MAKALAH BIOLOGI SEL DAN MOLEKULER STRUKTUR DAN FUNGSI HEMOGLOBIN DAN MYOGLOBIN
Kelompok 6 Disusun Oleh: Noni Wulandari
13304241004
Fariha Suci Rahmasari
13304241005
Asih Rahayu
13304241009
Ramaida
.
13304241033
Sri Suwarni Yuliattiningsih
13304241041
JURUSAN PENDIDIKAN BIOLOGI FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS NEGERI YOGYAKARTA Desember 2014
BAB I PENDAHULUAN
Kehidupan makhluk hidup dapat berlangsung salah satunya dikarenakan adanya oksigen. Mekanisme pengangkutan oksigen dalam tubuh melalui sistem pernapasan. Adapaun yang berperan dalam pengangkutan oksigen dan pendistribusiannya adalah hemoglobin dan myoglobin. Hemoglobin merupakan suatu protein yang berperan dalam pengangkutan oksigen dalam sel darah merah, sedangkan myoglobin merupakan protein yang berperan dalam pengangkutan oksigen dalam sel otot. Hemoglobin dan myoglobin merupakan protein fungsional karena keduanya mempunyai peranan atau fungsi yaitu sebagai pembawa oksigen atau protein transport. Hemoglobin memiliki fungsi untuk mengikat dan membawa oksigen dari paru-paru ke seluruh jaringan tubuh, mengikat dan membawa karbondioksida dari seluruh jaringan tubuh ke paru-paru, memberi warna merah pada darah, dan mempertahankan keseimbangan asam basa dari tubuh. Sedangkan myoglobin berfungsi untuk mengikat dan menyimpan oksigen dalam otot, dan saat saat tubuh dalam keadaan kekurangan, oksigen akan dilepas ke mitokondria otot untuk sintesis ATP melalui proses respirasi sel.
A. Struktur Hemoglobin
Hemoglobin merupakan molekul pembawa oksigen dengan Mr 64500. Hemoglobin (Hb) berasal
dari bahasa Yunani yaitu ‘hemo’ dan ‘globin’. Kata hemo berarti darah dan globin merupakan protein dalam darah. Hemoglobin terdapat dalam sel darah merah dan memiliki peranan yang penting dalam transport karbondioksida dan ion hidrogen. Melalui analisis sinar-X telah ditemukan bahwa bentuk molekul hemoglobin agak bulat dengan diameter sekitar 5,5 nm. Kapasitas hemoglobin untuk mengikat oksigen bergantung pada keberadaan gugus prostetik yang disebut heme, yang sekaligus menyebabkan darah berwarna merah. Hemoglobin memiliki dua komponen penyusun, yaitu heme dan globin. 1. Heme
Heme terdiri atas bagian organik dan suatu atom besi. Bagian organik yaitu porfirin tersusun dari empat cincin pirol . Keempat pirol ini terikat satu sama lain melalui jembatan metilen, membentuk cincin tetrapirol . Porfirin pada hemoglobin adalah protoporfirin IX yang mengandung empat rantai samping metil, dua rantai samping vinil dan dua rantai samping propionil terikat ke cincin tetrapirol tersebut.
Gambar 2. Struktur Heme , Fe-Protoporfirin IX (Lehninger, 2005) Atom besi di dalam heme mengikat keempat atom nitrogen di pusat cincin protoporfirin. Besi tersebut juga dapat membentuk dua ikatan tambahan, masing-masing di satu sisi bidang dari heme. Kedua tempat pengikatan ini dinamai posisi koordinasi kelima dan keenam. Atom besi dapat berbentuk fero (2+) atau feri (3+) sehingga hemoglobin yang bersangkutan disebut juga
sebagai ferohemoglobin dan ferihemoglobin atau methemoglobin. Hanya besi dalam bentuk 2+ (ferohemoglobin) yang dapat mengikat oksigen.
Gambar 3. Atom besi dalam heme dapat membentuk enam ikatan Pada posisi koordinasi kelima dari zat besi fero nitrogen cincin histidin proksimal sedangkan posisi koordinasi keenam dari zat besi fero dalam globin mengikat suatu molekul oksigen. Atom besi dari hem terikat langsung dengan histidin F8. Histidin ini menduduki kedudukan koordinasi kelima, dinamakan histidin proximal yang terikat dengan gugus hem secara permanen. Situs pengikatan oksigen terletak di sisi lain dari bidang hem yaitu pada kedudukan koordinasi keenam. Suatu residu histidin kedua (E7) disebut juga histidin distal, dekat dengan hem namun tidak terikat sehingga ikatan tidak permanen. 2.
Globin
Globin adalah protein globuler (protein yang terbentuk dari gabungan struktur kuarterner yang kompleks dan membentuk suatu bulatan (globular) yang terdiri dari dua masing-maisng memiliki residu).
rantai α (yang
141 residu) dan dua rantai β (yang masing-masing memiliki 146
Rantai α dan β hemoglobin mengandung beberapa potongan α-heliks yang
dipisahkan oleh lekukan-lekukan. Keempat rantai polipeptida akan bersama-sama menyesuaikan diri dalam suatu susunan yang mendekati tetra hedral, untuk membentuk suatu susunan struktur kuarterner hemoglobin yang khas.
