MAKALAH BIOLOGI MOLEKULER PROTEIN KOLAGEN
Oleh : Ahmad Farih Azmi, S.Kep., Ns. (011414153005)
PROGRAM PASCASARJANA UNIVERSITAS AIRLANGGA SURABAYA 2015
ABSTRAK
Protein adalah makromolekul yang memiliki bahan dasar 20 jenis asam amino. protein memiliki Peran utama dalam sistem biologi dalam setiap organisme. Makalah ini menjelaskan tentang salah satu jenis dari protein yaitu kolagen. Kolagen adalah protein berserat dalam tubuh yang memberikan kekuatan, dukungan, dan bersifat elastis. Pada manusia, kolagen terdiri sepertiga dari total protein, menyumbang tiga perempat dari berat kering kulit, dan merupakan komponen yang paling umum dari matriks ekstraselular (ECM). Penjelasan tentang kolagen dalam makalah ini mencakup apa itu kolagen, bagaimana struktur penyusun kolagen, sifat, jenis serta fungsi kolagen. Kesimpulan dari makalah ini antara lain : kolagen termasuk sebagai jaringan pengikat yang tersusun atas fibril kolagen, Fibril kolagen terdiri dari satuan polipeptida disebut tropokolagen yang terdiri dari tiga rantai polipeptida yang disebut helix, kolagen adalah komponen serat utama dalam tendon, ligamen, kulit, saraf, tulang, otot, pembuluh darah dan organ, dalam heliks tropokolagen ketiga benang terikat hidrogen satu dengan yang lain dengan perantaraan gugus peptida -NH dari residu glisin dan gugus peptida -C=O pada rantai lain. Ini merupakan struktur heliks yang berbeda dari ὰὰ-heliks dan tidak djumpai pada protein lainnya, keberadaan yang tidak sempurna dari kandngan kolagen dapat menyebabkan penyakit yang ditandai oleh kerusakan vena dan struktur kulit. Oleh karena itu, perlu adanya himbauan tentang cara untuk merangsang produksi kolagen dalam sel-sel kulit seperti memperhatikan asupan makanannya. Makanan yang kaya vitamin C dan vitamin K dan memiliki berbagai nutrisi seperti geistein dan asam hyaluronic telah terbukti mampu meningkatkan kolagen dalam tubuh Kata kunci : protein, kolagen, sistem biologi
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Kolagen adalah protein struktural yang melimpah di semua hewan. Pada manusia, kolagen terdiri sepertiga dari total protein, menyumbang tiga perempat dari berat kering kulit, dan merupakan komponen yang paling umum dari matriks ekstraselular (ECM). Dua puluh delapan jenis kolagen terdiri dari setidaknya 46 rantai polipeptida yang berbeda telah diidentifikasi pada vertebrata, dan banyak protein lainnya mengandung domain kolagen (Brinckmann, 2005). Dalam sebuah studi penelitian kolagen utuh telah ditemukan pada jaringan lunak dari tulang fosil dari Tyrannosaurus rexfossil 68 juta tahun (Schweitzer et al, 2007), sejauh ini protein tertua sudah terdeteksi. Penemuan ini menjadi tantangan tersendiri untuk kita lebih dalam menggali tentang kolagen. (Buckley M et al, 2008). Kolagen merupakan material yang mempunyai kekuatan rentang dan struktur yang berbentuk serat. Protein jenis ini banyak terdapat dalam vertebrata tingkat tinggi. Hampir sepertiga protein dalam tubuh vertebrata berada sebagai kolagen. Semakin besar hewan, semakin besar pula bagian total protein yang merupakan kolagen. Kolagen juga merupakan komponen serat utama dalam tulang, gigi, tulang rawan, lapisan kulit dalam (dermis), tendon (urat daging) dan tulang rawan. Bahan di bagian dalam lensa mata dapat dikatakan tersusun dari kolagen murni. Kolagen ada dalam semua organ yang menampilkan kekuatan dan kekakuan (Lehninger: 1993)
Dalam makalah ini akan di bahas beberapa penjelasan mengenai kolagen, diantaranya tentang definisi kolagen, sifat, jenis dan fungsi kolagen, namun akan banyak juga di bahas mengenai struktur penyusun kolagen itu sendiri.
