PENDAHULUAN

Kemungkinan sempat terlintas pertanyaan dalam pikiran kita bahwa bagaimana kita

yang berawal dari zigot yang kita ketahui hanya berupa satu sel mampu tumbuh besar

menjadi manusia dewasa dengan miliaran sel dalam tubuh kita. Namun demikian ada juga

beberapa kasus seperti orang kerdil yang mungkin kita jumpai. Di lain kasus ada juga

pertumbuhan orang yang super tinggi bagai raksasa. Beberapa pertanyaan lain mungkin juga

muncul begitu saja ketika kita memikirkan hal tersebut. Misalnya telor ayam yang biasa kita

konsumsi apakah memang diciptakan untuk kita makan. Dan rasanyapun cukup enak.

Namun jika dierami oleh induknya dalam waktu tertentu, telur yang kita lihat hanya terdiri

dari putih dan kuning telur tersebut akan menetas menjadi anak ayam. Luar biasa sekali

ayam bisa “muncul” dari telur tersebut. Kita juga mengetahui bahwa kita perlu makan

makanan yang bergisi jika ingin tumbuh dan hidup sehat. Lalu apakah ayam dalam telur

tersebut makan? Belakangan ini juga banyak kita lihat baik melalui media cetak maupun

elektronik suatu penelitian yang dilakukan oleh kelompok ilmuan untuk menjawab

tantangan melawan penuaan. Tentunya untuk mencapai bisa berhasil dibutuhkan suatu

pengetahuan dasar tentang bagaimana mekanisme penuaan itu sendiri. Factor-faktor apa

saja yang terlibat, bagaimana cara factor tersebut mempengaruhi dan lain sebagainya.

Pertanyaan lain misalnya bagaimana jika di dalam lambung kita tidak mengandung

molekul-molekul yang membantu mencerna makanan? Bayangkan juga seekor anaconda

mampu menelan seekor babi ke dalam perutnya yang akan tercerna sempurna dalam

beberapa bulan.

Pertanyaan-pertanyaan di atas akan mulai menjadi jelas jika kita melihat ke dalam

reaksi yang terjadi pada level sel yang begitu rumit namun teratur yang keseluruhannya

diistilahkan dengan metabolisme. Salah satu molekul penting yang berperan dalam

metabolisme sel organisme adalah enzim. Anabolisme atau reaksi pembentukan serta

katabolisme atau reaksi pemecahan silih berganti dilakukan oleh sel dengan bantuan enzim

dalam rangka sintesis protein sebagai molekul pembangun yang berkontribusi dalam

pertumbuhan kita. Sel juga melakukan reaksi untuk mensinteis suatu protein hormone yang

akan mengkoordinasi aktivitas kita. Agar reaksi di dalam sel sendiri berjalan efektif, sel juga

mensintesis molekul katalitik yang kita kenal dengan enzim yang juga merupakan molekul

protein termodifikasi kusus.

Dalam tulisan ini kami akan coba membahas prinsip-prinsip dasar tentang protein

serta enzim yang begitu beragam serta berperan sentral dalam menjamin kelangsungan

hidup suatu organisme .

PROTEIN I GEDE SUDIRGAYASA

A. Protein

1. Prinsip polimer

Protein merupakan salah satu jenis makromolekul kehidupan selain karbohidrat,

lipid, dan asam nukleat. Oleh karena itu, sebelum membahas lebih jauh mengenai

hubungan struktur dan fungsi dari protein sabagai suatu makromolekul, pertama akan

dibahas mengenai generalisasi umum bagaimana sel menyusun molekul besar tersebut

dari molekul yang lebih kecil.

a. Sebagian besar makromolekul adalah polimer

Tiga molekul besar di antara empat kategori senyawa organik kehidupan:

karbohidrat, protein, dan asam nukleat adalah molekul yang menyerupai rantai yang

disebut polimer ( dari bahasa Yunani polys, berarti “banyak”, dan meris yang berarti

“bagian”). Polimer adalah suatu molekul panjang yang terdiri dari banyak blok

penyusun yang identik atau serupa yang dihubungkan dengan ikatan-ikatan kovalen,

mirip seperti kereta api yang terdiri dari rangkaian gerbong. Unit-unit yang disusun

berulang-ulang yang berfungsi sebagai blok penyusun suatu polimer adalah molekul

kecil yang disebut monomer. Beberapa molekul tersebut yang berfungsi sebagai

monomer juga memiliki fungsi lain.

Makromolekul polimer berbeda sifatnya dari monomer penyusunnya, akan

tetapi mekanisme kimiawi yang digunakan sel untuk membuat dan memutus

polimer secara mendasar adalah sama. Monomer-monomer dihubungkan melalui

suatu reaksi di mana dua molekul berikatan secara kovalen satu sama lain melalui

pelepasan satu molekul air; reaksi ini disebut reaksi kondensasi atau reaksi

dehidrasi karena molekul yang hilang adalah air. Ketika ikatan terbentuk antara dua

monomer, setiap monomer menyumbangkan bagian dari molekul air yang hilang itu:

satu molekul memberikan gugus hidroksil ( -OH), sementara yang lainnya

memberikan hidrogen (-H). Untuk membuat suatu polimer, reaksi ini dilakukan

secara berulang saat monomer ditambahkan ke rantai itu satu demi satu. Sel harus

mengeluarkan energi untuk melaksanakan reaksi kondensasi ini, dan proses ini

terjadi hanya dengan bantuan enzim, suatu protein terspesialisasi yang

mempercepat laju reaksi kimiawi dalam sel yang akan kita bahas nanti.