Pembentukan stuktur kuarterner ini terdiri dari rantai polipeptida yang semula membentuk struktur primer, kemudian stuktur primer ini akan membentuk stuktur sekunder
yang berupa α-heliks ataupun β-sheet. Kemudian setelah itu struktur sekunder ini akan membentuk suatu struktur tertier yang berupa lekukan-lekukan sejumlah delapan buah.dalam pembentukan struktur tersier ini terdapat beberapa jenis ikatan, yaitu antara lain : Jembatan garam, Ikatan hidrogen, Ikatan disulfida, Interaksi Van der Waals, Interaksi polar. Pada masing-masing lekukan ini diberi kode atau nama yaitu A, B, C, ..., H. Pada lekukan pertama diberi nama mulai dari A1, A2, dan seterusnya. Kemudian pada lekukan kedua diberi nama B1, B2, B3, dan seterusnya. Pada umumnya baik hemoglobin ataupun
mioglobin rantai utamanya berupa α-heliks, akan tetapi pada penggalan kelima rantai ini tidak membentuk α-heliks, sehingga penamaanya menjadi CD, yaitu bila asam amino penyusunnya ini terletak diantara rantai C dan D. Selain itu bentuk rantai yang bukan
merupakan α-heliks ini menyebabkan bentuk lekukan yang sedikit berbeda dari yang lainnya.
a. Gambar struktur primer
b. Gambar struktur sekunder
b. Gambar struktu tersier
gambar struktur kuartener
Gambar struktur globin pada hemoglobin
Setiap rantai globin terdiri atas delapan daerah helik dan terdapat daerah nonhelik di antara daerah helik tersebut dan pada terminal-terminal karboksil dan amino. Sekelompok heme letaknya tersisip ke dalam celah yang terdapat pada permukaan dari tiap-tiap rantai globin. Tiap-tiap atom besi yang terdapat pada heme dapat membentuk hingga enam ikatan
dan empat ikatan di antaranya terbentuk akibat ikatan antara atom besi tersebut dengan atom pirol nitrogen. Rantai yang sebelah tepi dari residu-residu histidin (asam amino E7 dan F8 di dalam rantai
α dan β) terletak pada tiap tepi bidang datar dari kelompok heme yang berinteraksi
dengan atom besi. B. Deoksihemoglobin dan Oksihemoglobin
Dalam deoksihemoglobin, atom besi mencuat kira-kira 0,4 ̇ keluar bidang porfirin ke arah histidin proksimal (F8), sehingga gugus heme cembung (konveks) ke arah yang sama.Pada oksigenasi, atom besi bergerak ke dalam bidang pofirin untuk membentuk suatu ikatan yang kuat dengan oksigen dan gugus heme menjadi lebih planar. Berbagai penyelidikan yang menggunakan porfirin besi sintesis memperlihatkan bahwa bila atom besi terdapat di luar bidang pofirin, ia akan membentuk ikatan koordinatif dengan lima senyawa, sedangkan bila di dalam atau hampir di dalam bidang porfirin, ikatan koordinatif akan terjadi dengan enam senyawa (Stryer, 2000: 162). Atom besi menyeret histidin proksimal ketika besi tersebut bergerak memasuki bidang porfirin. Gerakan histidin F8 (proksimal) ini menggeser segmen pada subunit, perubahan konformasi ini pada gilirannya diteruskan ke antarmuka subunit, sehingga ikatan garam antar rantai putus dan ini berkaitan dengan perubahan ke bentuk R. Suatu perubahan struktural (oksigenasi) dalam suatu subunit diterjemahkan ke dalam suatu perubahan struktural di antarmuka antara subunit. Dengan demikan, pengikatan oksigen di salah satu situs heme dikomunikasikan ke bagian lain pada molekul yang sama, yang jauh letaknya (Stryer, 2000: 163). Terdapat perbedaan antara struktur hemoglobin yang terdeoksigenasi (deoksihemoglobin) dengan
yang
teroksigenasi
(oksihemoglobin).
Pada
struktur
kuartener
dari
deoksihemoglobin, terdapat delapan interaksi elektrostatik (jembatan garam) yang tidak ditemukan pada oksihemoglobin, menjadikan molekul ini lebih kaku dibandingkan dengan molekul oksihemoglobin.
Keadaan deoksigenasi
C. Pengikatan
pada
keadaan oksigenasi
Gugus Heme
Atom besi pada gugus heme mengikat keempat atom nitrogen di pusat cincin protoporfirin. Besi tersebut juga dapat membuat dua ikatan tambahan, masing-masing di satu sisi dari bidang heme. Kedua tempat pengikatan ini dinamani posisi koordinasi kelima dan keenam. Atom besi dapat berbentuk fero (2+) atau feri (3+) sehingga hemoglobin yang bersangkutan disebut juga sebagai ferohemoglobin dan ferihemoglobin atau methemoglobin. Hanya bila besi dalam bentuk 2+ (ferohemoglobin) senyawa tersebut dapat mengikat oksigen. Posisi koordinasi kelima dan keenam ditempati oleh cincin imidazol residu histidin dari protein. Histidin yang menduduki kedudukan koordinasi kelima dinamai histidin proksimal (F8). Atom besi tersebut mencuat 0,3 ̇ dari bidang porfirin ke arah histidin proksimal (F8). Situs pengikatan oksigen terletak di sisi lain dari bidang heme, yaitu pada kedudukan koordinasi keenam. Suatu residu kedua (E7), disebut juga histidin distal, dekat dengan heme tetapi tidak terikat dengan gugus heme. Ikatan oksigen pada gugus heme menyebabkan adanya dua jenis ikatan pada hubungan antara heme dan globin, ikatan tersebut adalah ikatan permanen dan tidak permanen. Ikatan permanen adalah ikatan antara Fe pada heme dengan histidin proksimal (F8) dari rantai protein. Sedangkan ikatan tidak permanen adalah ikatan antara histidin distal (E7) dengan oksigen yang terikat pada gugus heme (Stryer, 2000: 150).
Gambar. pengikatan O2 oleh heme
D. Mekanisme Pengikatan O 2 Pada Hemoglobin Model pengikatan O2: a. Model Alosterik Berurutan Model berurutan sederhana untuk suatu protein alosterik tetramer. Pengikatan suatu ligan sub unit mengubah konformasi subunit tersebut dari T (bujur sangkar) ke R (lingkaran) perubahan ini akan menyebabkan peningkatan afinitas subunit lain terhadap ligan. Akan tetapi, sub unit lain yang belum mengikat oksigen masih tetap dalam bentuk T. Afinitas pengikatan dari situs yang masih bebas pada RT3 lebih tinggi dari pada T, karena sejumlah ikatan garam telah berkurang pada pengikatan O2 yang pertama.
