STRUKTUR DAN FUNGSI ASAM AMINO DAN PROTEIN
MAKALAH Disusun untuk Memenuhi Tugas Matakuliah BIOKIMIA yang Dibina oleh Prof. Dr. Subandi, M.Si dan Suharti, M.Si, Ph. D
Oleh : YUNILIA NUR PRATIWI
NIM 130331811094
PROGRAM STUDI PENDIDIKAN KIMIA PROGRAM PASCASARJANA UNIVERSITAS NEGERI MALANG
September 2014
BAB I PENDAHULUAN
A. LATAR BELAKANG
Protein merupakan makromolekul biologis yang paling melimpah yang terbentuk dan terdapat pada semua bagian sel. Sebagai suatu molekul makro yang mengandung nitrogen, protein memiliki ukuran yang bervariasi, mulai dari peptida yang berukuran relatif kecil hingga polimer besar dengan berat molekul mencapai jutaan dalam satu sel. Selain itu, protein juga memiliki berbagai macam fungsi biologis serta sebagai pembawa informasi genetik. Istilah protein pertama diperkenalkan pada tahun 1830-an oleh pakar Kimia berkebangsaan Belanda, Mudler. Beliau merupakan salah satu dari para ilmuwan yang mempelajari protein dari segi Kimia secara sistematik. Istilah protein sendiri diambil dari bahasa Yunani proteios yang berarti “tingkat pertama”. Nama tersebut menunjukkan pentingnya peranan protein dalam sistem hidup. Disamping itu, protein juga bersifat sebagai polimer yang terbentuk dari satuan asam amino yang terkait secara kovalen melalui ikatan peptida. Semua jenis protein, mulai dari yang paling sederhana hingga yang paling kompleks, tersusun atas 20 asam amino yang saling terkait dalam urutan linear dengan karakteristik tertentu. Karena masing-masing asam amino memiliki rantai samping dengan sifat kimia yang khas, maka protein yang dihasilkan juga akan memiliki sifat yang khas pula. Selain itu, jumlah dan urutan asam amino pada suatu protein menentukan struktur dan aktivitas biologi protein tersebut. Asam amino pertama diisolasi adalah glisin, yang diperoleh dari hasil hidrolisat protein gelatin oleh H. Braconnot pada tahun 1820. Dari susunan yang bervariasi dalam tubuh suatu organisme tertentu, protein mengalami diferensiasi fungsi, misalnya berperan sebagai enzim, hormon, antibodi, sistem transportt, jaringan otot, dan berbagai fungsi biologis lain yang berbeda. Diantara sekian produk protein tersebut, enzim memiliki beragam peran yang bersifat khusus karena hampir semua reaksi seluler dikatalisasi oleh enzim. Pentingnya
BAB I PENDAHULUAN
A. LATAR BELAKANG
Protein merupakan makromolekul biologis yang paling melimpah yang terbentuk dan terdapat pada semua bagian sel. Sebagai suatu molekul makro yang mengandung nitrogen, protein memiliki ukuran yang bervariasi, mulai dari peptida yang berukuran relatif kecil hingga polimer besar dengan berat molekul mencapai jutaan dalam satu sel. Selain itu, protein juga memiliki berbagai macam fungsi biologis serta sebagai pembawa informasi genetik. Istilah protein pertama diperkenalkan pada tahun 1830-an oleh pakar Kimia berkebangsaan Belanda, Mudler. Beliau merupakan salah satu dari para ilmuwan yang mempelajari protein dari segi Kimia secara sistematik. Istilah protein sendiri diambil dari bahasa Yunani proteios yang berarti “tingkat pertama”. Nama tersebut menunjukkan pentingnya peranan protein dalam sistem hidup. Disamping itu, protein juga bersifat sebagai polimer yang terbentuk dari satuan asam amino yang terkait secara kovalen melalui ikatan peptida. Semua jenis protein, mulai dari yang paling sederhana hingga yang paling kompleks, tersusun atas 20 asam amino yang saling terkait dalam urutan linear dengan karakteristik tertentu. Karena masing-masing asam amino memiliki rantai samping dengan sifat kimia yang khas, maka protein yang dihasilkan juga akan memiliki sifat yang khas pula. Selain itu, jumlah dan urutan asam amino pada suatu protein menentukan struktur dan aktivitas biologi protein tersebut. Asam amino pertama diisolasi adalah glisin, yang diperoleh dari hasil hidrolisat protein gelatin oleh H. Braconnot pada tahun 1820. Dari susunan yang bervariasi dalam tubuh suatu organisme tertentu, protein mengalami diferensiasi fungsi, misalnya berperan sebagai enzim, hormon, antibodi, sistem transportt, jaringan otot, dan berbagai fungsi biologis lain yang berbeda. Diantara sekian produk protein tersebut, enzim memiliki beragam peran yang bersifat khusus karena hampir semua reaksi seluler dikatalisasi oleh enzim. Pentingnya
peranan protein dan asam amino sebagai penyusunnya dalam kehidupan mendorong disusunnya makalah tentang struktur dan fungsi asam amino dan protein berikut.
B. RUMUSAN MASALAH
Berdasarkan latar belakang di atas, maka beberapa rumusan masalah yang akan dibahas dalam makalah ini adalah: 1. Bagaimanakah struktur asam amino dan apakah fungsinya? 2. Bagaimanakah struktur protein dan apakah fungsinya?
