CHEMISTRY DAILY: April 2018

Presentasi 5: Pembentukan Struktur Sekunder dan Tersier pada Protein

April 23, 2018
By HANA
3 Comments

ANALISIS 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-β 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 supersekunder.

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. 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 amino-αasam 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 antar rantai 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

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 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. 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 βantiparalel. 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-Pro-Hyp) sering kali dijumpai.

Kolagen merupakan molekul berbentuk batang, dengan panjang kira-kira 3000 ^oA dengan diameter hanya 15 ^oA. 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 oA 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. Di samping primer, sekunder, dan tersier, dikenal juga adanya “struktur kuarterner“ dan “struktur supersekunder” pada protein. Jelaskan!

2. Apa penyebab rantai polipeptida mempunyai arah?

3. Apa yang dimaksud dengan “residu amino-terminal” dan “residu karboksil-terminal” pada rantai polipeptida?