Polimer akan diurai menjadi monomernya melalui hidrolisis, suatu proses yang

pada prinsipnya merupakan kebalikan dari reaksi dehidrasi. Hidrolisis berarti

memutus dengan air ( dari bahasa Yunani hydro berarti “air” dan lysis berarti

“memutus”). Ikatan dari monomer-monomer diputuskan dengan penambahan

molekul air, hidrogen dari molekul air terikat dengan satu monomer, dan gugus

hidroksil terikat dengan monomer didekatnya. Contoh hidrolisis yang bekerja dalam

tubuh kita adalah proses pencernaan. Sejumlah besar materi organik dalam

makanan kita berbentuk polimer yang terlalu besar untuk dapat masuk ke dalam sel

kita. Di dalam saluran pencernaan, berbagai enzim menghancurkan polimer itu

sehingga mempercepat hidrolisis. Monomer yang dibebaskan kemudian diserap ke

dalam aliran darah untuk didistribusikan ke seluruh sel-sel tubuh. Sel-sel itu

kemudian dapat menggunakan reaksi dehidrasi untuk merakit monomer itu menjadi

polimer baru yang berbeda dari polimer yang dicerna sebelumnya.

Gambar 1. Sintesis dan Perombakan Polimer

b. Variasi polimer yang sangat banyak dapat dibangun dari sekumpulan kecil

monomer.

Masing-masing sel memiliki ribuan jenis makromolekul yang berbeda. Jenis-

jenis makromolekul tersebut bervariasi dari satu jenis sel ke jenis sel yang lain dalam

organisme yang sama. Perbedaan yang hakiki antara saudara sekandung

menggambarkan variasi dalam polimer, kususnya DNA dan protein. Perbedaan

molekuler antara individu-individu yang tidak saling berkerabat, jauh lebih besar

lagi, dan perbedaan antara spesies-spesies makin besar lagi. Keragaman

makromolekul dalam dunia kehidupan sangat besar dan potensi keragaman sungguh

tak terbatas.

Apa yang menjadi dasar keragaman seperti itu dalam polimer kehidupan?

Molekul-molekul ini disusun hanya dari 40 sampai 50 monomer yang umum dan

beberapa monomer lain yang jarang sekali muncul. Pembentukan keragaman

polimer yang begitu besar dari monomer-monomer yang jumlahnya terbatas analog

dengan menyusun ratusan ribu kata hanya dari 26 huruf alfabet. Kuncinya adalah

pengaturan, variasi urutan linier dari unit-unit penyusunnya. Protein misalnya,

dibangun dari 20 jenis asam amino yang tersusun dalam rantai dengan ratusan

asam amino panjangnya. Molekul-molekul kecil yang dimiliki oleh semua organisme

disusun menjadi makromolekul yang unik. Prinsip yang perlu diingat bahwa

makromolekul memiliki sifat-sifat baru yang tidak ditemukan pada blok-blok

penyusunnya.

2. Protein perkakas molekuler sel

Peran penting protein dapat dilihat dari namanya yang berasal dari bahasa Yunani

proteios yang artinya “tempat pertama.” Protein meliputi 50% bobot kering sebagian

besar sel, dan molekul ini sangat berguna sebagai alat bantu dalam hampir setiap hal

yang dilakukan oleh organisme. Protein digunakan untuk dukungan struktural,

penyimpanan, transport substansi lain, pengiriman sinyal dari satu bagian organisme ke

bagian lain, pergerakan, dan pertahanan melawan substansi asing. Sebagai emzim,

protein juga mengatur metabolism. Manusia memiliki puluhan ribu protein yang

berbeda, masing-masing dengan struktur dan fungsi yang spesifik.

Table 1. Gambaran Umum Fungsi Protein

JENIS PROTEIN FUNGSI CONTOH GAMBAR

Protein structural Pendukung Serangga dan laba laba menggunakan serat sutera, masing-masing untuk membentuk kokon dan sarangnya

Protein simpanan Cadangan

asam amino Ovalbumin adalah protein pada putih telur yang digunakan sebagai sumber asam amino bagi embrio yang sedang berkembang, kasein protein susu merupakan sumber asam amino untuk bayi mamalia. Tumbuhan memiliki protein cadangan di dalam bijinya

Protein transport Mengangkut substansi lain

Hemoglobin, protein yang mengandung besi dalam darah vertebrata mengangkut oksigen dari paru paru ke bagian tubuh lain. Protein transport lainnya mengangkut molekul melewati membrane sel

Protein hormonal Koordinasi aktivitas organism

Insulin, suatu hormone yang disekresi oleh pancreas membantu mengatur konsentrasi gula dalam darah vertebrata

Protein reseptor Respon sel terhadap rangsangan kimiawi

Reseptor yang ada di dalam membrane sel-sel saraf akan mendeteksi sinyal kimiawi yang dilepaskan oleh sel-sel saraf lainnya

Protein kontraktil Pergerakan Aktin dan myosin bertanggung jawab atas pergerakan otot. Protein kontraktil bertanggung jawab atas pergerakan atau getaran silia dan flagella yang menggerakkan banyak sel

Protein pertahanan

Perlindungan terhadap penyakit

Antibody menyerang bakteri dan virus

Protein enzimatik Percepatan

reaksi-reaksi kimiawi secara selektif

Enzim pencernaan menghidrolisis polimer dalam makanan

Protein merupakan molekul yang dikenal mempunyai struktur paling rumit. Sesuai

dengan fungsinya yang beragam itu, molekul protein sangat beragam strukturnya. Setiap

jenis protein memiliki bentuk tiga dimensi atau konformasi yang unik. Meskipun protein

beragam, semua molekul protein merupakan polimer yang dibangun dari kumpulan 20

asam amino yang sama. Polimer asam amino disebut polipeptida. Suatu protein terdiri

atas satu atau lebih polipeptida yang terlipat dan terbelit membentuk suatu kesesuaian

yang spesifik (Campbell, 2004).

a. Polipeptida adalah polimer asam amino yang dihubungkan dalam suatu urutan

yang spesifik

Asam amino adalah molekul organik yang memiliki gugus karboksil dan gugus

amino. Pada bagian pusat asam amino terdapat suatu atom karbon asimetrik.

Keempat pasangannya yang berbeda itu adalah gugus amino, gugus karboksil, atom

hidrogen dan berbagai gugus yang disimbulkan dengan R. Gugus R itu yang juga

disebut rantai samping. Gugus R bisa sesederhana seperti atom hidrogen, misalnya

pada asam amino glisin, atau bisa juga suatu kerangka karbon dengan berbagai

gugus fungsional yang terikat seperti pada glutamin.