BAB II PEMBAHASAN
2.1 Kolagen Kolagen adalah protein dalam tubuh yang memberikan kekuatan, dukungan, dan bersifat elastis. Kolagen ditemukan dalam tendon, ligamen, kulit, saraf, tulang, otot, pembuluh darah dan organ. Serat kolagen adalah bundel fibril kolagen, fibril adalah filamen panjang kolagen (Brinckmann, 2005). Kolagen merupakan protein berserat. Bersama elastin dan keratin, kolagen membentuk jaringan ikat. Jaringan ikat merupakan jaringan yang berperan untuk elastisitas dan kekuatan kulit. Kolagen juga merupakan sebuah senyawa protein yang terdapat pada tubuh kita dengan jumlah yang sangat banyak sekitar 25 persen dari jumlah total protein dalam tubuh. Kolagen ini membentuk sebuah struktur yang bersifat organik dan memiliki peran untuk proses pembentukan regenerasi tulang, otot, gigi, kulit dan sendi. Secara alami mempunyai serat, menghubungkan dan mendukung jaringan tubuh lainnya, seperti kulit, tulang, tendon, otot, dan tulang rawan. Organ-organ internal juga didukung oleh kolagen bahkan juga ada dalam gigi (Fitzgerald J, 2008). Di dalam tubuh ada sekitar 28 jenis kolagen yang terjadi secara alamiah dan terdiri dari setidaknya 46 rantai polipeptida yang berbeda telah diidentifikasi pada vertebrata, dan banyak protein lainnya mengandung domain kolagen. Bahkan ada yang menyebutkan bahwa kolagen seperti lem pada tubuh untuk melekatkan bersama-sama. Tanpa itu kolagen tubuh akan berantakan. Kolagen memiliki kekuatan tarik yang besar, hal ini merupakan cara yang sangat berbeda dari jenis
protein yang lain. Sebagai contoh, dapat ditemukan baik di dalam dan di luar sel. Serat kolagen memberikan kontribusi penting bagi struktur eksternal sel, beberapa diantaranya juga terdapat didalam sel (Veit et al, 2006)
Pada kulit tua menunjukkan penurunan kandungan kolagen dibanding dengan kulit muda, hal ini menyebabkan terjadinya pengkerutan (keriput) pada kulit yang lebih tua Kolagen bekerja dengan elastin dalam mendukung jaringan tubuh. Pada dasarnya, kolagen memberikan bentuk jaringan tubuh yang kuat; elastin memberikan jaringan tubuh yang sangat dibutuhkan yakni fleksibilitas. Kombinasi kolagen dan elastin sangat memberikan kontribusi penting pada banyak bagian tubuh, hal ini tidak terbatas pada, paru-paru, tulang, dan tendon. Bahkan pembuluh darah bergantung pada keduanya kolagen dan elastin. Seringkali, kolagen dikaitkan dengan kulit. Ia bekerja dengan keratin untuk memberikan kulit yang kuat, fleksibilitas, dan memiliki daya tahan. Dengan bertambahnya usia, akan terjadi degradasi kolagen yang menyebabkan keriput. Dengan demikian, kolagen adalah zat penting untuk melawan efek penuaan yang terlihat pada kulit. Beberapa profesional perawatan kulit menyarankan orang-
orang tentang cara untuk merangsang produksi kolagen dalam sel-sel kulit agar tetap terlihat segar, dengan cara memperhatikan asupan makanan yang dikonsumsinya. Salah satunya dengan mengkonsumsi makanan yang mengandung vitamin A untuk menjaga kolagen dalam tubuh tetap tinggi dan juga Makanan yang kaya vitamin C dan vitamin K dan memiliki berbagai nutrisi seperti geistein dan asam hyaluronic telah terbukti mampu meningkatkan kolagen dalam tubuh (Bodian et al, 2008). Kolagen memberikan bantalan dan mengisi kontur kulit.