C. TUJUAN PEMBAHASAN
Adapun tujuan pembahasan makalah ini adalah: 1. Untuk mengetahui struktur asam amino dan fungsinya 2. Untuk mengetahui struktur protein dan fungsinya
BAB II PEMBAHASAN
A. STRUKTUR DAN FUNGSI ASAM AMINO
Asam amino merupakan unit dasar penyusun protein. Keduapuluh asam amino pembentuk protein sering disebut sebagai asam amino primer atau asam amino standar, untuk membedakannya dari asam amino lain yang bukan pembentuk protein, meskipun ditemui dalam sel hidup. Keduapuluh asam amino tersebut diberi nama standar yang terdiri dari tiga huruf dan satu huruf kapital. Berikut keduapuluh asam amino standar beserta penamaannya. Tabel 1. Penamaan Asam Amino Standar
No.
Nama Asam Amino
Simbol Asam Amino 3 huruf
1 huruf
1.
Alanin
Ala
A
2.
Arginin
Arg
R
3.
Asparagin
Asn
N
4.
Asam aspartat
Asp
D
5.
Asam glutamat
Glu
E
6.
Feninalanin
Phe
F
7.
Glutamin
Gln
Q
8.
Glisin
Gly
G
9.
Histidin
His
H
10.
Isoleusin
Ile
I
11.
Leusin
Leu
L
12.
Lisin
Lys
K
13.
Metionin
Met
M
14.
Prolin
Pro
P
15.
Sistein
Cys
C
16.
Serin
Ser
S
17.
Treonin
Thr
T
18.
Triptofan
Trp
W
19.
Tirosin
Tyr
Y
20.
Valin
Val
V
Dari namanya menunjukkan bahwa suatu asam amino memiliki dua gugus fungsional, yaitu gugus amino (−NH2) dan gugus karboksilat ( – COOH). Gugus amino penyusun protein umumnya terikat pada Cα jika ditinjau dari gugus karboksilatnya. Asam amino paling sederhana adalah glisin, dengan struktur sebagai berikut. O H2 N
C C H2
OH
Gambar 1. Struktur Glisin
Semua asam amino pembentuk molekul protein mempunyai struktur yang serupa. Perbedaan struktur asam amino lebih banyak ditentukan oleh gugus rantai samping atau disebut dengan gugus R. Kehadiran gugus R mempengaruhi struktur, ukuran, muatan listrik, dan kelarutan asam amino dalam air. H
H2 N
C
α
R
C HO
O
(a)
(b)
Gambar 2. Struktur umum asam amino
Seperti halnya struktur pada gambar diatas, molekul asam amino memiliki sebuah atom C asimetris, yaitu atom C yang mengikat empat gugus yang berbeda dan jika molekul tersebut dicerminkan maka molekul asli dan bayangan cerminnya tidak dapat ditumpang tindihkan. Dalam satu molekul asam amino, atom Cα merupakan atom C asimetris. Akibatnya, suatu asam α-amino akan memiliki dua posisi gugus – NH2 yang berbeda sehingga molekul asam amino tersebut memiliki dua isomer ruang, yaitu L-asam α-amino dan D-asam α-amino.
(a)
(b)
Gambar 3. (a) Struktur L asam α-amino dan (b) D asam α-amino.
Pada kenyataannya di alam, kelimpahan L-asam α-amino lebih banyak daripada D-asam α-amino. Asam amino mengandung dua gugus yang berlawanan sifatnya, yaitu gugus –COOH yang bersifat asam (donor proton) dan gugus −NH2 yang bersifat basa (akseptor proton). Jika suatu asam amino dilarutkan dalam air, maka gugus-gugus tersebut akan mengalami ionisasi sesuai reaksi berikut.
(1)
(2)
NH2
H
NH3
Gambar 4. Ionisasi gugus – COOH dan gugus – NH2
Berdasarkan reaksi (1) dan (2), bila suatu asam amino dengan gugus – R nonpolar atau tidak bermuatan dilarutkan dalam air maka kedua gugus tersebut akan terion membentuk dua kutub sehingga secara keseluruhan asam amino tersebut akan tidak bermuatan atau netral. Ion dengan dua muatan berbeda yang terbentuk disebut dengan ion zwitter .
H
H
H2 N
C
H3 N
R
C
C
C HO
R
O
O
O
ion zwitter Gambar 5. Pembentukan ion zwitter
Walaupun ion dipolar (ion zwitter ) merupakan senyawa netral, namun muatan yang dimiliki oleh kedua kutub yang berlawanan adalah sama besar. Kondisi inilah yang menyebabkan kristal asam amino memiliki titik leleh jauh lebih tinggi dibanding titik leleh senyawa organik tidak bermuatan lain dengan ukuran sama. Hal ini dikarenakan adanya interaksi elektrostatik yang cukup besar antara gugus fungsi yang bermuatan positif dan negatif untuk membentuk kristal yang stabil seperti kristal NaCl. Oleh karena itu, pemutusan ikatannya memerlukan energi yang sangat tinggi dan dapat dilakukan pada temperatur tinggi. Selain itu, adanya ion zwitter menyebabkan asam amino dapat bereaksi dengan asam maupun basa, atau disebut dengan istilah amfoter. Dalam suasana asam, +
−
+
maka jumlah ion H mendominasi sehingga gugus −COO akan mengikat ion H dan −
bersifat basa. Sedangkan dalam suasana basa dimana jumlah ion OH lebih banyak, +
+
asam amino akan melepaskan ion H dari gugus – NH3 dan berperan sebagai asam. H
H3 N
C
R
H+
H3 N
C HO
C
R
−
OH
H2 N
C O
(a)
H
H
O
C
R
C O
O
(b)
O
(c)
Gambar 6. Asam amino dalam kondisi (a) asam, (b) netral, dan (c) basa
Sifat asam basa dari asam amino tersebut dapat dimanfaatkan untuk memahami sifatsifat protein lainnya. Berdasarkan karakter asam basanya pula, proses pemisahan, identifikasi dan kuantitas asam amino dapat diketahui.