R 2T2 dan R 3T, mempunyai afinitas oksigen lebih besar dari pada RT3 yang terbentuk pada pengikatan O2 kedua dan ketiga. Sehingga dapat disimpulkan model ini,
afinitas hemoglobinnnya sudah mengikat satu oksigen untuk oksigen berikutnya, afinitas hemoglobin meningkat. Karena makin sedikitnya jembatan garam yang harus dihilangkan. b. Model Serempak Pada model serempak diketahui bahwa:
1. Protein mengalami terkonversi antara dua konfirmasi, yaitu T dan R. semua sub unit dari suatu molekul tertentu harus dalam bentuk R atau T. 2. Ligan terikat ke bentuk T dengan afinitas yang rendah ke bentuk R dengan afinitas yang tinggi. 3. Pengikatan tiap ligan akan meningkatkan peluang bagi semua subunit dari molekul tersebut terdapat dalam bentuk R. Peralihan alosentrik dikatakan serempak karena semua subunit satu kesatuan berubah dari bentuk T ke R atau sebaliknya.
E. Faktor-faktor yang Berpengaruh terhadap Pengikatan Oksigen pada Hemoglobin
Seperti yang kita ketahui bahwa hemoglobin mengandung dua rantai α dan dua rantai β, yang masing-masing rantai polipeptida tersebut mengikat gugus heme. Masing-masing dari gugus heme dapat mengikat satu molekul oksigen yaitu pada atom Fe-nya. Jumlah oksigen yang diikat oleh hemoglobin bergantung pada empat faktor antara lain : 1. Tekanan parsial O2 Semakin tinggi tekanan oksigen maka semakin kuat pula affinitas atau kekuatan pengikat antara oksigen dengan hemoglobin. Hal ini dapat dibuktikan yaitu pada tempat yang tinggi tekanan udara rendah, sehingga pada ketinggian tertentu oksigen dalam
jumlah sedikit. Oleh karena itu afinitas pengikatan oksigen oleh hemoglobin rendah. Akan tetapi terdapat perbedaan bentuk kurva saturasi oksigen hemoglobin dan mioglobin yaitu untuk mioglobin berbentuk hiperbola dan untuk hemoglobin berbentuk sigmoid. Dari kurva tersebut terlihat bahwa Y untuk mioglobin lebih besar daripada hemoglobin. Ini berarti hemoglobin mempunyai afinitas terhadap oksigen yang lebih besar daripada mioglobin. (Stryer,2000:159).
Akan tetapi hal ini berbeda pada hemoglobin yang sangat efisien dalam membawa oksigen dari paru-paru menuju ke jaringan karena kurva kejenuhan oksigen yang sigmoid membiarkan hemoglobin tersebut untuk membebaskan sebagian besar kandungan oksigennya pada tekanan parsial oksigen yang ada di dalam jaringan. 2. Konsentrasi 2,3 bifosfogliserat (BPG) 2,3-Bisfosfogliserat (2,3-BPG dikenal juga dengan 2,3-bipospogliserat atau 2,3difosfogliserat atau 2,3-DPG) juga mempunyai fungsi regulasi penting terhadap fungsi hemoglobin. BPG merupakan turunan dari gliserat-1,3-bisfosfat, suatu senyawa antara dalam pemecahan senyawa glukosa. Konsentrasi 2,3 bifosfogliserat yang tinggi didalam sel akan mengakibatkan afinitas hemoglobin terhadap oksigen rendah. Pengiriman oksigen yang sangat terbatas seperti pada organ yang hidup di dataran tinggi, konsentrasi BPG di dalam sel menjadi lebih tinggi daripada orang yang hidup di dataran rendah. Adanya peningkatan BPG
dengan
meningkatnya
jarak
dari
permukaan
laut
menyebabkan
hemoglobin
membebaskan oksigen lebih mudah di dalam jaringan. Dengan begitu, menyebabkan hemoglobin membebaskan oksigen yang diikatnya dengan segera ke dalam jaringan untuk mengimbangi penurunan oksigenasi hemoglobin di dalam paru-paru. 2,3 bifosfogliserat BPG mengikat Hb dan memberi dampak terhadap afinitas Hb terhadap oksigen. BPG menurunkan afinitas Hb akan oksigen sampai 26 kali, yaitu suatu keadaan dimana diperlukan Hb untuk melepaskan oksigen dalam kapiler jaringan. Ketika tidak ada BPG, hemoglobin mempunyai afinitas sangat tinggi terhadap oksigen. Terdapatnya BPG menurunkan afinitas hemoglobin terhadap oksigen. Hal ini terjadi karena BPG memantapkan struktur kuartener deoksihemoglobin dengan mempertautkan membentuk ikatan antar rantai-rantai
β. Pengikatan BPG seperti H+ dan CO2, menstabilkan deoksi
Hb.
Lokasi 2,3-BPG
Grafik pengaruh BPG terhadap afinitas pengikatan oksigen
3. pH Pengaruh konsentrasi H+ terhadap pengikatan oksigen oleh hemoglobin, dapat di tuliskan reaksinya sebagai berikut : HHb+ + O2
HbO2+ H+
HHb+ merupakan bentuk proton dari hemoglobin. Persamaan reaksi di atas menunjukkan bahwa kurva kejenuhan oksigen hemoglobin dipengaruhi oleh konsentrasi H+. Kedua oksigen dan H+ diikat oleh hemoglobin dengan pola yang berlawanan. Apabila konsentrasi oksigen tinggi, seperti pada paru-paru maka oksigen akan diikat oleh hemoglobin sedangkan ion H+ akan dibebaskan. Apabila konsentrasi oksigen rendah, seperti pada jaringan, yaitu H+ nya akan diikat. Pada persamaan reaksi diatas menunjukkan bahwa adanya peningkatan pH akan menggeser kesetimbangan kekanan yang akan mengakibatkan hemoglobin mengikat lebih banyak oksigen pada tekanan parsial oksigen tertentu. Apabila terjadi penurunan pH maka akan menurunkan jumlah oksigen yang terikat pada hemoglobin. Apabila tekanan parsial oksigen dalam paru-paru tinggi, yaitu sekitar 90 sampai 100 mmHg dan pHnya
juga tinggi yaitu lebih dari 7,6%, maka hemoglobin akan mengikat banyak oksigen atau hampir jenuh maksimal dengan oksigen. Sebaliknya, apabila ada kapiler yang terdapat dalam jaringan tekanan parsial oksigennya rendah yaitu sekitar 25-40 mmHg dengan pH rendah yaitu 7,2-7,3, maka akan terjadi pembebasan oksigen terikat kejaringan.