Gambar 2. Rumus Umum Asam Amino

Sifat kimiawi dan fisik rantai samping akan menentukan karakteristik yang unik

dari suatu asam amino tertentu. Pada gambar 3. asam amino dikelompokkan sesuai

sifat rantai sampingnya. Satu kelompok terdiri atas asam amino dengan rantai

samping nonpolar, yang bersifat hidrofobik. Kelompok lain terdiri atas asam amino

dengan rantai samping polar yang bersifat hidrofilik. Asam amino bersifat asam atau

asidik adalah asam amino dengan rantai samping yang umumnya bermuatan negatif

akibat kehadiran suatu gugus karboksil yang umumnya terurai (terionisasi) pada

tingkat pH seluler. Asam amino bersifat basa atau basik mempunyai gugus amino

pada rantai sampingnya yang umumnya bermuatan positif. Karena bersifat ionik,

rantai samping asidik dan basik juga bersifat hidrofilik.

Bagaimana asam amino berikatan membentuk polimer? Ketika dua asam amino

diposisikan sedemikian rupa sehingga gugus karboksil dari satu asam amino

berdekatan dengan gugus amino dari asam amino yang lain, suatu enzim akan dapat

menyatukan kedua asam amino tersebut melalui reaksi dehidrasi. Ikatan kovalen

yang dihasilkan disebut ikatan peptida. Jika dilakukan berulang-ulang, proses ini

akan menghasilkan polipeptida, suatu polimer yang terdiri dari banyak asam amino

yang berikatan melalui ikatan peptida. Pada salah satu ujung rantai polipeptida itu

terdapat satu gugus amino bebas. Dengan demikian, rantai tersebut memiliki

polaritas dengan ujung amino ( terminal N) dan ujung karboksil ( terminal C).

Panjang polipeptida berkisar mulai dari hanya beberapa monomer sampai ke seribu

monomer atau lebih setiap polipeptida spesifik memiliki urutan linier yang unik yang

terdiri dari asam-asam amino. Keragaman polipeptida yang begitu besar yang

ditemukan di alam ini menggambarkan konsep penting yang telah dibahas

sebelumnya bahwa sel dapat menghubungkan sejumlah monomer yang terbatas ke

dalam urutan yang sangat beragam.

Dari sekitar dua puluhan asam amino yang kita kenal, sekitar sepuluh macam

tidak bisa dibentuk oleh tubuh manusia dan harus didatangkan dari asupan

makanan. Itulah yang disebut asam amino esensial, sering juga disebut asam amino

indispensable. Asam amino esensial ini diperlukan untuk pertumbuhan tubuh. Jika

kekurangan kelompok asam amino ini akan menderita busung lapar (kwashiorkor).

Itu sebabnya asupan asam amino yang cukup dari makanan selalu diperlukan setiap

hari. Asam amino yang termasuk ke dalam kelompok esensial diantaranya :

Histidine, Isoleucine, Leucine, Lysine, Methionine, Phenylalanine, Threonine,

Tryptophan, Valine.

Tabel 2. 20 Asam Amino Penyusun Protein

Sebenarnya dari beberapa jenis asam amino esensial seperti arginin dapat

dibuat oleh tubuh, tetapi prosesnya sangat lambat dan tidak mencukupi untuk

seluruh kebutuhan. Jadi juga harus disuplai dari makanan. Selain itu beberapa jenis

asam amino juga berfungsi saling melengkapi satu sama lain. Contohnya metionin

diperlukan untuk memproduksi cystein, atau fenilalanin diperlukan untuk

membentuk tirosin.

Ada sepuluh asam amino yang bisa dibentuk oleh tubuh manusia, dan disebut

asam amino non esensial atau asam amino dispensable. Karena bisa dibentuk

sendiri oleh tubuh maka tidak harus memperoleh asupan dari makanan. Yang

termasuk asam amino nonesensial diantaranya: Alanine, Arginine, Asparagine,

Aspartic acid, Cysteine, Glutamic acid, Glutamine, Glycine, Proline, Selenocysteine,

Serine, Taurine, Tyrosine, Ornithine.

Gambar 3. Pembentukan rantai polipeptida

b. Fungsi suatu protein bergantung pada bentuk spesifiknya

“Polipeptida” tidaklah persis bersinonim dengan “protein”. Hubungannya

analog dengan hubungan antara untaian benang panjang dan sebuah sweater

dengan ukuran dan bentuk tertentu yang dapat dirajut dari benang tersebut. Suatu

protein fungsional bukanlah sekedar rantai polipeptida, akan tetapi satu atau lebih

polipeptida yang dipelintir, dilipat, dan dililit secara tepat menjadi suatu molekul

dengan bentuk yang unik. Urutan asam amino suatu polipeptida itulah yang

menentukan konformasi tiga dimensi apa yang akan diambil oleh protein tersebut.

Banyak protein berbentuk globuler (secara kasar agak bulat), sementara yang lain

bentuknya seperti serat. Namun demikian, di dalam kategori yang luas ini, mungkin

terjadi variasi yang tak terhitung.

Konformasi spesifik suatu protein akan menentukan bagaimana protein

tersebut bekerja. Dalam hampir setiap kasus, fungsi suatu protein bergantung pada

kemampuannya untuk mengenal dan berikatan dengan beberapa molekul lain.

Misalnya suatu antibody berikatan dengan suatu substansi asing tertentu yang telah

menyerang tubuh, dan suatu enzim mengenali dan berikatan dengan substratnya.

1) Empat tingkatan struktur protein

Ketika sebuah sel mensintesis suatu polipeptida, rantai itu umumnya

melipat secara spontan mengambil konformasi fungsional protein tersebut.