Berbeda dengan asam organik lain (biasanya berupa asam lemah), asam amino mempunyai kurva titrasi yang khas. Hal ini juga merupakan salah satu akibat adanya ion zwitter . Sebagai contoh, titrasi terhadap larutan glisin 0,1 M dalam suasana asam pH = 1 dengan larutan NaOH 0,1 M. Dalam kondisi ini alanin berada sebagai ion dengan rumus molekul : O C H
OH
CH NH3
Karena glisin memiliki gugus karboksilat dan gugus amino yang keduanya dapat melepaskan proton, maka titrasi berlangsung dua tahap, yaitu titrasi terhadap gugus – +
COOH dilanjutkan titrasi terhadap gugus – NH3 . Berikut adalah kurva titrasi glisin.
Gambar 7. Kurva titrasi glisin
Pada titrasi pertama, sebagian gugus karboksilat kehilangan gugus – H +
sehingga konsentrasi donor proton ( NH3 – CH2 – COOH) terus berkurang sedangkan +
−
konsentrasi akseptor proton ( NH3 – CH2 – COO ) bertambah. Pada kondisi tertentu konsentrasi keduanya akan sama besar sehingga harga pH akan sama dengan harga pK gugus karboksilat, yaitu 2,34. Jika titrasi diteruskan, maka semua proton dari gugus karboksilat akan hilang pada pH = 5,97 dan terbentuklah ion zwitter dengan harga maksimum. pH pada kondisi tersebut disebut dengan titi k i soelektrik . +
+
Titrasi tahap kedua bertujuan untuk melepaskan ion H dari gugus – NH3 . +
−
Titik ekivalen titrasi tercapai jika ion NH3 – CH2 – COO memiliki konsentrasi yang −
sama dengan ion NH2 – CH2 – COO . Harga pH pada keadaan ini sama dengan pK +
dari gugus amonium yaitu 9,60. Bila titrasi diteruskan, maka seluruh ion H akan +
hilang dilepaskan dari gugus – NH3. Dari kurva titrasi diatas dapat diperoleh beberapa informasi, diantaranya : (1) Nilai pK dari gugus kaboksilat dan gugus amino yang terionkan dapat ditentukan secara kuantitatif. Sesuai dengan contoh diatas, pKa gugus karboksilat glisin adalah 2,34 sedangkan pKa gugus aminonya adalah 9,60. (2) Kurva titrasi menunjukkan adanya dua daerah buffer, yaitu pada pH = 2,34 dan pada pH = 9,60. Hal ini menunjukkan bahwa glisin tidak dapat menjadi buffer yang baik bagi cairan intraseluler atau darah yang memiliki pH = 7,4. (3) Kurva titrasi asam amino memberikan informasi hubungan antara muatan listrik asam amino dengan pH larutan. Pada pH = 5,97 glisin secara keseluruhan berada dalam bentuk ion zwitter yang tidak bermuatan (netral) sehingga tidak tertarik oleh medan listrik. Harga pH isoelektirk adalah rata-rata dari nilai pK gugus karboksilat dan pK gugus amonium, yang dapat dinyatakan dengan persamaan :
( ) ( )
Untuk glisin, pHI = ½ (pK 1 + pK 2) pHI = ½ (2,34 + 9,60) = 5,97 Di atas pH isoelektrik, asam amino akan berada pada suasana basa dan bermuatan negatif sehingga akan tertarik ke arah elektroda positif. Sedangkan
pada kondisi di bawah titik isoelektriknya, asam amino berada pada suasana asam dan bermuatan positif sehingga akan tertatik ke arah elektrode negatif. Semakin jauh pH larutan glisin dari pH isoelektrik maka semakin besar muatan rata-rata dari populasi molekul glisin. Informasi-informasi ini memiliki kepentingan praktis karena dapat memisahkan asam-asam amino yang berbeda satu dengan yang lain berdasarkan arah dan kecepatan migrasi relatif dari tiap campuran yang ditempatkan pada medan listrik dan pH tertentu. Berikut adalah data pK beberapa asam amino.
Gambar 8. Data pK asam amino standar
Asam amino dengan gugus −R yang dapat mengion mempunyai kurva titrasi yang lebih kompleks. Asam amino jenis ini mempunyai 3 keadaan titrasi sehubungan +
dengan proses penghilangan ion H . Golongan ini mempunyai dua jenis kurva titrasi, yaitu kurva untuk gugus – R pembawa gugus amino dan kurva untuk gugus – R pembawa gugus karboksilat. Titik isoelektrik dari golongan asam amino ini mencerminkan tipe ionisasi gugus – R yang ada. Berikut adalah contoh kurva titrasi asam glutamat dan histidin.
(a)
(b) Gambar 9. Kurva titrasi (a) asam glutamat dan (b) histidin
PENGGOLONGAN ASAM AMINO
Berdasarkan struktur 20 asam amino standar yang ditemukan dalam protein, asam-asam amino tersebut dapat dikelompokkan berdasarkan sifat gugus rantai sampingnya (gugus – R). Berdasarkan polaritas gugus – R, asam amino dibagi menjadi 2 kelompok, yaitu (1) asam amino dengan gugus – R nonpolar dan (2) asam amino dengan gugus – R polar, yang terdiri dari (a) gugus – R tidak bermuatan, (b) gugus – R bermuatan positif, dan (c) gugus – R bermuatan negatif. Berikut penjelasan untuk tiap kelompok asam amino tersebut.