4.
Konsentrasi CO2 Pengikatan oksigen oleh hemoglobin dipengaruhi oleh pH dan Konsentrasi CO2, pH yang relatif rendah dan CO2 yang relatif tinggi didalam jaringan perifer, menyebabkan daya ikat hemoglobin terhadap oksigen menurun dengan terikatnya H+ dan CO2. Sebaliknya, di dalam kapiler paru-paru pada saat CO2 diekskresikan dan pH darah naik maka daya ikat hemoglobin terhadap oksigen menjadi lebih tinggi. Pengaruh pH dan Konsentrasi CO2 terhadap pengikatan dan pembebasan oksigen oleh hemoglobin disebut dengan pengaruh Bohr yang dinamakan oleh seorang ahli fisiologi dari Denmark. Pada konsentrasi CO2 yang tinggi seperti yang terdapat dalam jaringan, beberapa bagian CO2 akan diikat oleh hemoglobin, dan daya ikat terhadap O2 akan turun sehingga O2 akan dibebaskan. Sebaliknya saat O2 diikat dalam paru-paru, daya ikat hemoglobin terhadap CO2 akan menurun. Jadi kurva kejenuhan oksigen dari hemoglobin akan dipengaruhi oleh faktor pH dan Konsentrasi
CO2. Didalam jaringan, pH rendah dan konsentrasi tinggi CO2 akan cenderung membebaskan O2dari hemoglobin sedangkan didalam paru-paru, konsentrasi tinggi O2 cenderung membebaskan H+ dan CO2.
F.
EFEK BOHR
Selain membawa oksigen dari paru – paru ke jaringan, hemoglobin juga membawa dua produk akhir dari respirasi jaringan yaitu H+ dan CO2 dari jaringan ke paru – paru dan ginjal. Di dalam sel jaringan periferi bahan bakar organic dioksidasi oleh mitokondria, menggunakan oksigen yang dibawa dari paru – paru oleh hemoglobin dengan pembentukan karbondioksida, air dan produk – produk lain. Pembentukan CO2 menyebabkan peningkatan dalam konsentrasi H+ (yakni penurunan pH) di dalam jaringan , karena hidrasi CO2 menghasilkan H2CO3 suatu asam lemah yang berdisosiasi membentuk H+ dan bikarbonat. Selain membawa hampir semua oksigen yang dibutuhkan dari paru – paru ke jaringan, hemoglobin mengangkut bagian yang cukup besar kira – kira 20% dari total CO2 dan H+ yang dibentuk di dalam jaringan, ke paru – paru dan ginjal. H2CO3
H+ +HCO3-
Pengikatan oksigen hemoglobin dipengaruhi oleh pH dan konsentrasi CO2. Pada pH yang relative rendah dan konsentrasi CO2 tinggi daya ikat hemoglobin terhadap oksigen diturunkan dengan terikatnya H+ dan CO2. Sedangkan sebagian dari CO2 yang tidak ikut dalam reaksi dibawa oleh hemoglobin sebagai karbonat karena bentuk yang tidak terionisasi
dari gugus amino α dari hemoglobin dapat berekasi secara reversible dengan CO 2. Karbonat yang terikat membentuk jembatan garam yang memantapkan bentuk T. dengan demikian CO2 menurunkan afinitas hemoglobin terhadap oksigen.
Sebaliknya ketika CO2
diekskresikan dan pH darah naik, daya ikat hemoglobin menjadi tinggi. pengaruh konsentrasi CO2 dan pH terhadap pengikatan dan pembebasan O2 disebut dengan efek Bohr. Efek Bohr merupakan akibat dari dari suatu keseimbangan yang melibatkan tidak hanya oksigen, tetapi molekul lain yang dapat diikat oleh hemoglobin yaitu CO2 dan H+. dengan terserapnya CO2 ke dalam darah enzim karbonik anhidrase dalam eritrosit akan mengkatalisis pembentukan asam kabonat.
Karbonik anhidrase
CO2 + H2O
(spontan) H2CO3
HCO3- + H+
Asam karbonat dengan cepat akan berdisosiasi menjadi bikarbonat dan proton. Untuk menghindari peningkatan keasaman darah, harus ada sistem untuk menyerap proton yang berlebih. Hemoglobin menyerap 2 proton setiap kehialangan 4 molekul oksigen. Dengan demikian turut memberikan pengaruh yang berarti pada kemampuan pendapatan darah. Gambar siklus Efek Bohr
Dari gambar diatas menunjukkan bahwa CO2 yang dihasilkan di jaringan peripheral bergabung dengan molekul air untuk membentuk asam karbonat, dimana asam karbonat tersebut memisahkan diri menjadi proton dan ion bikarbonat. Deoksihemoglobin berperan sebagai buffer dengan mengikat proton dan mengirimkannya ke paru – paru. Di dalam paru
– paru, proses pengikatan oksigen oelh hemoglobin melepaskan proton yang nantinya akan berikatan dengan ion bikarbonat membentuk asam karbonat, dimana asam karbonat akan didehidrasi oleh enzim carbonic anhydrase menjadi CO2 yang kemudian dihembuskan keluar.