Pelipatan tersebut digerakkan dan diperkuat oleh pembentukan berbagai

macam ikatan di antara bagian-bagian rantai itu. Dalam arsitektur kompleks

suatu protein, dikenal tiga tingkatan struktur yang saling berimpitan yang

disebut struktur primer, sekunder dan tersier. Tingkatan keempat, struktur

kuaterner, terjadi ketika suatu protein terdiri atas dua atau lebih rantai

polipeptida.

Struktur primer suatu protein adalah adalah urutan uniknya yang terdiri dari

asam amino. Misalnya struktur primer lisozim, suatu enzim antibakteri. Lisozim

adalah protein yang relatif kecil yang hanya 129 asam amino panjangnya.

Masing-masing dari 20 asam amino menempati setiap 129 posisi di sepanjang

rantai itu. Struktur primer mirip dengan tatanan huruf dalam sebuah kata yang

sangat panjang. Jika dibiarkan membentuk sendiri akan ada 20129 cara yang

berbeda untuk mengatur asam amino menjadi suatu rantai polipeptida

sepanjang ini. Namun, struktur primer suatu protein yang tepat tidak ditentukan

oleh ikatan acak asam amino itu, akan tetapi oleh informasi genetik yang

diwarisi.

Gambar 4. Struktur primer protein

Perubahan yang sedikit sekalipun dalam struktur primer akan dapat

mempengaruhi konformasi protein dan kemampuannya untuk digunakan.

Misalnya substitusi satu asam amino dengan asam amino yang lain pada posisi

tertentu pada struktur primer hemoglobin, menyebabkan anemia sel sabit yaitu

suatu kelainan darah turunan.

Yang mempelopori penentuan struktur primer protein adalah Frederick

Sanger, yang bersama-sama dengan koleganya di Cambridge University di

Inggris, mengerjakan urutan asam amino hormon insulin pada akhir tahun 1940-

an dan awal tahun 1950-an. Pendekatan yang digunakan adalah dengan

menggunakan enzim pencerna protein dan katalis lain yang memutuskan

polipeptida pada tempat-tempat spesifik. Perlakuan dengan salahs satu agen

tersebut akan memotong-motong pelipeptida menjadi fragmen-fragmen yang

dapat dipisahkan melalui kromatografi. Hidrolosis dengan agen lain akan

memutuskan polipeptida itu pada tempat yang berbeda, yang menghasilkan

kelompok pragmen yang lain. Sanger menggunakan metode kimiawi untuk

menentukan urutan asam amino pada fragmen-fragmen kecil itu. Selanjutnya ia

mencari daerah tumpang tindih di antara potongan yang diperoleh melalui

hidrolisis dengan agen yang berbeda. Misalnya dua fragmen dengan urutan

sebagai berikut:

Cys-Ser-Leu-Tyr-Gln-Leu

Tyr-Gln-Leu-Glu-Asn

Kita dapat menyimpulkan dari daerah yang tumpang tindih tersebut maka

urutan utuh mengandung segmen sebagai berikut:

Cys-Ser-Leu-Tyr-Gln-Leu-Glu-Asn

Sanger dan koleganya mampu menyusun ulang struktur primer insulin

secara lengkap setelah melakukan upaya bertahun-tahun. Setelah itu sebagian

besar langkah yang terlibat dalam pengurutan suatu polipeptida telah

diotomatisasikan dengan mesin. Namun demikian, analisis insulin Sanger-lah

yang pertama kali mendemonstrasikan apa yang sekarang merupakan suatu

aksioma mendasar biologi molekuler: Setiap jenis protein memiliki struktur

primer yang unik, suatu urutan asam-asam amino yang tepat.

Struktur sekunder. Sebagian besar protein memiliki segmen-segmen dalam

rantai polipeptidanya yang terlilit dan terlipat secara berulang dalam pola yang

membentuk protein secara keseluruhan. Lilitan dan lipatan ini, yang secara

keseluruhan disebut sebagai struktur sekunder. Struktur ini merupakan hasil dari

ikatan-ikatan hydrogen pada interval beraturan di sepanjang tulang belakang

polipeptida tersebut. Karena bersifat elektronegatif, baik atom oksigen dan

nitrogen tulang belakang itu bermuatan negatif lemah. Atom hydrogen

bermuatan positif lemah yang berikatan dengan atom nitrogen memiliki afinitas

terhadap atom oksigen pada ikatan peptida didekatnya. Secara individual, ikatan

hydrogen ini adalah lemah, tetapi karena berulang beberapa kali dalam suatu

daerah rantai polipeptida yang relative panjang, ikatan ini dapat mendukung

suatu bentuk kusus untuk bagian protein tersebut. Salah satu struktur sekunder

seperti itu, adalah heliks alfa (α), suatu lilitan rumit yang disatukan oleh ikatan

hydrogen di antara setiap empat asam amino.

Jenis struktur sekunder utama lainnya adalah lembaran berlipat-lipat, di

mana dua daerah rantai polipeptida terletak sejajar satu sam lain. Ikatan

hydrogen antara bagian-bagian tulang belakang pada daerah sejajar itu akan

menyatukan struktur tersebut. Lembar berlipat membentuk inti dari banyak

protein globuler. Kita dapat melihat satu daerah seperti itu dalam lisozim.

Lembaran berlipat juga mendominasi beberapa protein serat, termasuk protein

sutera yang dihasilkan oleh banyak serangga dan laba-laba.

Struktur tersier. Lapisan tumpang tindih di atas pola struktur sekunder

adalah struktur tersier protein, yang terdiri atas pemutarbalikan tak beraturan

dari ikatan antara rantai-rantai samping (gugus R) berbagai asam amino. Salah

satu jenis ikatan yang berperan dalam struktur tersier disebut interaksi

hidrofobik. ketika polipeptida melipat membentuk konformasi fungsionalnya,

asam amino dengan rantai samping hidrofobik ( nonpolar) umumnya

mengumpul membentuk kumpulan pada bagian inti protein itu, menjauhi

kontak dengan air. Dengan demikian, apa yang disebut dengan interaksi

hidrofobik pada dasarnya dimulai oleh perilaku molekul air yang menjauhi

substansi nonpolar ketika molekul-molekul air membentuk ikatan hydrogen satu

sama lain dan dengan bagian hidrofilik protein tersebut. Begitu rantai samping

asam amino nonpolar mendekat satu sama lain, gaya tarik Van Der Waals

menguatkan kembali interaksi hidrofobik itu. Sementara itu, ikatan hydrogen

antara rantai-rantai samping polar dan ikatan ionic antara rantai-rantai samping

bermuatan positif dan rantai samping bermuatan negative juga membantu

menstabilkan struktur tersier. Semuanya ini merupakan interaksi lemah, akan

tetapi efek kumulatifnya membuat protein mempunyai bentuk yang spesifik.