1. Asam Amino dengan Gugus – R Nonpolar
Gugus samping asam amino golongan ini berupa senyawa hidrokarbon sehingga bersifat hidrofobik. Hal ini menyebabkan asam amino jenis ini sukar larut dalam air dan cenderung berkelompok. Umumnya asam amino jenis ini terdapat pada bagian dalam protein. Delapan jenis asam amino yang termasuk dalam kelompok ini adalah: No.
Asam Amino
1.
Alanin
2.
Valin
3.
Leusin
Stuktur Asam Amino
Sifat Gugus – R
Gugus – R berupa rantai karbon alifatik
4.
Isoleusin
5.
Fenilalanin Gugus – R berupa cincin aromatik
No.
6.
Asam Amino
Stuktur Asam Amino
Sifat Gugus – R
Triptofan
Gugus – R berupa cincin aromatik
7.
Prolin
Gugus – R berupa cincin siklik hidrokarbon siklik yang terikat pada atom N gugus amina
8.
Metionin
Gugus – R mengandung atom S
Asam-asam amino dalam kelompok ini menstabilkan struktur protein melalui interaksi hidrofobik. Triptofan memiliki cincin indol yang dapat berinteraksi dengan air sehingga dapat pula dijumpai pada protein bagian luar. Prolin memiliki struktur yang unik dengan rantai samping berupa siklik yang terikat pada atom nitrogen gugus amino maupun pada atom C bebas dari gugus karboksil. Prolin sering dijumpai pada bagian
melengkung
lipatan polipeptida
karena
tidak
memiliki
kemampuan
membentuk ikatan hidrogen. Metionin , salah satu dari dua asam amino yang mengandung sulfur, memiliki gugus rantai sampingnya.
nonpolar berupa sebuah gugus tioeter pada
2. Asam Amino dengan Gugus – R Polar
Dibandingkan dengan asam amino kelompok nonpolar, asam amino kelompok ini relatif lebih mudah larut dalam air karena mengandung gugus – R polar yang memungkinkan terbentuknya ikatan hidrogen dengan molekul air sebagai pelarut. Asam amino kelompok ini dibedakan berdasarkan muatannya pada pH netral (pH fisiologis). Penggolongan asam amono dengan gugus – R polar disajikan dalam tabel berikut. Jenis Gugus – R
Asam Amino
Glisin
Serin
Struktur Asam Amino
Sifat Gugus – R
Memiliki gugus – R terkecil (−H)
Mengandung gugus – R berupa gugus hidroksil yang
Treonin
bersifat asam sangat lemah
Polar Tidak Bermuatan Mengandung gugus – R berupa gugus Tirosin
hidroksil yang bersifat asam sangat lemah Mengandung gugus
Sistein
– R berupa gugus sulfohidril
Jenis Gugus – R
Asam Amino
Struktur Asam Amino
Sifat Gugus – R
Asparagin Merupakan amida
Polar Tidak
dari asam aspartat
Bermuatan
dan asam glutamat Glutamin
Lisin
Bersifat basa dan
Polar Bermuatan
bermuatan positif
Positif
pada pH fisiologis
Arginin
Jenis Gugus – R
Polar Bermuatan Positif
Asam Amino
Struktur Asam Amino
Sifat Gugus – R
Bersifat basa dan Histidin
bermuatan positif pada pH fisiologis
Asam Aspartat Bersifat asam dan
Polar Bermuatan
bermuatan negatif
Negatif
pada pH fisiologis Asam glutamat
Asaparagin, glutamin, treonin, serin, dan glisin memiliki gugus – R tidak
bermuatan. Asam-asam amino tersebut, kecuali glisin, memiliki gugus yang cukup polar. Polaritas serin dan treonin berasal dari gugus hidroksilnya, sistein oleh gugus sulfohidrilnya, sedangkan asparagin dan glutamin oleh gugus amidanya. Adanya gugus-gugus polar ini menyebabkan asam-asam amino tersebut dapat membentuk ikatan hidrogen dengan air sehingga asam-asam amino tersebut dapat dijumpai pada bagian luar protein dalam keadaan tersolvasi oleh air, maupun di bagian dalam protein melalui ikatan hidrogen dengan molekul air atau dengan gugus – R dari asam amino lain yang berdekatan. Glisin memiliki gugus – R terkecil sehingga letaknya sangat fleksibel dalam pelipatan protein. Asparagin dan glutamin mudah dihidrolisis oleh asam atau basa . Sistein mudah teroksidasi membentuk dimer kovalen yang disebut sistin, dimana dua molekul sistein bergabung melalui ikatan disulfida. Residu dengan ikatan disulfida ini bersifat sangat hidrofobik (nonpolar) dan berperan khusus
dalam pembentukan struktur berbagai protein melalui ikatan kovalen antar bagian bagian dari suatu molekul protein. Asam amino yang bersifat paling hidrofilik adalah asam amino dengan gugus – R bermuatan positif atau negatif. Asam amino dengan gugus – R bermuatan positif pada pH = 7 adalah lisin yang memiliki gugus amino primer kedua pada rantai alifatiknya, arginin yang memiliki muatan positif pada gugus guanidino, dan histidin yang mengandung gugus imidazol. Histidin adalah satu-satunya asam amino dengan rantai samping yang terionisasi dengan nilai pKa mendekati netral. Dalam berbagai reaksi enzimatis, histidin berperan sebagai donor maupun akseptor proton. Dua jenis asam amino bermuatan negatif pada pH = 7 adalah asam aspartat dan asam glutamat yang masing-masing memiliki gugus karboksil kedua.