G. STRUKTUR MIOGLOBIN
Mioglobin adalah molekul pembawa oksigen. Mioglobin terdapat dalam otot, menyediakan cadangan oksigen, dan mempermudah pergerakan oksigen di dalam otot. ( Stryer, 2000: 147 ) Mioglobin merupakan protein pengikat yang ukurannya relatif kecil ( BM 16.700 ) yang ditemukan pada sel otot. Fungsinya adalah untuk menyimpan oksigen yang terikat dan untuk meningkatkan transport oksigen ke mitokondria, yang menggunakan oksigen dalam oksidasi nutrien sel. Mioglobin mengandung satu rantai polipeptida yang terdiri atas 153 residu asam amino dengan deret yang telah diketahui, dan satu forfirin besi, atau gugus heme. 1. Heme
Gugus heme pada myoglobin sama dengan heme yang menyusun hemoglobin. Gugus Heme ini menyebabkan warna merah-coklat yang pekat pada mioglobin dan hemoglobin. ( Lehninger, 1982 : 195-196 ) 2. Globin
Mioglobin terdiri dari 153 residu asam amino dan mengandung satu porifin besi ( gugus prostetik heme). Kira-kira
75 % dari rantai utama berada dalam konformasi heliks α.
Delapan penggal heliks utama semuanya berputar ke kanan dan diberi nama A, B, C
........... dan H. Residu pertama dari heliks α dinamai A1, A2 dan s eterusnya. Lima penggal bukan heliks yang terletak diantara helis-heliks tersebut dinamai CD contohnya bila terletak di antara C dan D. Mioglobin masih mempunyai dua daerah bukan heliks yang lain , dua residu di ujung amino dinamai NA1 dan NA2 dan lima residu di ujung akhir karboksil dinamai HC1 sampai HC 5. Empat dari heliks yang ada, berakhir dengan
satu residu prolin, yang cincin limanya tidak dapat menjaga kesinambungan heliks α. Rantai ikatan peptida berada pada bidang datar, sedangkan tiap gugus karbonil dari peptida tersebut berkedudukan trans terhadap NH dari peptida yang sama. (Strayer, 2000 : 149-150 .
Gambar 1 : Struktur Mioglobin Sumber : Garret and Grisham Terdapat tiga bentuk myoglobin yaitu deoksimyoglobin, oksimyoglobin, dan ferimyoglobin. Tabel 1 : Lingkungan Heme
Bentuk
Pengisi
Keadaan Oksidasi Fe
Koordinasi kelima
Koordinasi keenam
deoksimioglobin
+2
Histidin F8
Kosong
oksimioglobin
+2
Histidin F8
O2
ferimioglobin
+3
Histidin F8
H2O
Fungsi Mioglobin -
Sebagai pengikat oksigen dan karbon monoksida di dalam otot.
-
Sebagai penyimpan oksigen di dalam otot
DAFTAR PUSTAKA
Campbell, N A & Jane B Reece. 2008. Biologi. Jakarta: Erlangga. Lehninger, A L. 1995. Dasar-Dasar Biokimia Jilid 1. Jakarta: Erlangga. Marks, Dawn B. 2000. Biokimia Kedokteran Dasar . Jakarta: Penerbit Buku Kedokteran EGC. Stryer, Lubert. 2000. Biokimia Edisi 4. Jakarta: Penerbit Buku Kedokteran EGC.
MYOGLOBIN KOMPLEKS BESI (Fe) DALAM TUBUH
MYOGLOBIN KOMPLEKS BESI (Fe) DALAM TUBUH ( Samsul Muarip) A. PENDAHULUAN Tubuh manusia mengandung sekitar 2 sampai 4 gram besi. Lebih dari 65% zat besi ditemukan di dalam hemoglobin dalam darah atau lebih dari 10% ditemukan di myoglobin, sekitar 1% sampai 5% ditemukan sebagai bagian enzim dan sisa zat besi ditemukan di dalam darah atau ditempat penyimpanan. Jumlah total besi ditemukan dalam orang tidak hanya terkait berat badan tetapi juga pengaruh dari berbagai kondisi psikologi termasuk umur, jenis kelamin kehamilan dan status tingkat pertumbuhan. Besi merupakan mineral mikro yang paling banyak terdapat di dalam tubuh manusia yaitu sebanyak 3-5 gram di dalam tubuh manusia dewasa. Puluhan tahun yang lalu, setelah usaha keras selama beberapa dekade, John Kendrew berhasil mengelusidasi struktur dari protein globular kecil, myoglobin, yang bertanggung jawab pada penyimpanan oksigen pada sel. Untuk penemuan ini, ia berbagi hadiah Nobel Kimia dengan Max Perutz, yang melakukan penelitian serupa pada hemoglobin. Namun ada misteri besar yang belum terpecahkan: Apakah jalur yang diikuti oksigen sewaktu ia bergerak kedalam dan keluar dari myoglobin?. Pada 5 Juli 2008, tim interdisiplin yang dipimpin oleh peneliti dari Virginia Tech mengumumkan, bahwa mereka telah menyediakan solusi komputasi pada teka-teki tersebut. Alexey Onufriev dari Blacksburg, Va., asisten profesor ilmu komputer dan fisika pada Virginia Tech, Ia memulai penelitian myoglobin pada tahun 1997 sebagai peneliti pos doc pada laboratorium fakultas kimia milik Michael Prisant di Universitas Duke. Kajian ini akan menjadi yang pertama dimana dinamika molekuler berhasil mengarahkan simulasi dari migrasi ligan, sewaktu mereka keluar dan masuk kedalam protein pada temperatur ruang dengan resolusi atomis.
Simulasi tersebut memberikan pencerahan terhadap beberapa pertanyaan kuno mengenai myoglobin. Mereka menguraikan bahwa migrasi ligan terjadi pada dua jalur dengan banyak cabang dan ligan bergerak memasuki myoglobin menggunakan jalur yang sama dengan yang mereka gunakan untuk keluar. Simulasi menunjukkan bahwa fluktuasi lokal yang berumur pendek bertanggung jawab untuk membuka dan menutup jalur dinamis tersebut. Pada makalah ini, kita akan melihat bagaimana bentuk dari myoglobin secara umum serta setruktur dasar dari molekul miolglobin itu sendiri. Kita juga akan melihat fungsi myoglobin didalam tubuh makhulk hidup sebagai penyimpan oksigen serta proses yang terjdi didalamnya. Lalu kita akan menguraikan tetang dampak dari kekurangan dan kelebihan myoglobin terhadap tubuh kita.