Gambar 5. Tiga tingkatan struktur protein

Konformasi suatu protein bias semakin diperkuat oleh ikatan kovalen kuat

yang disebut jembatan disulfida. Jembatan disulfida terbentuk ketika dua

monomer sistein, yaitu asam amino dengan gugus sulfhidril (-SH) pada rantai

sampingnya, saling mendekat satu sama lain melalui pelipatan protein tersebut.

Sulfur salah satu sistein itu berikatan dengan sulfur sistein kedua, dan jembatan

disulfida (-S-S-) mematri bagian-bagian protein menjadi terikat bersama. Semua

jenis ikatan-ikatan yang berbeda ini dapat terjadi pada satu protein, seperti pada

gambar 6.

Struktur kuaterner. Seperti telah disebutkan sebelumnya, beberapa protein

terdiri atas dua atau lebih polipeptida yang mengumpul menjadi satu

makromolekul yang fungsional. Struktur kuaterner adalah keseluruhan struktur

protein yang dihasilkan dari penggabungan semua subunit polipeptida itu.

Misalnya kolagen adalah suatu protein serat yang mempunyai subunit heliks

yang mengalami superkoil atau superlilitan menjadi suatu heliks rangkap tiga

yang lebih besar. Organisasi kolagen superkoil ini, mirip seperti konstruksi

sebuah tali, memberikan kekuatan yang sangat besar kepada serat yang panjang

tersebut. Hal tersebut sesuai dengan fungsi serat kolagen sebagai balok

penopang jaringan ikat, seperti tendon dan ligament. Hemoglobin merupakan

salah satu contoh protein globuler dengan struktur kuaterner. Protein ini terdiri

dari dua jenis rantai polipeptida di mana pada tiap molekul hemoglobin terdapat

dua buah dari masing-masing jenis rantai.

Gambar 6. Contoh ikatan yang berperan dalam pembentukan struktur tersier protein

2) Apa yang menentukan konformasi protein?

Kita telah mengetahui bahwa konformasi yang unik menyebabkan setiap

protein mempunyai fungsi spesifik, namun apa factor kunci yang menentukan

konformasi? Rantai polipeptida dengan suatu urutan asam amino tertentu dapat

secara spontan mengatur diri mengambil suatu bentuk tiga dimensi yang

dipertahankan oleh interaksi-interaksi yang menyebabkan struktur sekunder dan

tersier. Keadaan ini terjadi secara normal ketika protein tersebut sedang

disintesis di dalam sel. Namun, konformasi protein juga tergantung pada kondisi

fisik dan kimiawi lingkungan protein tersebut. Jika pH, konsentrasi garam, suhu

atau aspek lain dari lingkungan diubah, maka protein tersebut bisa terbuka dan

kehilangan konformasi aslinya, suatu perubahan yang disebut denaturasi.

Setelah berubah bentuk, protein terdenaturasi tersebut menjadi inaktif secara

biologis. Sebagian besar protein menjadi terdenaturasi jika protein tersebut

dipindahkan dari lingkungan aqueous ke suatu pelarut organic seperti eter atau

kloroform. Protein tersebut akan menjadi terbalik ( bagian luar masuk ke bagian

dalam ), daerah hidrofobiknya berganti tempat dengan bagian hidrofiliknya.

Agen denaturasi lain meliputi bahan kimiawi yang merusak atau mengganggu

ikatan hidrogen, ikatan ionik dan jembatan disulfida yang mempertahankan

suatu bentuk protein. Denaturasi juga disebabkan oleh panas yang berlebihan

yang merangsang rantai polipeptida itu sedemikian rupa sehingga cukup

mengatasi interaksi lemah yang menstabilkan konformasi tersebut.

Gambar 7. Denaturasi dan renaturasi protein

Ketika suatu protein dalam larutan tabung reaksi didenaturasi oleh panas

atau bahan kimiawi, protein tersebut sering kali akan kembali ke bentuk

fungsionalnya bila agen pendenaturasinya dihilangkan. Dengan demikian dapat

dikatakan bahwa informasi untuk membangun suatu bentuk spesifik protein

bersifat intrinsik dalam struktur primer protein itu. Urutan asam amino

menentukan konformasi di mana heliks α dapat terbentuk, di mana lembaran

berlipat-lipat dapat terjadi, di mana jembatan disulfida berada, di mana ikatan

ionik dapat terbentuk dan selanjutnya. Akan tetapi di dalam lingkungan yang

penuh sesak di dalam suatu sel, pelipatan ulang suatu protein terdenaturasi dan

bahkan pelipatan yang benar selama sintesis protein mungkin lebih merupakan

masalah.

3) Masalah pelipatan protein

Para ahli biokimia telah mengetahui urutan asam amino lebih dari 100.000

protein dan sekitar 10.000 bentuk tiga dimensi. Mungkin kita akan berpikir

bahwa dengan menghubungkan struktur primer berbagai protein dengan

konformasinya, akan memungkinkan untuk menemukan aturan pelipatan

protein kususnya dengan bantuan komputer. Akan tetapi permasalahan

pelipatan protein tidaklah sesederhana itu. Sebagian besar protein barangkali

mengalami bentuk intermediet sebelum mencapai konformasi stabilnya, dan

dengan hanya melihat konformasi yang “matang “ tersebut tidak akan

mengungkapkan tahapan pelipatan yang diperlukan untuk mencapai bentuk itu.