Karena kolagen sangat penting dalam tubuh, maka bisa dipastikan bahwa kekurangan kolagen dapat menjadi masalah. Bahkan, ada beberapa penyakit genetik yang berkaitan dengan kekurangan kolagen. Sebagai contoh, osteogenesis imperfecta, yang biasa disebut penyakit tulang rapuh, hasil dari penurunan signifikan tingkat kolagen. Hal ini juga dapat disebabkan oleh adanya kolagen yang berkualitas lebih rendah dari normal (Bodian et al, 2008).
2.2 Kolagen fibril Jenis berbeda dari kolagen adalah membentuk kumpulan fibrillar yang lebih besar dengan bantuan beberapa kelas protein seperti glikoprotein dan proteoglikan. Kolagen fibril adalah semi-crystalline agregat molekul kolagen. Ini yang disebut sebagai bundel fibril. Masing-masing jaringan memiliki pengaturan yang berbeda dari fibril ini untuk memberikan struktur yang berbeda, bentuk dan kekuatan tarik. Dalam tulang misalnya, seluruh kolagen triple heliks terletak dalam sebuah array yang paralel, terhuyung-huyung. Kesenjangan adalah 40 nm antara ujung subunit tropocollagen. Ini berfungsi sebagai situs nukleasi untuk pengendapan kristal lama, keras, baik komponen mineral - hidroksiapatit, Ca10 (PO4) 6 (OH) 2 dengan beberapa fosfat (Berisio R, 2002). Deangan demikian kolagen termasuk sebagai jaringan pengikat. Jaringan pengikat berkolagen terdiri dari serat, struktur ini selanjutnya tersusun atas fibril kolagen, yang nampak seperti garis melintang. Fibril ini terorganisasi dengan cara yang berbeda-beda, tergantung pada fungsi biologi jaringan pengikat itu. Pada urat, fibril kolagen disusun dalam untaian paralel yang saling berhubungan silang dan berfungsi untuk menghasilkan struktur dengan kekuatan penting yang amat tinggi tanpa kemampuan meregang (Berisio R, 2002).
2.3 Struktur Penyusun Kolagen Molekul kolagen tersusun dari kurang lebih 20 asam amino yang memiliki bentuk berbeda, tergantung pada sumber bahan bakunya. Asam amino glisin, prolin dan hidroksiprolin merupakan asam amino utama pembentuk kolagen. Asam amino aromatik dan sulfur terdapat dalam jumlah yang sedikit.
Hidroksiprolin merupakan salah satu asam amino pembatas dalam berbagai protein (Chaplin, 2005).