B. ISI 1.
Ciri Molekuler Umum
Myoglobin merupakan suatu protein pembawa oksigen yang ditemukan dalam otot, dimana myoglobin bertindak sebagai suatu cadangan oksigen dan mempermudah difusi oksigen melalui sel. Myoglobin mempunya dua komponen molekuler, suatu rantai polipeptida tunggal yang mengandung 153 residu asam amino (BM = 17.600) dan suatu gugusan hem, sutu biomelekul yang mengandung zat besi (Gambar 1).
Gambar 1. a. Suatu gugusan hem yang mengandung protoporfirin IX dan zat besi (Fe) dan b. Bidang hem Fe (Lehninger) Bagian organic dari molekul hem mrupakan suatu forfirin, yang mengandung suatu struktur tetrapirol (porifirin) yang dibentuk melalui sambungan jembatan-meten antara empat cincin pirol. Terdapat berbagai tipe struktur porifirin dalam alam. Gugusan hem, atau porifirin zat besi, dari myoglobin, hemoglobin, dan sebagian besar sitikrom disebut protoporfirin IX zat besi dank has dengan adanya gugusan penggantinya (dua propionate, dua vinil, dan empat metal) dan posisinya dalam struktur tetrapirol. (Kendrew 1983)
Kelat ion logam protoforpirin, contohnya zat besi, magnesium, dan tembaga, dan yang digunakan oleh proses metabolism tertentu memerlukan suatu ion logam untuk membentuk suatu kompleks kelasi yang secara biologi aktif (gambar 1). Kelat berasal dari kata chele berarti cakar dari kepiting atau lobster. Suatu biomolekul chelating merupakan salahsatu yang mengikat ion logam. (Kendrew 1983) Hem dari myoglobin dikenal sebagai gugusan prostetik kareuna merupakan suatu molekul organic nonprotein yang berkaitan erat dengan struktur polipeptida. Pengikatan dari atom zat besi denan sutau hem melibatkan empat nitrogen dari cincin pirol (gambar 1). Zat besi yang terikat dapat membentuk dua ikatan tambahan, satu pada masing-masing sisi dari bidang hem, disebut posisi kordinasi kelima dan keenam; pada posisi koordinasi keenam dari zat besi fero dalam myoglobin mengikat suatu molekul oksigen. (Kendrew 1983)
Gambar 2. Struktur tiga dimensi dari myoglobin (hanya diperlihatkan posisi karbon-α).
Gugus
hem ditunjukan dengan warna hitam. (Lehninger, 1991)
Dari model molekul myoglobin yang tersusun secara tepat berdasarkan data sinar X, dapat ditarik kesimpulan penting linnya: a.
Molekul myoglobin demikian padat, sehingga pada bagian dalamnya terdapat ruangan
hanya untuk empat molekul air. b.
Semua kecuali dua gugus polar R dari rantai myoglobin terletak pada permukaan luar
molekul, dan semuanya terhidrasi. c.
Hampir semua gugus R hidrofobik berada di bagian dalam molekuyl myoglobin,
tersembunyi dari lingkungan air. d.
Pada masing-masing dari keempat residu prolin terdapat suatu belokan (gugus R dari prolin
yang kaku tidak cocok dengan suatu struktur α-Heliks). Belokan atau putaran yang lain mengandung residu serin, treonin, dan asparagin yang merupakan asam amino yang cenderung
tidak cocok dengan struktur α-Heliks, jika asam-asam ini berada pada posisi yang b erurutan.
e.
Semua ikatan peptide berada dalam konfigurasi trans pada bidang datar
f.
Gugus heme yang datar berada didalam suatu celah atau kantung, dalam molekul
myoglobin. Atom besi pada pusat heme mempunyai dua ikatan kordinasi yang tegak lurus pada bidang heme. Salah satu diantaranya berikatan dengan gugus R residu histidin pada posisi 93, sedangkan ikatan koordinasi yang lain berada pada sisi tempat pengikatan molekul O2. (Lehninger, 1991)
2.
Struktur Tersier
Kendrew pertama kali kali memberikan pada duinia ilmiah struktur berdimensi tiga dari suatu protein globular, dan model myoglobinnya (gambar 2) memberikan wawasan terkait tidak saja ke dalam struktur tersier yang ruwet dari protein globular, tetapi juga kedalam makromolekul pembawa oksigen yang berfungsi secara biologi. Myoglobin, dengan dimensi molekuler 45 x 35 x 25
Ả, merupakan suatu makromolekul yang sangat padat dengan sedikit ruang kosong dalam
interiornya. Cirri structural kedua yang sebelumnya diajukan untuk protein yang lain terbukti dalam bentuk globular dari myoglobin. Delapan bagian dari molekul terdapat dalam konformasi heliks-α
bertangan kanan (dirancang dari terminus-N sebagai A melalui H); segmen heliks ini
melibatkan 75% dari residu asam amino total. Terselip diantara segmen heliks ini adalah lima daerah nonheliks, masing-masing diidentifikasi melalui dua segmen yang disambungnya, contohnya AB berlokasi antara heliks bagian A dan B. terdapat juga dua residu nonheliks pada terminus-N dan lima pada terminus-C, yang sebagai segmen, masing-masing disebut sebagai NA dan HC. Terdapat delapan terminasi struktur heliks-α,
dengan empat residu prolil dari molekul
mencakup empat diantaranya. Semua ikatan peptida dari rantai polipeptida adalah planar, dengan gugusan karbonil atau amida sebagai trans satu sama lain. Residu polar dan beberapa residu nonpolar terletak pada bagaian luar dari molekul. Bagian interior dari myoglobin hanya mengandung residu nonpolar, kecuali untuk dua residu histidil (dari total 12), yang interaksi spesifiknya dengan zat besi diperlukan untuk aktivitas biologi ( Kendrew, 1983).