Namun, para ahli biokimia telah mengembangkan metode untuk pelacakan

suatu protein yang melalui tahapan pelipatan intermedietnya. Para peneliti

juga telah menemukan protein chaperone, molekul yang berfungsi sebagai

penahan atau penguat temporer yang membantu pelipatan protein lain.

Permasalahan pelipatan protein sangat penting artinya. Jika aturan

pelipatan protein telah diketahui, seharusnya akan memungkinkan untuk

merancang protein yang akan melakukan suatu tugas spesifik dengan cara

membuat suatu rantai polipeptida dengan urutan asam amino yang tepat.

3. Sintesis protein

Sebelum membahas bagaimana gen mengatur sintesis protein, akan dibahas

terlebih dahulu mengenai hubungan antara gen dan protein.

a. Satu gen satu polipeptida

Setelah para ahli dan peneliti mempelajari lebih lanjut tentang protein, mereka

membuat revisi kecil mengenai hipotesis satu gen satu enzim. Tidak semua protein

adalah enzim. Keratin, protein structural pada rambut hewan dan hormone insulin

merupakan contoh protein yang bukan enzim. Oleh karena protein yang bukan

enzim bagaimanapun juga adalah produk dari gen, ahli biologi molekuler mulai

berpikir dari sudut pandang satu gen satu protein. Namun demikian, banyak protein

terdiri dari dua atau lebih rantai polipeptida yang berbeda,dan setiap polipeptida

ditentukan oleh gennya masing-masing. Contohnya hemoglobin, protein

pentranspor oksigen dalam sel darah merah vertebrata, terbentuk dari dua jenis

polipeptida yang artinya protein ini di kode oleh dua gen. Oleh karena itu hipotesis

menjadi satu gen satu polipeptida. Namun lebih umum disebut protein bukannya

polipeptida sebagai produk gen.

Gambar 8. Gambaran umum sintesis protein

b. Transkripsi dan translasi merupakan dua proses utama yang menghubungkan gen

ke protein

Gen memberi perintah untuk membuat protein tertentu. Tetapi gen tidak

membangun protein secara langsung. Jembatan antara DNA dan sintesis protein

adalah RNA. RNA secara kimiawi serupa dengan DNA, terkecuali bahwa RNA

mengandung ribosa bukan deoksiribosa sebagai gulanya, dan memiliki basa nitrogen

urasil bukan timin. Dengan demikian, setiap nukleotida di sepanjang untai DNA

memiliki deoksiribosa sebagai gulanya dan A, G, C atau T sebagai basanya. Setiap

nukleotida di sepanjang untai RNA memiliki ribose sebagai gulanya dan A, G, C, atau

U sebagai basanya. Suatu molekul RNA hampir selalu terdiri dari satu untai tunggal.

Gen biasanya panjangnya mencapai ratusan atau ribuan nukleotida dengan

urutan basanya masing-masing yang spesifik. Setiap polipeptida dari suatu protein

juga memiliki monomer yang memiliki susunan dalam tatanan linier tertentu. Tetapi

monomernya adalah keduapuluh asam amino tersebut. Dengan demikian asam

nukleat dan protein berisi informasi yang ditulis dalam dua bahasa kimiawi yang

berbeda. Untuk beralih dari DNA yang ditulis dalam suatu bahasa ke protein yang

ditulis dalam bahasa lain, membutuhkan dua tahapan utama yaitu transkripsi dan

translasi.

Gambar 9. Heliks ganda DNA

Transkripsi merupakan sintesis RNA berdasarkan arahan DNA. Kedua asam

nukleat menggunakan bahasa yang sama dan informasinya tinggal ditranskripsi atau

disalin dari satu molekul ke molekul yang lain. Transkripsi menyediakan suatu

cetakan untuk penyusunan urutan nukleotida DNA. Molekul RNA yang dihasilkan

merupakan transkrip penuh dari instruksi-instruksi pembangun protein dari gen

tersebut. Jenis molekul RNA ini disebut RNA mesenjer ( mRNA ), karena molekul ini

membawa pesan dari DNA ke peralatan pensintesis protein dari sel tersebut.

Translasi merupakan sintesis polipeptida yang sesungguhnya yang terjadi

berdasarkan arahan mRNA. Selama tahapan ini terdapat perubahan bahasa. Sel

tersebut harus mentranslasi ( menerjemahkan ) urutan basa molekul mRNA ke

dalam urutan asam amino polipeptida. Tempat-tempat translasi ini adalah ribosom,

partikel kompleks yang memfasilitasi perangkaian secara teratur asam amino

menjadi rantai polipeptida.

Dari uraian di atas dapat kita sederhanakan bahwa gen memprogram sintesis

protein melalui pesan genetic dalam bentuk mRNA. Dengan kata lain, sel diatur oleh

rantai perintah molekuler: DNA→RNA→protein.

c. Dalam kode genetic, triplet nukleotida menentukan asam amino

Ketika mulai diketahui bahwa perintah untuk sintesis protein dikodekan dalam

DNA, para peneliti menyadari adanya masalah. Hanya ada 4 nukleotida untuk

menentukan 20 asam amino. Jika setiap basa nukleotida ditranslasi ke dalam asam

amino, hanya 4 dari keduapuluh asam amino itu yang dapat ditentukan. Bagaimana

jika kode 2 huruf? Misalnya AG dapat menentukan satu asam amino, dan GT dapat

menentukan asam amino yang lain. Karena terdapat 4 basa maka kemungkinan

susunan yang dapat dihasilkan adalah 42 yaitu 16. Sehingga masih belum cukup

untuk mengkode ke 20 asam amino.

Triplet nukleotida merupakan unit terkecil dengan panjang seragam yang dapat

mengkode seluruh asam amino. Jika tiga basa berurutan menentukan satu asam

amino, maka terdapat 43 yaitu 64 kemungkinan kode, lebih dari cukup untuk

menentukan asam amino tersebut.

