilen dan atom rantai utama. Glycine tidak memiliki rantai samping dan karena itu dapat mengadopsi phi dan sudut psi di keempat kuadran dari plot Ramachandran. Oleh karena itu sering terjadi pada gilirannya daerah protein mana residu lainnya akan sterik terhambat.

II.          STRUKTUR SEKUNDER PROTEIN

Struktur sekunder protein sedikit lebih rumit dibandingkan dengan struktur primernya. Pada struktur sekundernya, protein lebih berinteraksi dengan sesama rantai primernya yaitu dengan membentuk ikatan hidrogen pada ikatan peptidanya. Kemungkinan struktur yang terbentuk akibat interaksi ikatan hidrogen ini adalah alfa heliks dan lembaran beta.

http://teloanyar.blogspot.com/2012/11/protein.html

struktur alfa heliks dapat terbentuk karena adanya ikatan hidrogen yang terjadi pada residu i dengan residu ke i + 4. Setiap terbentuk satu ikatan hidrogen maka sudah satu putaran protein yang terbentuk. Dapat dikatakan bahwa satu putaran protein alfa heliks sudah melibatkan empat residu asam amino. Secara kuantitatif, telah diukur bahwa satu putaran protein alfa heliks berjarak 5,4A dengan melibatkan 3,6 residu asam amino. Gugus samping asam amino pada protein alfa heliks semuanya menghadap keluar sumbu heliks, hal ini terjadi untuk meminimalkan tolakan dalam heliks dan tercapai kestabilan struktur. Apabila protein alfa heliks berada pada medium polar, maka seharusnya gugus samping asam amino bersifat polar juga supaya ada interaksi dipol-dipol antara protein dengan pelarutnya.

            Struktur heliks dapat dipengaruhi kestabilannya, terdapat pengaruh penguatan struktur dan pelemahannya. Penguat/ penstabil struktur heliks yaitu adanya interaksi ionik antara residu asam dan basa pada posisi i dengan i + 4 dan adanya interaksi residu aromatik pada posisi i dengan i + 4. Sebagai pelemah struktur yaitu adanya protein dengan konformasi D, yaitu putar kiri. Asam amino pada umumnya memiliki konformasi L yaitu putar kanan, apabila disisipi dengan asam amino D maka akan terbentuk struktur yang cisoid sehingga dapat memengaruhi kestabilan heliks alfa. Adanya tolak menolak pada gugus residu asam amino pada posisi i dengan i + 3. Hal ini mempersulit terbentuknya ikatan hidrogen pada residu posisi i dengan i + 4, yang terjadi seolah-olah residu i ingin berjauhan dengan residu i + 4 padahal harus membentuk ikatan hidrogen, jadi kestabilannya kurang. Residu prolin dan glisin pada struktur alfa heliks juga dapat mengganggu. Residu prolin akan membentuk konformasi yang cisoid dan menimbulkan belokan pada struktur. Prolin dapat membentuk konformasi yang cisoid karena gugus sampingnya relatif besar.

            Selain struktur alfa heliks, ternyata juga terdapat struktur heliks yang lain seperti gamma ribbon helix, 3₁₀ helix, dan pi helix. Masing-masing struktur pasti terjadi ikatan hidrogen namun dengan urutan residu yang berbeda.

           

Selain struktur alfa heliks, juga terdapat lembaran beta sebagai penyusun struktur sekunder protein. Lembaran beta sendiri dapat disusun secara paralel maupun anti paralel sebab gugus samping residu protein dapat saling berinteraksi hidrofobik.

Pada susunan lembaran beta yang anti paralel terdapat interaksi yang hidrofobik bila gugus sampingnya bersifat nonpolar dan dipol-dipol apabila gugus sampingnya bersifat polar antaresidu asam amino. Interaksi ini merupakan salah satu aspek penstabil suatu struktur protein. Namun apabila diteliti lagi, terdapat kemungkinan halangan sterik pada interaksi gugus samping. Pada struktur lembaran beta yang paralel, ikatan hidrogen yang terbentuk seolah olah miring.

Jenis terakhir dari tipe sruktur sekunder yaitu turn (belokan). Struktur belokan ini terjadi karena adanya residu prolin yang diikuti oleh glisin. Residu prolin lebih stabil apabila berada pada konformasi cisoid dan residu glisin karena memiliki gugus samping atom hidrogen maka halangan steriknya kecil sehingga mampu mengakomodir halangan sterik yang diberikan oleh residu prolin.

https://ww2.chemistry.gatech.edu/~lw26/structure/protein/secondary_structure/beta_turn/index.html

http://www.cryst.bbk.ac.uk/PPS2/course/section8/ss-960531_16.html

Terdapat dua macam belokan, yaitu belokan beta dan gama. Pada belokan beta terjadi interaksi antara residu i dengan residu i + 3 sedangkan pada belokan gama terjadi inteaksi pada residu ke i dengan residu ke i + 2.