Delapan dari duapuluh asam amino standar diatas disebut pula sebagai asam amino esensial , yaitu asam-asam amino yang tidak dapat disintesis dari senyawa-
senyawa nitrogen yang lebih sederhana di dalam tubuh manusia, dan jika bisa maka hanya sedikit produk yang dihasilkan. Oleh karena itu, asam amino tersebut harus ada dalam makanan yang dikonsumsi setiap hari. Delapan jenis asam amino tersebut adalah lisin, triptofan, fenilalanin, leusin, isoleusin, treonin, metionin, dan valin.
B. STRUKTUR DAN FUNGSI PROTEIN
Asam
amino
merupakan
monomer
penyusun
protein,
yaitu
suatu
makromolekul yang terdiri dari beberapa rantai polipeptida. Suatu peptida diperoleh bila dua atau lebih residu asam amino berikatan kovalen satu sama lain melalui yang terbentuk antara atom C gugus karbonil satu dengan atom N ik atan peptida gugus amino dari asam amino lain. Reaksi pembentukan ikatan peptida berlangsung dengan melepaskan molekul H2O sehingga disebut r eaksi kon densasi . Molekul air diperoleh sebagai hasil reaksi antara gugus – OH yang dilepaskan oleh gugus karboksilat asam amino satu dan gugus – H yang dilepaskan oleh gugus amino dari asam amino lainnya.
Unit asam amino dalam suatu peptida disebut residu asam amin o karena bukan lagi berupa molekul utuh akibat kehilangan gugus hidroksil dan hidrogen. Kedua ujung rantai peptida masing-masing disebut residu termi nal amino (residu terminal N) dan residu termi nal kar boksil (residu terminal C). Nama suatu peptida dimulai dari residu terminal N dan diakhiri dengan residu terminal C. Mekanisme reaksi kondensasi tersebut dilukiskan sebagai berikut.
Gugus N-terminal
Gugus C-terminal Ikatan Peptida
Gambar 10. Pembentukan ikatan peptidak melalui r eaksi kondensasi
Sesuai dengan jumlah asam amino penyusun peptida dengan reaksi yang sama, maka dapat terbentuk tripeptida, tetrapeptida, pentapeptida, dan seterusnya. Jika terdapat lebih dari sepuluh asam amino, umumnya disebut dengan polipeptida . Berikut merupakan contoh suatu pentapeptida.
Gambar 10. Suatu pentapeptida
Suatu polipeptida dapat dihasilkan dari hidrolisis molekul protein. Hal ini menggambarkan bahwa suatu makromolekul protein disusun oleh banyak polipeptida yang mengandung ratusan (mungkin ribuan) residu asam amino. Namun tidak semua polipeptida dapat disebut sebagai protein. Menurut Paul Karlson, protein merupakan suatu rantai peptida asam amino yang jika dihidrolisis akan menghasilkan sedikitnya 100 residu asam amino. Jika kurang dari itu, maka rantai peptida tersebut hanya disebut polipeptida.
STRUKTUR PROTEIN
Dari namanya, protein berarti “yang pertama”, molekul ini merupakan makromolekul terbanyak dalam sel, hampir separuh berat kering sel merupakan molekul protein. Sel memiliki beragam molekul protein yang tersusun dengan urutan dan komposisi asam amino yang berbeda-beda. Hal ini menjadikan protein sebagai suatu makromolekul yang memegang peran penting dalam hampir semua proses biologis, seperti
katalisis,
transport,
koordinasi
gerak,
kepekaan,
serta
pengawasan
pertumbuhan dan diferensiasi. Luasnya fungsi protein dimungkinkan akibat sifat rantai polipeptida protein yang dapat membentuk struktur 3-dimensi tertentu melalui interaksi kovalen maupun nonkovalen pada strukturnya. Struktur kovalen protein menunjukkan urutan asam amino dalam rantai poli peptida. Urutan asam amino bersifat khas dan menentukan pelipatan rantai polipeptida dalam struktur 3-dimensinya. Hampir semua ikatan peptida berposisi trans, dimana hidrogen gugus amino terletak pada sisi yang berlawanan terhadap oksigen gugus karbonil. Hal ini dimaksudkan untuk meminimalkan efek sterik.
(b)
(a)
Gambar 11. Ikatan peptida pada posisi (a) trans dan (b) cis
Berdasarkan struktur rantai polipeptida penyusunnya, protein dibagi menjadi 4 tingkatan struktur, yaitu : 1. Struktur Primer, menunjukkan struktur protein yang hanya disusun oleh residu
asam amino dalam bentuk rantai tunggal polipeptida. Asam-asam amino saling terhubung melalui ikatan peptida.
Gambar 12. Contoh struktur primer protein
2. Struktur Sekunder, menunjukkan bentuk berbelit-belit dari rantai polipeptida
berupa pilin. Kestabilan pilin diperoleh akibat akibat adanya ikatan hidrogen antara gugus −CO− dan gugus −NH− dalam satu rantai ikatan polipeptida. Ikatan hidrogen tersebut termasuk merupakan ikatan intramolekuler. Ada dua jenis struktur sekunder yang umum dijumpai, yaitu :
, berpilin seperti kabel telepon, dan a. α-helix , berupa lembaran yang berlipat-lipat, sesuai dengan pola pelipatannya b. β -sheet dapat membentuk susunan paralel dan anti-paralel.