Tropokolagen merupakan molekul dasar pembentuk kolagen yang mempunyai struktur batang dengan berat molekul 300.000 g/mol. Di dalamnya terdapat tiga rantai polipeptida yang sama panjang dan membentuk struktur helik. Tiap tiga rantai polipeptida dalam unit tropokolagen membentuk struktur helik tersendiri, masing masing saling menahan bersama-sama dengan ikatan hydrogen antara gugus -NH dari residu glisin pada rantai yang satu dengan gugus –C=O pada rantai lainnya. Cincin pirolidin, prolin, dan hidroksiprolin membantu pembentukan rantai polipeptida dan memperkuat tripel helik (Okuyama et al, 2006). Residu hidroksilisin dari tropokolagen mempunyai peranan penting dalam pembentukan serat kolagen. Peranan serat kolagen ini dapat dilihat dengan adanya asam askorbat (vitamin C) dalam pembentukan hidroksilisin dimana asam
askorbat mengaktifkan enzim prolyl hydroksilase dan enzim ini akan merubah residu prolin menjadi hidroxyprolin (Campbell & Shawn, 2003) Gambar. menunjukkan susunan molekul tropokolagen pada fibril kolagen
Keterangan : a) memperlihatkan tiap molekul tropokolagen yang memanjang sampai empat garis melintang dengan selang 64 nm. Kepala molekul tropokolagen tersusun sedemikian rupa sehingga ”terdaftar” dengan selang 64 nm. Di bawahnya, b) terlihat gambaran bagian molekul tropokolagen yang memperlihatkan kerangka tropokolagen heliks ganda tiga. Pembesaran lebih lanjut pada bagian. c) memperlihatkan bahwa tiap-tiap rantai dari ketiga peptide tropokolagen merupakan suatu heliks, sudut dan ruang antaranya ditentukan oleh gugus karboksil yang kaku dari sejumlah residu prolin dan hidroksiprolin (Lehninger, 1993).
Tropokolagen akan terdenaturasi oleh pemanasan atau perlakuan dengan zat seperti asam, basa, urea, dan potassium permanganat. Selain itu, serabut
kolagen dapat mengalami penguraian jika dipanaskan di atas suhu penyusutannya (Ts). Suhu penyusutan (Ts) kolagen ikan adalah 45°C. Jika kolagen dipanaskan pada T>Ts (misalnya 65–70°C), serabut triple heliks pecah menjadi lebih panjang. Pemecahan struktur tersebut menjadi lilitan acak yang larut dalam air, inilah yang nantinya disebut gelatin (Okuyama et al, 2006). Molekul kolagen atau tropocollagen mengandung subunit yang berkumpul tanpa bantuan dan memiliki ujung biasa yang membentuk array besar di ruang ekstraseluler dari jaringan (Chaplin, 2005).
2.4 Sifat Kolagen Kolagen adalah tipe khusus dari jaringan. Karakteristiknya membuatnya sangat fleksibel. Hal ini dapat menekuk tanpa merobek karena kekuatan tarik yang tinggi. Kekuatan kolagen membuat bahan yang sempurna untuk memegang tulang bersama-sama dan otot melekat ke tulang (Veit et al, 2006). Pada suhu tinggi atau di didihkan di dalam air, kolagen akan mengalami transformasi, dari bentuk untaian, tidak larut dan tidak tercerna menjadi gelatin, yaitu campuran polipetida yang larut, yang merupakan dasar pembentuk gelatin. Perubahan ini melibatkan hidrolisis beberapa ikatan kovalen pada kolagen, karena kolagen pada jaringan pengikat dan pembuluh yang menjadikan daging berbentuk liat. Kolagen mengandung kira- kira 35 persen glisin dan kira-kira 11 persen alanin, dimana persentasi asam amino seperti ini agak tinggi. Yang lebih menonjol lagi adalah kandungan prolin dan hidroksiprolin yang tinggi, yaitu asam amino yang jarang ditemukan pada protein selain pada kolagen dan elastin. Bersama-
sama prolin dan hidroksiprolin mencapai kira-kira 21 persen dari residu asam amino pada kolagen (Lehninger: 1993) Komposisi asam amino kolagen tersebut mengandung empat jenis asam amino, hal ini terbilang rendah dibanding
jenis asam amino lainnya yang
merupakan dasar bagi kualitas gizi. Gelatin relatif rendah sebagai sumber protein pangan. Protein pangan yang paling baik adalah mengandung 20 jenis asam amino, terutama golongan -10, yang disebut asam amino esensial (Amiruldin. 2007).
2.5 Jenis Kolagen Kolagen yang tertarik kembali berbeda secara genetik lebih dari 20 ada dalam jaringan hewan. Kolagen tipe I, II, III, V dan XI self-assemble ke Dperiodik lurik salib fibril. Sekitar 67 nm dan ada karakteristik aksial periodisitas kolagen. Ini membentuk kolagen yang tertarik kembali paling melimpah pada vertebrata (Brinckmann, 2005).