III.          STRUKTUR TERSIER PROTEIN

Struktur tersier protein merupakan gabungan dari struktur sekundernya. Dalam sebuah rantai protein memungkinkan adanya struktur alfa heliks secara keseluruhan, struktur lembaran beta secara keseluruhan, struktur alfa heliks dan lembaran beta yang bergantian secara berurutan, dan struktur alfa heliks terlebih dahulu kemudian lembaran beta hingga akhir atau kebalikannya, semua dalam satu rantai protein. Selain ikatan hidrogen pada rantai peptida, pada struktur tersier terdapat interaksi yang lebih kompleks. Interaksi tersebut terjadi pada gugus-gugus samping asam amino, interaksi tersebut antara lain interaksi hidrofobik, interaksi dipol-dipol, interaksi ionik, dan ikatan yang terbentuk akibat coupling pada residu tertentu semisal antarsistein akan membentuk jembatan disulfida dan antartirosin akan membentuk jembatannya.

Struktur tersier protein juga dapat distabilkan oleh pembentukan senyawa kompleks dengan ion logam tertentu.

Protein juga memiliki struktur yang disebut motif. Definisi motif yaitu lipatan atau substruktur yang berulang dalam struktur protein. Motif ini merupakan kombinasi alfa heliks dan lembaran beta. Terdapat berbagai macam jenis motif, antara lain Greek key, Jelly roll, dan motif beta-alfa-beta.

Motif Greek key terdiri dari empat helai antiparalel berdekatan dan loop mereka menghubungkan. Ini terdiri dari tiga helai antiparalel dihubungkan dengan jepit rambut, sedangkan keempat adalah berdekatan dengan yang pertama dan terkait dengan ketiga dengan loop lagi. Jenis bentuk struktur dengan mudah selama proses protein folding.

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Anthrax_toxin_protein_key_motif.svg

Karena kiralitas asam amino komponennya, semua helai memperlihatkan "tangan kanan" memutar jelas di sebagian besar tingkat tinggi β struktur lembar. Secara khusus, menghubungkan lingkaran antara dua untaian sejajar hampir selalu memiliki crossover kiralitas kidal, yang sangat disukai oleh twist yang melekat lembaran. Menghubungkan lingkaran ini sering mengandung daerah heliks, dalam hal ini disebut motif β-α-β.

Gambar motif alfa-beta-alfa

Gambar motif jelly roll yang terdiri atas 6 buah struktur lembaran beta

http://en.wikipedia.org/wiki/File:5CPAgood.png

Motif psi yang jarang ditemui karena proses folding yang relatif sulit. Motif ini memiliki dua lembaran beta antiparalel dan sebuah alfa heliks. Di antara lembaran beta antiparalel terdapat lembaran beta lain yang berinteraksi melalui ikatan hidrogen ke kedua lembaran beta yang lain.

Pada struktur tersier memiliki struktur yang disebut domain. Domain merupakan unit-unit globular yang independen satu sama lain. Domain dapat melakukan folding tanpa harus menggaanggu dan bergantung kepada domain yang lain. Dalam satu rantai protein dapat memiliki banyak jumlah domain, asalkan masih dalam satu rantai.

IV.          STRUKTUR KUARTENER PROTEIN

Struktur kuartener protein merupakan gabungan dari subunit-subunit struktur lainnya. Antarsubunit tidak terhubung satu sama lainnya. Keuntungan pembentukan struktur kuartener antara lain:

1.      Mengurangi kontak dengan pelarut dapat memperbesar entropi larutan dan memperkecil entalpi.

2.      Efisiensi genetik. Biasanya dalam struktur kuartener terdapat subunit yang strukturnya persis sama. Untuk melakukan sintesis protein terdapat proses replikasi, jadi untuk menghemat energi tidak perlu membuat kode yang sama hanya perlu untuk mengulang saja.

3.      Menggabung sisi katalitik.

4.      Kooperatif. Subunit lain dapat memengaruhi kemampuan afinitas subunit terhadap substrat. Terdapat kooperatif positif dan negatif. Kooperatif positif berarti subunit lain dapat meningkatkan afinitas terhadap substrat. Sedangkan kooperatif negatif berarti kebalikannya, menurunkan afinitas subunit terhadap substrat.

KETAHANAN PROTEIN TERHADAP TEMPERATUR

            Protein dibedakan menjadi tiga kelompok berdasar ketahanannya terhadap protein, yaitu:

1.      Protein mesofilik, memiliki ketahanan maksimum pada temperatur 50^oC.

2.      Protein termofilik, tahan terhadap temeperatur tinggi. Protein termofilik terdapat dua jenis yaitu termofilik medium dan termofilik hiper. Termofilik medium tahan maksimum 80 ^oC sedangkan termofilik hiper mampu berada pada temperatur lebih dari 80 ^oC.