Gambar 13. Dua jenis struktur sekunder protein
3. Struktur Tersier, berhubungan dengan cara bagaimana rantai-rantai polipeptida saling berikatan. Struktur ini berupa struktur 3-dimensi rantai polipeptida yang terbentuk akibat pelipatan struktur sekunder disertai penataan ruang dari gugus – R. Interaksi terpenting yang menstabilkan struktur ini adalah ikatan hidrogen, interaksi elektrostatik, interaksi hidrofobik, dan ikatan disulfida. Suatu rantai polipeptida akan melipat sedemikian rupa membentuk konformasi 3-dimensi yang stabil dengan tingkat energi terendah sesuai aktivitas biologinya. Protein yang menyusun rambut, kuku, otot, dan jaringan ikat berfungsi sebagai protein struktural dan pelindung dengan struktur berupa serat. Protein ini bersifat kuat dan tidak larut dalam air. Sedangkan enzim, hormon, dan antibodi yang bekerja dalam cairan sel berbentuk bola (globular) sehingga mudah larut dalam air.
4. Struktur Kuarterner, merupakan struktur terkompleks dari protein yang
mengandung beberapa rantai polipeptida. Struktur ini memiliki ikatan hidrogen,
interaksi van der Waals, interaksi gugus nonpolar yang menstabilkannya, ditambah interaksi antar rantai polipeptida melalui interaksi polar, nonpolar, maupun van der Waals. Salah satu contoh struktur kuarterner protein adalah haemoglobin yang terdiri dari 4 rantai polipeptida. Berikut merupakan rangkuman tentang tingkatan struktur protein.
Gambar 14. Tingkatan struktur penyusun protein
PENGGOLONGAN PROTEIN
Umumnya, pembagian protein dilakukan berdasarkan sifat kelarutan dan susunan molekulnya. Berikut penggolongan protein berdasarkan sifat-sifat tersebut. 1. Berdasarkan Bentuk/Sifat Kelarutannya
Walaupun bentuk dari struktur primer protein berupa rantai linear, hampir semua protein di alam ada dalam bentuk melipat dan kompak membentuk struktur globular. Sedangkan beberapa yang lain membentuk serat seperti kolagen. a. Protein Globular
Protein jenis ini bersifat mudah larut dalam air, asam maupun basa encer, serta garam-garam. Pada protein globular, rantai-rantai polipeptida berlipat rapat-rapat menjadi bentuk seperti bola. Hampir semua enzim, protein transport, antibodi dan protein cadangan makanan merupakan protein globular. b. Protein Serat/Fibrous
Protein serat bersifat tidak larut dalam pelarut-pelarut yang umum, seperti pelarut air, asam maupun basa kuat. Protein ini disebut juga sebagai protein serabut. Rantai polipeptida penyusun protein ini memanjang pada satu sumbu dan tidak berlipat menjadi bentuk bola (globular). Hampir semua protein serat mempunyai peran struktural atau pelindung. Contoh protein serabut yang khas adalah α-keratin pada rambut dan wol.
(a)
(b)
Gambar 15. (a) Protein serat, misalnya kolagen, dan (b) protein globular, misalnya haemoglobin
2. Berdasarkan Susunan Molekulnya a. Protein Sederhana (Protein Tunggal)
Protein sederhana ialah protein-protein yang apabila dihidrolisis hanya menghasilkan asam-asam amino saja. Protein yang termasuk golongan ini adalah : (1) Albumin, larut dalam air, asam, basa, dan larutan garam-garam netral. Albumin
terkoagulasi karena panas dan mengendap bila larutannya dijenuhkan dengan (NH4)2SO4 tetapi tidak mengendap dalam larutan NaCl. (2) Globulin, tidak larut dalam air, tetapi larut dalam larutan-larutan garam-garam
yang netral, yang encer, dan asam anorganik yang encer. Globulin terkoagulasi karena panas dan mengendap bila dijenuhkan dengan NaCl atau dengan larutan sulfat setengah jenuh. Globulin biasanya mengandung glisin dan dapat dibedakan ke dalam serum globulin, glubulin jaringan dan sayur-sayuran.
(3) Glutelin, tidak larut dalam air maupun larutan garam-garam netral yang encer,
tetapi larut dalam asam dan basa encer. Glutein terkoagulasi karena panas namun kaya akan arginin, prolin dan asam glutamat. Protein jenis ini dibedakan menjadi glutelin (dalam gandum) dan orizenin (dalam bera s). (4) Prolamin, tidak larut dalam air atau larutan garam, tetapi larut dalam asam, basa,
dan larutan etanol 70-90% serta tidak menggumpal oleh panas. Prolamin kekurangan lisin tetapi kaya akan prolin, dan terdiri atas :
Zenin, terdapat dalam jagung
Gliodin, terdapat dalam gandum
Hardein, terdapat dalam jewawut
(5) Albuminoid (seklero protein), tidak larut dalam air ataupun larutan garam,
tetapi larut dalam asam basa kuat. Albuminoid akan terhidrolisis bila dididihkan dalam asam-asam pekat. Contoh seklero protein adalah keratin (pada rambut), vibroin (pada sutra), dan elastin (pada urat dan otot). (6) Histon, bersifat basa, larut dalam air dan asam-asam encer, tetapi tidak larut
dalam amonia encer serta tidak terkoagulasi karena panas. Histon kaya akan histidin dan arginin, tidak mengandung triptofan, mengandung sedikit sistein dan metionin. Protein ini sering dijumpai bersama-sama dengan asam nukleat, sehingga sering disebut sebagai nukleoprotein.