Tipe I kolagen adalah ditemukan di seluruh tubuh kecuali dalam jaringan tulang rawan. Itu juga disintesis dalam menanggapi cedera dan dalam nodul berserat di fibrosa penyakit.
Tipe II kolagen ditemukan dalam tulang rawan, mengembangkan kornea dan vitreous humor. Ini terbentuk dari dua atau lebih kolagen yang tertarik kembali atau co-polymers daripada satu jenis kolagen.
Kolagen tipe III ditemukan di dinding arteri dan organ lain berongga dan biasanya terjadi dalam urat saraf.
Kolagen tipe V dan jenis XI merupakan bagian kecil kolagen dimana komponen jaringan terjadi sebagai fibril dengan tipe I dan tipe II kolagen masing-masing.
2.6 Fungsi Kolagen Serat kolagen mendukung jaringan tubuh, ditambah kolagen merupakan komponen utama dari matriks ekstraselular yang mendukung sel. Kolagen dan keratin memberikan kekuatan pada kulit, kedap air, dan elastisitas. Kehilangan kolagen merupakan penyebab keriput. Jaringan ikat terutama terdiri dari kolagen. Kolagen membentuk fibril yang menyediakan struktur untuk jaringan fibrosa, seperti ligamen, tendon dan kulit. Kolagen juga ditemukan dalam tulang rawan, tulang, pembuluh darah, kornea mata, cakram intervertebralis, otot, dan saluran pencernaan (Brinckmann, 2005). Serat kolagen yang ditemukan di seluruh tubuh menyediakan fungsi yang berbeda berdasarkan susunan serat. Serat diatur dalam pola saling silang membentuk anyaman yang memberikan dukungan terhadap gerakan struktur internal yang. Selain itu, serat yang diatur dalam bundel serat paralel untuk membentuk pita tebal. Kolagen memberikan elastisitas lateral yang sementara memungkinkan sedikit gerakan ke depan lurus karena kekuatan tarik yang tinggi (Schweitzer et al, 2007).
Terdapat 28 jenis kolagen di dalam tubuh, namun jenis kolagen tipe I hingga V merupakan jenis yang paling sering ditemukan. Tentu, kita sering mendengar fungsi kolagen terhadap kulit namun ternyata selain di kulit, kolagen juga berfungsi untuk organ atau jaringan lain yang penting di tubuh. Fungsi kolagen ada bermacam-macam (Fitzgerald J, 2008), contohnya adalah : a. Tulang Struktur tulang terdiri dari berbagai macam bahan salah satunya adalah gabungan dari kolagen dan mineral yang dinamakan hydroxyapatite. Kedua substansi ini bekerja untuk membuat struktur, fleksibiltas dan kekuatan dari tulang. b. Otot Kolagen memiliki fungsi penting untuk otot. Serat kolagen memiliki fungsi untuk memperkuat otot dan struktur otot untuk kelangsungan otot setiap harinya. Serat kolagen tidak hanya ditemukan di otot rangka, namun juga ditemukan di otot polos (yang berada di saluran kemih dan organ reproduksi) serta otot jantung. c. Pembuluh Darah Kolagen memiliki fungsi dalam membentuk dinding pembuluh darah vena, arteri dan kapiler. Kolagen juga berfungsi untuk memperkuat pembuluh darah, menjaga struktur dan kelenturan pembuluh darah, dimana fungsi ini penting guna membawa aliran darah ke seluruh tubuh. d. Kulit Salah satu fungsi dari kolagen yang paling terbesar adalah fungsinya sebagai penyokong kulit. Menurut dr.Eric dari University of Pennsylvania, 80% berat kulit kita terdiri dari kolagen. Kolagen menyediakan struktur ke