Gambar 3. Sekema pengikatan oksigen dengan myoglobin dan hubungan ikatan HisF8 dengan atom zat besi dan HisE7 dengan ikatan oksigen Gugusan hem pangkat oksigen terletak dekat permukaan molekul dalam suatu celah yang (kecuali residu histidil yang disebut diatas) memberikan lingkungan nonpolar (Gambar 2). Bidang hem terletak antara residu histidil F8 (delapan residu dari segmen heliks F) dan E7, dengan HisF8 terikat pada atom zat besi melalui posisi kordinasi kelima (gambar 3). HisE7, pada sisi lain dari ini, tidak terikat secar langsung dengan posisi koordinasi keenam dari zat besi, yang merupakan tempat pengikatan oksigen. Atom zat besi berjarak sekitar 0,3
Ả dari bidang hem
pada sisi HisF8. Pada saat oksigenasi, atom zat be si turun kedalam bidang hem dan oksigen yang terikat pada myoglobin distabilisasi melalui ikatan hydrogen ke cincin imidazol dari HisE7 (gambar 3). Oksigenasi reversible memerlukan atom zat besi dalam status fero (Fe2+), dan myoglobin dengan atau tanpa oksigen terikat dengan Fe2+ dari hem yang masing-masing disebut oksimyoglobin dan deoksimyoglobin. Jika air menempati posisi koordinasi keenam, maka ion fero dioksidasi dengan cepat menjadi Fe3+, dan menghasilkan ferimyoglobin atau metmyoglobin yang tidak dapat mengikat oksigen. Dengan demikian, karakter nonpolar dari hem membantu mencegah molekul air untuk merusak kemampuan membawa oksigen dari molekul. Pemeliharaan dari status Fe2+ juga dibantu melalui system enzim yang mengkatalis reduksi dan ion feri (Fe3+à Fe2+)( Kendrew, 1983).
3.
Fungsi
Myoglobin adalah protein yang berukuran kecil (sekitar 17.200 dalton) yang terdapat di otot jantung dan otot rangka. Myoglobin berfungsi menyimpan dan memindahkan, menerima, dan melepas oksigen dari hemoglobin dalam sirkulasi ke enzim-enzim respirasi di dalam sel kontraktil. Ketika terjadi kerusakan pada otot, myoglobin dilepas ke dalam sirkulasi darah ( labkesehatan.blogspot.com 2010).
Myoglobin disaring dari darah oleh ginjal dan diekskresikan melalui urin. Jika sejumlah besar myoglobin yang dilepaskan ke dalam aliran darah, seperti setelah trauma parah, myoglobin berlebihan dapat menyebabkan kerusakan pada ginjal dan akhirnya mengakibatkan kegagalan ginjal. ( labkesehatan.blogspot.com 2010) Peningkatan myoglobin serum terjadi 2-6 jam setelah terjadi kerusakan jaringan otot jantung atau otot rangka, mencapai kadar tetinggi dalam waktu 8-12 jam, dan kembali normal dalam waktu 18-36 jam. Myoglobin urin dapat dideteksi selama 3-7 hari setelah cedera otot.( labkesehatan.blogspot.com 2010) Mamalia yang menyelam seperti ikan paus yang menyelam dalam waktu lama, memiliki myoglobin dalam konsentrasi tinggi dalam ototnya. Protein seperti myoglobin juga banyak ditemukan pada organisme sel tunggal.(Anonim, 2011) 4.
Mekanisme O2 Pada Myoglobin
Myoglobin adalah protein yang merupakan penyusun darah yang berperan mengikat oksigen. Myoglobin tidak cocok sebagai protein pengangkut oksigen, tetapi efektif sebagai protein penyimpan oksigen. Myoglobin pada jaringan otot merah mengikat oksigen yang dalam keadaan kekurangan oksigen akan dilepas sehingga bisa digunakan oleh mitokondria otot untuk sintesis ATP yang bergantung pada oksigen. Myoglobin yang teroksigenasi, molekulo oksigen menempati posisi koordinasi keenam dari atom besi dan juga gerakan His F8 serta residu yang secara kovalen berikatan dengan His F8 ke arah bidang cincin. Gerakan ini menimbulkan konformasi baru untuk bagian-bagian protein. .(Anonim, 2011) Ketika O2 berikatan dengan myoglobin, ikatan antara satu molekul oksigen dengan Fe2+ berada tegak lurus terhadap bidang heme. Molekul O2 kedua berikatan dengan sudut 121o terhadap bidang heme dan terarah menjauhi histidin distal. Pengikiatan oksigen disertai dengan putusnya ikatan garam anatar residu terminal karboksil pada keseluruhan subunit. Pengikatan O2 selanjutnya dipermudah karena jumlah ikatan garam yang putus menjadi lebih sedikit. Perubahan
ini mempengaruhi struktur hemoglobin. Satu pasang sub unit α/ mengadakan rotasi terhadap pasangan α/ lain, sehingga menempatlkan tentramer dan meningkatkan afinitas heme terhadap O2. (Anonim, 2011)
Saat oksigenasi, atom besi deoksihemoglobin bergerak ke dalam bidang cincin heme. Gerakan ini diteruskan pada histidin proximal, yang bergerak menuju bidang cincin dan dan pada residu asam amino yang melekat pada his F8. Oksigen yang telah terlepas dari hemoglobin menuju ke jaringan, hemoglobin kemudian mengamgkut CO2 dan proton ke dalam paru. (Anonim, 2011)
5. a.