Sel tidak dapat secara langsung mentranslasi gen menjadi asam amino. Langkah

antaranya adalah transkripsi dimana selama transkripsi inilah gen tersebut

menentukan urutan triplet basa disepanjang molekul mRNA. Untuk setiap gen,

hanya salah satu dari dua untai DNA yang ditranskripsi. Untai ini disebut untai

cetakan, karena untai ini memberikan cetakan untuk menata urutan nukleotida

dalam transkrip RNA. DNA yang ada dapat menjadi untai cetakan di beberapa

daerah dalam suatu molekul DNA.

Sumber, biologi Campbell 9

Gambar 10. Kamus kode genetik

Molekul mRNA lebih merupakan komplementer daripada identik dengan

cetakan DNAnya karena basa RNA disusun pada cetakan tersebut berdasarkan

aturan pemasangan basa. Pasangan ini serupa dengan pasangan yang terbentuk

selama replikasi DNA. Namun pada RNA basa U menggantikan T yang berpasangan

dengan A. Dengan demikian, apabila untai DNA ditranskripsi, triplet basa ACC dalam

DNA menyediakan cetakan untuk UGG dalam molekul mRNA tersebut. Triplet basa

ini disebut kodon. Misalnya, UGG merupakan kodon untuk asam amino triptofan (

disingkat Trp).

Selama translasi, urutan kodon di sepanjang mRNA dikode atau ditranslasi

menjadi urutan asam amino yang menyusun suatu rantai polipeptida. Setiap kodon

di sepanjang mRNA menentukan yang mana dari keduapuluh asam amino itu yang

akan dimasukkan pada posisi yang sesuai di sepanjang polipeptida. Karena kodon

merupakan triplet basa, jumlah nukleotida yang menyusun pesan genetic haruslah

tiga kali jumlah asam amino yang menyusun produk protein tersebut. Misalnya

dibutuhkan 300 nukleotida di sepanjang untai RNA untuk mengkode polipeptida

yang panjangnya 100 asam amino.

Dari uraian di atas dapat kita ringkas bahwa informasi genetic dikode sebagai

suatu urutan triplet basa yang tidak tumpang tindih atau kodon, yang masing-

masing ditranslasi menjadi asam amino spesifik selama sintesis protein.

Gambar 11. Kode triplet

d. Translasi adalah sintesis polipeptida yang diarahkan oleh RNA

Kita dapat membagi translasi, sintesis rantai polipeptida ke dalam tiga tahapan:

inisiasi, elongasi, dan terminasi. Semua tahapan ini memerlukan faktor-faktor

protein yang membantu mRNA, tRNA dan ribosom selama proses translasi.

Inisiasi. Tahap inisiasi membawa bersama-sama mRNA, sebuah tRNA yang

membawa asam amino pertama, dan dua subunit ribosom. Pertama subunit

ribosom kecil mengikatkan diri pada mRNA dan tRNA inisiator kusus. Pada arah

downstream dari mRNA terdapat kodon inisiasi AUG yang memberikan sinyal

dimulainya proses translasi. tRNA inisiator yang membawa asam amino metionin

melekat pada kodon inisiasi.

Gambar 12. Inisiasi translasi

Penyatuan mRNA, tRNA inisiator dan subunit ribosom menyempurnakan

komplek inisiasi translasi. Protein yang disebut factor inisiasi dibutuhkan untuk

membawa semua komponen tersebut bersama-sama. Saat penyelesaian proses

inisiasi, tRNA inisiator berada pada tempat P dari ribosom dan tempat A yang kosong

siap untuk tRNA aminoasil berikutnya. Sintesis polipeptida dimulai dari ujung

aminonya.

Elongasi. Pada tahap elongasi dari translasi, asam-asam amino ditambahkan

satu per satu pada asam amino pertama. Tiap penambahan melibatkan partisipasi

beberapa protein yang disebut factor elongasi dan terjadi dalam siklus tiga tahap.

1) Pengenalan kodon.

Kodon mRNA pada tempat A dari ribosom membentuk ikatan hydrogen dengan

antikodon molekul tRNA yang baru masuk yang membawa asam amino yang

tepat. Factor elongasi membawa tRNA ke tempat A. Langkah ini juga

membutuhkan hidrolisis GTP.

2) Pembentukan ikatan peptida

Molekul rRNA dari subunit ribosom besar berfungsi sebagai ribozim, mengkatalis

pembentukan ikatan peptide yang menggabungkan polipeptida yang

memanjang dari tempat P ke asam amino yang baru tiba di tempat A. Pada

tahap ini, polipeptida memisahkan diri dari tRNA tempat pelekatannya semula,

dan asam amino pada ujung karboksilnya berikatan dengan asam amino yang

dibawa oleh tRNA di tempat A.

3) Translokasi

tRNA di tempat A sekarang terikat pada polipeptida yang sedang tumbuh,

ditranslokasikan ke tempat P. Saat RNA berpindah tempat, antikodonnya tetap

berikatan dengan hydrogen pada kodon mRNA. mRNA bergerak bersama-sama

dengan antikodon ini dan membawa kodon berikutnya untuk ditranslasi pada

tempat A. Sementara itu, tRNA yang tadinya di tempat P bergerak ke tempat E

dan dari tempat ini keluar dari ribosom.

Siklus elongasi menghabiskan waktu kurang dari 1/10 detik dan terus diulang

sampai rantai polipeptidanya lengkap.

Gambar 13. Siklus elongasi tranlasi

Terminasi. Tahap akhir translasi adalah terminasi. Elongasi berlanjut hingga

kodon stop mencapai tempat A di ribosom. Triplet basa stop adalah UAA, UAG dan

UGA tidak mengkode suatu asam amino melainkan bertindak sebagai sinyal untuk

menghentikan translasi. Suatu protein yang disebut factor pelepas langsung

mengikatkan diri pada kodon stop di tempat A. Faktor pelepas ini menyebabkan

penambahan molekul air, bukan asam amino, pada rantai polipeptida. Reaksi ini

menghidrolisis polipeptida yang sudah selesai ini dari tRNA yang berada di tempat P,

melepaskan polipeptida dari ribosom. Sisa-sinya penyusunan translasi kemudian

terpisah-pisah.