b. Protein Konjugasi (Protein Majemuk)
Protein majemuk adalah protein-protein yang mengandung gugus nonprotein, yaitu senyawa-senyawa bukan asam amino. Gugus-gugus nonprotein ini biasanya disebut gugu s prosteti k . Jenis protein yang termasuk dalam golongan ini ialah : (1) Kromoprotein
Kromoprotein ialah protein yang jika dihidrolisis akan menghasilkan asam amino dan zat warna. Keistimewaan protein ini ialah karena adanya logam-logam Fe, Cu, Mg, Co, dan lain-lain yang mengandung zat warna. Contohnya klorofil yang terdapat pada hijau daun dan haemoglobin yang terdapat pada butir-butir darah merah.
(2) Nukleoprotein
Nukleoprotein ialah protein yang mengikat asam nukleat, seperti protein yang terdapat dalam inti sel tumbuhan maupun binatang. Gugus prostetiknya adalah suatu polimer dengan massa molekul relatif besar disebut asam nukleat.
(3) Glukoprotein
Glukoprotein ialah protein yang mengikat karbohidrat sebagai gugus prostetik. Contohnya adalah musin dalam saliva yang sering disebut sebagai mukoprotein. (4) Fosfoprotein
Fosfoprotein ialah protein yang mengikat gugus fosfat sebagai gugus prostetiknya. Jika senyawa ini dihidrolisis sempurna akan dihasilkan asam amino dan asam fosfat. Contohnya kasein yang terdapat dalam susu dan vitelin yang terdapat dalam kuning telur. (5) Lipoprotein
Lipoprotein ialah protein yang mengikat asam lemak, senyawa ini sering juga digolongkan
dalam
lipid.
Hampir
semua
lipid
dalam
darah
mamalia
ditransporttasikan dalam bentuk kompleks lipoprotein. Sistem transport dalam mitokondria diduga mengandung sejumlah besar lipoprotein. Contohnya antara lain adalah lesitin atau sefarin. (6) Metaloprotein
Metaloprotein ialah protein-protein yang membentuk kompleks dengan logam-logam atau ion-ion logam, misalnya kalsium-kaseinat yang terdapat dalam susu, haemoglobin yang terdapat dalam darah, dan pada umumnya metaloenzim.
FUNGSI PROTEIN
Sebagai makromolekul penting penyusun organisme, protein memiliki fungsi-fungsi tertentu. Berdasarkan fungsinya, protein dapat pula dibagi menjadi beberapa kelompok sebagai berikut. 1)
Protein enzim
Enzim merupakan protein yang paling banyak dijumpai dan mempunyai kekhususan yang sangat spesifik sehingga dapat berfungsi sebagai katalis. Hampir semua reaksi kimia biomolekul organik dalam sel dikatalis oleh enzim. 2)
Protein kontraktil
Protein kontraktil atau sering disebut protein motil berfungsi memberikan kemampuan pada sel untuk mengadakan kontraksi. Aktin dan miosin merupakan protein filamen yang berfungsi dalam kontraksi otot rangka. 3)
Protein transport
Protein transport berfungsi mengangkut molekul atau ion spesifik dari satu organ ke organ lain. Haemoglobin pada sel darah merah mengikat oksigen ketika darah melalui paru-paru dan membawa oksigen ke jaringan periferi, kemudian oksigen dilepaskan di jaringan periferil dan digunakan untuk kelangsungan oksidasi nutrien yang menghasilkan energi. Contoh lainnya adalah lipoprotein yang mentransportasikan hampir semua lipid dalam darah mamalia dalam bentu k kompleks lipoprotein. 4)
Protein nutrien
Protein nutrien dibutuhkan untuk pertumbuhan embrio, baik pada hewan maupun pada tumbuhan. Ovalbumin adalah protein utama yang dijumpai pada putih telur, sedangkan kasein adalah protein utama yang terdapat pada susu. Keduanya merupakan contoh protein nutrien. 5)
Protein struktural
Protein struktural berfungsi sebagai filamen penyangga yang memberikan struktur biologi. Komponen utama dari urat dan tulang rawan adalah protein serabut dengan daya tegang yang amat tinggi. Persendian mengandung elastin, suatu protein struktural yang mampu meregang 2-dimensi. Rambut, kuku, dan bulu burung terutama terdiri atas protein keratin. 6)
Protein pertahanan
Protein pertahanan berfungsi mempertahankan organisme untuk melawan serangan oleh spesies lain atau melindungi organisme itu jika menderita luka. Imunoglobulin atau antibodi pada vertebrata adalah protein khusus yang dibuat oleh
limposit yang dapat mengenali dan mengendapkan atau menetralkan serangan bakteri, virus, ataupun protein lainnya. 7)
Protein pengatur/pengendali
Protein pengatur berfungsi untuk mengatur aktivitas seluler atau fisiologi. Diantara jenis ini terdapat sejumlah hormon, seperti insulin yang mengatus metabolisme gula, hormon pertumbuhan dan hormon paratiroid yang mengatur 2+
transport Ca dan fosfat.