kulit yang bekerjasama dengan protein lain yang dinamakan elastin, yang berguna untuk membuat kulit lebih elastis. BAB III PENUTUP
Kesimpulan 1. Kolagen adalah protein berserat dalam tubuh yang memberikan kekuatan, dukungan, dan bersifat elastis. Hampir sepertiga protein dalam tubuh vertebrata berada sebagai kolagen. Kolagen juga merupakan komponen serat utama dalam tendon, ligamen, kulit, saraf, tulang, otot, pembuluh darah dan organ. Kolagen termasuk sebagai jaringan pengikat, yang tersusun atas fibril kolagen 2. Fibril kolagen terdiri atas sub unit polipeptida yang disebut tropokolagen yang terdiri atas tiga rantai polipeptida yang saling silang (heliks ganda tiga) dan membentuk seperti tali. 3. Dalam heliks tropokolagen ketiga benang terikat hidrogen satu dengan yang lain dengan perantaraan gugus peptida -NH dari residu glisin dan gugus peptida -C=O pada rantai lain. Ini merupakan struktur heliks yang berbeda dari ὰὰ-heliks dan tidak djumpai pada protein lainnya. 4. Tropokolagen juga berisi rantai samping karbohidrat yang mengikat pada pada gugus hidroksilnya hydroksilisin 5. Residu hidroksilisin dari tropokolagen mempunyai peranan penting dalam pembentukan serat kolagen. Peranan serat kolagen ini dapat dilihat dengan adanya asam askorbat (vitamin C) dalam pembentukan hidroksilisin dimana asam askorbat mengaktifkan enzim prolyl hydroksilase dan enzim ini akan merubah residu prolin menjadi hidroxyprolin.
DAFTAR PUSTAKA
Amiruldin M., 2007. Pembuatan dan Analisis Karakteristik Gelatin dari Kulit Ikan Tuna (Thunnus albacares). Fakultas Teknologi Pertanian. Institut Pertanian Bogor. Skripsi. Berisio R, Vitagliano L, Mazzarella L, Zagari A. 2002. Crystal structure of the collagen triple helix model [(Pro-Pro-Gly)10]3. Protein Sci. 11:262–70 Bodian DL, Madhan B, Brodsky B, Klein TE. 2008. Predicting the clinical lethality of osteogenesis imperfecta from collagen glycine mutations. Biochemistry 47:5424–32 Brinckmann J. 2005. Collagens at a glance. Top. Curr. Chem. 247:1–6 Buckley M, Walker A, Ho SYW, Yang Y, Smith C, et al. 2008. Comment on “Protein sequences from mastodon and Tyrannosaurus rex revealed by mass spectrometry.” Science 319:33 Campbell, Many. K. & Shawn 0. Farrell. 2003. Biochemistry Fourth Edition, Thomson Learning. Albert Complex, Singapore. Chaplin, M. 2005. Gelatin. www//Isbuc.ac.uk Fitzgerald J, Rich C, Zhou FH, Hansen U. 2008. Three novel collagen VI chains, ὰ4(VI), ὰ5(VI), and ὰ6(VI). J. Biol. Chem. 283:20170–80 Lehninger,Albert.L. 1993. Dasar-Dasar Biokimia (Terjemahan). Erlangga, Jakarta Okuyama K, Xu X, Iguchi M, Noguchi K. 2006. Revision of collagen molecular structure. Biopolymers 84:181–91 Schweitzer MH, Suo Z, Avci R, Asara JM, Allen MA, et al. 2007. Analyses of soft tissue fromTyrannosaurus rex suggest the presence of protein. Science 316:277–80 Veit G, Kobbe B, Keene DR, Paulsson M, Koch M, Wagener R. 2006. Collagen XXVIII, a novel von Willebrand factor A domain-containing protein with many imperfections in the collagenous domain. J. Biol. Chem. 281:3494– 504