Gambar 14. Terminasi translasi

4. Metabolism protein

a. Biosintesis asam amino

Manusia dapat membentuk 12 dari ke 20 asam amino yang umum dari zat-zat

antara amfibolik glikolisis dan siklus asam sitrat .

Enzim glutamate dehidrogenase, glutamine sintetase dan aminotransperase

menempati posisi sentral dalam biosintesis asam amino. Kerja kombinasi ketiga

enzim tersebut adalah mengubah ion ammonium menjadi nitrogen α –amino dari

berbagai asam amino. Contohnya transaminasi oksaloasetat membentuk aspartat.

Perubahan aspartat menjadi asparagin dikatalisis oleh asparagin sintetase yang

mirip dengan glutamine sintetase.

Gambar 15. Reaksi asparagin sintetase

b. Katabolisme protein dan nitrogen asam mino

Pada orang dewasa normal, asupan nitrogen sesuai dengan nitrogen yang

diekskresikan. Ammonia yang terutama berasal dari nitrogen α-amino asam amino

sangat toksik. Jaringan mengubah ammonia menjadi nitrogen amida glutamine

yang nontoksik. Deaminasi glutamine selanjutnya di hati membebaskan ammonia

yang kemudian diubah menjadi urea yang nontoksik. Urea merupakan produk akhir

utama hasil katabolisme nitrogen pada manusia. Sintesis 1 mol urea memerlukan 3

mol ATP plus 1 mol ion ammonium dan 1 mol nitrogen α-amino aspartat. Dari

enam asam amino yang ikut serta, N-asetilglutamat hanya berfungsi sebagai

activator enzim. Asam amino lain berfungsi sebagai pembawa atom yang akhirnya

menjadi urea. Peran metabolic utama ornitin, sitrulin dan argininosuksinat pada

mamalia adalah urea. Beberapa reaksi sintesis urea terjadi pada matrik mitokondria

dan reaksi lain berlangsung di sitosol (Murray, 2006).

c. Katabolisme rangka karbon asam amino

Katabolisme asam amino biasanya dimulai dengan transaminasi. Pengeluaran

nitrogen α-amino melalui transaminasi adalah reaksi katabolic pertama asam

amino kecuali prolin, hidroksiprolin, treonin, dan lisin. Rangka hidrokarbon yang

tersisa kemudian diuraikan menjadi zat-zat antara amfibolik.

Ganbar 16. Zat-zat amfibolik katabolisme asam amino

5. Mutasi titik serta gangguan konformasi protein dapat memiliki konsekuensi patologis

Mutasi adalah perubahan materi genetic suatu sel. Jika mutasi titik terjadi pada

suatu gamet maka akan diturunkan pada keturunannya. Contohnya pada penyakit sel

sabit yang merupakan mutasi pada suatu pasangan pasa yang mengkode pembentukan

salah satu polipeptida hemoglobin. Begitu juga halnya dengan penyakit alzhaimer,

talasemia beta merupakan penyakit yang timbul dari adanya gangguan konformasi

protein.

Gambar 15. Penyakit sel sabit pada sel eritrosit manusia

SIMPULAN

Protein merupakan salah satu jenis makromolekul kehidupan selain karbohidrat, lipid,

dan asam nukleat. Tiga makromolekul di antara empat kategori senyawa organik kehidupan:

karbohidrat, protein, dan asam nukleat adalah molekul yang menyerupai rantai yang disebut

polimer. Unit-unit yang disusun berulang-ulang yang berfungsi sebagai blok penyusun suatu

polimer adalah molekul kecil yang disebut monomer. Polimer asam amino disebut

polipeptida. Suatu protein terdiri atas satu atau lebih polipeptida yang terlipat dan terbelit

membentuk suatu kesesuaian yang spesifik.

Peran penting protein adalah digunakan untuk dukungan struktural, penyimpanan,

transport substansi lain, pengiriman sinyal dari satu bagian organisme ke bagian lain,

pergerakan, dan pertahanan melawan substansi asing dan sebagai enzim.

Dalam arsitektur kompleks suatu protein, dikenal tiga tingkatan struktur yang saling

berimpitan yang disebut struktur primer, sekunder dan tersier. Tingkatan keempat, struktur

kuaterner, terjadi ketika suatu protein terdiri atas dua atau lebih rantai polipeptida. Struktur

ini sangat khas untuk setiap protein agar fungsional.

Sintesis protein dikontrol oleh gen dalam 2 tahapan utama yaitu transkripsi, proses

sintesis RNA dan translasi, penerjemahan informasi yang dibawa RNA.

Manusia dapat membentuk 12 dari ke 20 asam amino yang umum dari zat-zat antara

amfibolik glikolisis dan siklus asam sitrat . Pada orang dewasa normal, asupan nitrogen

sesuai dengan nitrogen yang diekskresikan. Urea merupakan produk akhir utama hasil

katabolisme nitrogen pada manusia. Katabolisme asam amino biasanya dimulai dengan

transaminasi. Pengeluaran nitrogen α-amino melalui transaminasi adalah reaksi katabolic

pertama asam amino kecuali prolin, hidroksiprolin, treonin, dan lisin. Rangka hidrokarbon

yang tersisa kemudian diuraikan menjadi zat-zat antara amfibolik.

Mutasi titik serta gangguan konformasi protein dapat memiliki konsekuensi patologis.

Contohnya pada penyakit sel sabit dan alzhaimer.

Rujukan

Boyce Sinead, Keith F Tipton. Enzyme Classification and Nomenclature. Trinity College,

Dublin, Ireland

Campbell, Neil A. 2004. Biologi.(terjemahan). Jakarta: Erlangga

Phillips,Jhon S. dkk. 2002. Chemistry: concept and application. USA: The McGraw Hill

Companies Inc.

Murray, Robert K. et al. 2006. Harper’s Illustrated Biochemistry, 27th ed. The McGraw Hill

Companies Inc.