Dampak Kekurangan dan Kelebihan Myoglobin Kekurangan
Kehilangan besi sehari-hari oleh laki-laki dewasa kira-kira antara 0,9 dan 1,0 mg/hari (12-14 mg/Kg/hari). Kehilangan tersebut berlangsung dari berbagai letak diantaranya pada dinding gastrointersinal (0,6), kulit (0,2-0,3) dan ginjal (0,1). Dari data tersebut dapat dilihat bahwa kebanyakan kehilangan besi via daerah gastrointestinal (0,6 mg). dari 0,6 mg, sekitar 0,45 mg sesuai dari kehilangan darah/menit (-1 mL) dan 0,15 mg besi yang lain sesuai kehilangan empedu dan kematian sel mokusa. Kehilangan pada kulit kira-kira 0,2 sampai 0,3 mg besi berlagsung untuk kematian permukaan sel dari kulit. Terakhir, kira-kira sangat sedikit, sekitar 0,1 mg, hilang di urin. Kehilangan besi, walaupun mungkin meningkat pada orang dengan ulkus gastrointensial atau parasit intestinal atau hemorange ditimbulkan oleh operasi atau luka yang sesuai. ( efotisme.blogspot.com 2011) Kehilangan besi basal baru digambarkan sedikit (0,7-0,8 mg/hari) pada wanita karena daerah permukaannya lebih kecil. Kehilangan total premanopause wanita, walaupun diperkirakan kurang lebih 1,3 sampai 1,4 mg/hari karena kehilangan besi pada saat menstruasi. Rata-rata kehilangan darah selama siklus menstruasi sekitar 35 mL, dengan batas lebih sekitar 80 mL. Kandungan besi dalam darah sekitar 0,5 mg/100 mL darah, yang kehilangan hampir 17,5 mg besi per periode. Ketika dirata-ratakan lebih sebulan, kehilangan besi dalam menstruasi sekitar 0,5 mg per hari; pada beberapa wanita, kehilangan besi untuk menstruasi mungkin melebihi 1,4 mg/hari. Ekskresi besi meningkat pada orang sehat dengan asupan yang melebihi rata-rata konsentrasi besi ferritin pada kematian sel mokusa sel. ( efotisme.blogspot.com 2011) Kehilangan besi basal, dengan rata-rata 0,7 sampai 1,0 mg/hari oleh laki-laki dewasa dan wanita pada saat menopause dengan pertambahan kehilangan besi meningkat dalam memformulasi
RDA. Pada tahun 1989 RDA berasumsi absorpsi besi sekitar 10% dan telah diatur rekomendasinya 10 mg pada laki-laki dan wanita postmonopouse. RDA untuk besi pada wanita sebelum monepouse diatur 15 mg/hari. Karena kurangnya menstruasi selama kehamilan dan bertambah atau lebih efisien absorpsi besi yang juga berlangsung saat kehamilan, RDA menyarankan 30 mg besi/hari wanita hamil. Karena 30 mg besi lebih dari biasanya yang didapatkan dari diet, supplement yang biasanya digunakan. (efotisme.blogspot.com 2011) Kekurangan zat besi akan menyebabkan terjadinya anemia gizi besi yang ditandai dengan gejala pucat, lemah, letih, lesu, penglihatan berkunang. Pada ibu hamil yang kekurangan zat besi akan mempunyai resiko melahirkan bayi dengan berat badan rendah serta perdarahan sebelum dan saat persalinan (efotisme.blogspot.com 2011). b.
Kelebihan
Peningkatan myoglobin darah berarti bahwa telah terjadi kerusakan sangat terbaru pada jantung atau jaringan otot rangka. Karena myoglobin juga ditemukan pada otot rangka, peningkatan kadar dapat terjadi pada pasien yang mengalami kecelakaan, kejang, operasi, atau penyakit otot, seperti distrofi otot (labkesehatan.blogspot.com 2010). Kadar myoglobin biasanya sangat rendah atau tidak terdeteksi dalam urin. Tingginya kadar myoglobin urin mengindikasikan peningkatan risiko kerusakan ginjal dan kegagalan. Pengujian tambahan, seperti BUN, kreatinin, dan urine, dilakukan untuk memantau fungsi ginjal. Peningkatan sekresi myoglobin ke urin dapat menyebabkan reaksi dipstick positif untuk darah samar karena adanya aktivitas pseudoperoksidase. ( labkesehatan.blogspot.com 2010) Peningkatan kadar myoglobin serum dapat dijumpai pada infark miokard akut (AMI), cedera otot rangka, luka bakar berat, polimiositis, trauma, prosedur bedah, intoksisitas alkohol akut disertai delirium tremens, gagal ginjal, stress metabolik. (labkesehatan.blogspot.com 2010) Myoglobinuria (myoglobin dalam urin) dapat dijumpai pada kerusakan miokardium akibat AMI, cedera jaringan otot traumatik, iskemia berat, ketoasidosis diabetik, delirium tremens, infeksi sistemik disertai demam, luka bakar berat, serta distrofi muskular ( labkesehatan.blogspot.com 2010).
C. PENUTUP Dengan adanya penemuan-penemuan tentang myoglobin, kita akhirnya dapat lebih memahami tentang proses-proses yang terjadi pada myoglobin dan perannya didalam tubuh makhluk hidup terutama dalam tubuh manusia. Dengan berkembangnya ilmu pengetahuan, manusia dapat melacak proses yang terjadi pada myoglobin serta dapat memprediksi hal-hal yang dapat terjadi diakibatkan oleh kekurangan atau kelebihan myoglobin serta pencegahan terhadapnya.
DAFTAR PUSTAKA
Anonim,……., Struktur dan Fungsi Hemoglobin dan Myoglobin http://efotisme.blogspot.com/2011/04/metabolisme-zat-besi-fe.html . 22-2-2012 jam 5.37 http://id.shvoong.com/exact-sciences/1789385-myoglobin-pigmen-daging/#ixzz1n4jd17b0.
22-
2-2012 jam 9.52 http://labkesehatan.blogspot.com/2010/11/myoglobin.html . 22-2-2012 jam 5.43 http://www.chem-is-try.org/artikel_kimia/biokimia/peneliti-menggunakan-komputer-superuntuk-menelusuri-jalur-myoglobin/ .22-2-2012 jam 9.51 Kendrew, J. C., 1963. Myoglobin and the Structure of Proteins. Science 139:1259 Lehninger, A.L, 1991, Dasar-dasar Biokimia, Terjemahan: Maggy Thenawidjaja.Penerbit Erlangga, Jakarta Nelson, D. L. and Cox, M. M.,
, Lehninger Principles Of Biochemistry Fourth Edition, e-book