DENATURASI PROTEIN
Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, konformasi rantai polipeptida distabilkan oleh adanya ikatan hidrogen, interaksi van der Waals, ikatan disulfida, dan interaksi lainnya. Secara umum molekul protein memiliki bentuk lipatan ( folding ) tertentu yang disebut sebagai keadaan alami protein. Folding paling stabil dalam suatu konformasi protein adalah konformasi dengan energi bebas terkecil, yaitu pada kondisi alamiahnya. Misalnya, hampir seluruh protein yang larut dalam air memiliki struktur globular. Protein jenis ini melipat sedemikian rupa sehingga hampir seluruh gugus hidrofobik asam amino berada di bagian dalam, sedangkan gugus hidrofiliknya berada di permukaan dan dapat berinteraksi langsung dengan molekul air. Ikatan-ikatan lemah yang ada pada protein dapat dirusak dengan perlakuan perlakuan tertentu sehingga lipatan pada struktur polipeptida menjadi terbuka (unfold ). Bila hal tersebut terjadi, protein yang bersangkutan dikatakan mengalamai . Protein globular yang terdenaturasi tetap memiliki struktur kovalen yang denaturasi utuh namun rantai polipeptidanya terbuka menjadi bentuk acak dan tidak teratur sehingga struktur 3-dimensinya mengalami perubahan. Protein globular yang terdenaturasi umumnya tidak larut dalam larutan dengan pH mendekati 7 dan akan kehilangan aktivitas biologinya.
Gambar 16. Denaturasi protein
Proses denaturasi terjadi secara serempak, bagian yang terbuka akan segera menstabilkan diri membentuk struktur 3-dimensi berlipat lain, yaitu struktur coil . Perubahan kondisi lingkungan seperti kenaikan temperatur, perubahan pH, dan penambahan denaturan mengubah struktur 3-dimensi protein dengan mudah. Kenaikan suhu mengakibatkan molekul protein bervibrasi terlalu kuat sehingga memutuskan ikatan hidrogen pada protein. Putusnya ikatan hidrogen mengakibatkan terbukanya struktur protein namun dengan cepat protein tersebut membentuk struktur acak. Pada akhirnya, antar rantai yang terbuka bergabung membentuk koagulan yang tidak larut dalam air. Hal ini dapat diamati pada proses perebusan putih telur.
Gambar 17. Denaturasi protein akibat kenaikan temperatur pada putih telur
Perubahan pH mengubah keadaan ionisasi gugus samping residu asam amino. Akibatnya, jembatan garam yang menstabilkan struktur protein menjadi rusak. Perubahan pH tersebut juga mengubah distribusi muatan yang diperlukan untuk pembentukan ikatan hidrogen. Perubahan pH yang ekstrem juga dapat mengubah ionisasi gugus samping hidrofilik yang berada di bagian dalam struktur 3-dimensi protein sehingga merusak konformasi dan fungsi biologi protein tersebut.
Gambar 18. Denaturasi protein akibat perubahan pH
Pada awalnya denaturan seperti urea atau guanidin klorida diduga dapat mendenaturasi protein karena kemampuannya membentuk ikatan hidrogen baru dengan memutuskan ikatan hidrogen dalam protein. Namun, menurut hasil penelitian Nozaki, Y. Dan Tanford, C. dalam Chothia (1974), kedua molekul tersebut ternyata dapat meningkatkan kelarutan molekul-molekul nonpolar, termasuk gugus – R asam amino nonpolar. Meningkatnya kelarutan senyawa nonpolar menyebabkan penurunan interaksi hidrofobik yang berakibat pada berubahnya konformasi protein. Penambahan pelarut organik juga dapat menyebabkan terjadinya denaturasi. Hal ini dapat diamati jika ditambahkan sejumlah alkohol ke dalam susu maka akan terbentuk gumpalan. Perubahan kepolaran pelarut menyebabkan perubahan struktur 3-dimensi protein sehingga rantai polipeptida akan terbuka dan menyebabkan protein terdenaturasi yang teramati sebagai gumpala yang tidak larut dalam air atau pelarut yang lebih polar.
Proses denaturasi berbeda dengan degradasi. Denaturasi hanya mengubah struktur tersier protein namun susunan asam amino tidak berubah, sedangkan degradasi memecah molekul protein dan memutus ikatan peptida sehingga diperoleh asam-asam amino penyusun protein tersebut. Dalam proses konsumsi protein, terjadi proses denaturasi dan kemudian protein terdegradasi menjadi asam-asam amino penyusunnya di dalam tubuh manusia. Asam-asam amino tersebut bermanfaat untuk mengkode protein yang memiliki banyak peran penting dalam tubuh kita.
BAB III PENUTUP
Berdasarkan pembahasan pada bab II, maka dapat ditarik beberapa kesimpulan, diantaranya : (1) Asam amino merupakan unit dasar penyusun protein. Struktur umum suatu asam amino adalah adanya dua gugus fungsional dalam satu molekul asam amino, yaitu gugus amino (−NH2) dan gugus karboksilat ( – COOH). Perbedaan struktur asam amino lebih banyak ditentukan oleh gugus rantai samping (gugus – R) yang mempengaruhi struktur, ukuran, muatan listrik, dan kelarutannya dalam air. (2) Protein merupakan suatu makromolekul yang terdiri dari beberapa rantai polipeptida yang diperoleh bila dua atau lebih residu asam amino berikatan kovalen
satu
sama
lain
melalui
ikatan
peptida . Berdasarkan
tingkat
kekompleksanya, struktur asam amino dibedakan menjadi struktur primer, sekunder, tersier, dan kuarterner. Sedangkan berdasarkan fungsinya, protein dibagi menjadi protein enzim, protein kontraktil, protein transpor, protein nutrien, protein struktural, protein pertahanan, protein pengatur/pengendali.
