STRUKTUR PROTEINParamita Dona Fitria Siregar, Teknik Kimia, 1206263383

AbstrakProtein merupakan suatu makromolekul yang unik dan memiliki struktur yang kompleks. Protein berperan penting dalam mekanisme aktivitas tubuh. Jumlah protein sangat banyak karena protein banyak terkandung pada sel makhluk hidup. Protein tersusun dari asam amino yang yang membentuk rantai polipeptida. Asam amino ini terbentuk dari proses translasi RNA-Transfer (t-RNA) di Ribosom. Walaupun protein hanya tersusun atas asam amino yang memiliki jumlah sebanyak 20 jenis, akan tetapi untuk dapat berfungsi, ia akan melipat-lipat dan membentuk suatu struktur tertentu yang sangat presisi sehingga protein memiliki fungsi yang spesifik yang berbeda antara satu dengan yang lainnya. Protein juga tersusun atas beberapa tingkatan, mulai dari struktur primer, sekunder, tersier, hingga kuartener.Kata kunci: Protein, asam amino, rantai polipeptida, struktur protein primer, struktur protein sekunder, struktur protein tersier, struktur protein kuartener.1. Pendahuluan

Protein merupakan suatu senyawa yang memiliki peran sangat penting bagi semua makhluk hidup di Bumi. Protein merupakan susunan dari monomer-monomer asam amino yang dihubungkan satu sama lain oleh ikatan peptida sehingga menjadi suatu senyawa organik yang kompleks. Protein dikatakan kompleks karena protein memiliki banyak bagian yang masing-masing bagian tersebut memiliki fungsi yang spesifik sehingga berbeda antara fungsi satu dengan yang lainnya. Walaupun protein memiliki struktur yang beragam, akan tetapi semua molekul protein merupakan polimer yang tersusun dari 20 jenis asam amino yang sama yang membentuk rantai polipeptida. 2. Asam Amino

2.1. Struktur Asam Amino

Gambar 2.1. Struktur Asam Amino(sumber: Karp, Gerald. 2010. Cell and Molecular Biology. Sixth Editon. United State: John Wiley & Sons, Inc )

Asam amino merupakan unit dasar dari stuktur protein. Asam amino memiliki nama lain, yaitu asam 2-amino karboksilat atau asam -amino karboksilat. Suatu asam amino tersusun atas gugus amino, gugus karboksil, atom H, dan gugus R tertentu yang semuanya terikat pada atom karbon . Atom karbon ini disebut atom karbon karena letaknya bersebelahan dengan gugus karboksil (asam). Pada gambar 2.1 dapat dilihat bahwa susunan asam amino yang memiliki gugus amino dan gugus karboksil dipisahkan oleh sebuah atom karbon . Dapat dilihat juga bahwa pada bagian pusat terdapat atom karbon dengan empat gugus berbeda, yaitu gugus amino, gugus karboksil, atom H, dan gugus R sehingga menyebabkan asam amino mempunyai aktivitas optik. Dua bentuk bayangan cermin disebut dengan isomer L dan isomer D. Akan tetapi, protein hanya teriri dari asam amino tipe L, sehingga tanda isomer optik dapat diabaikan. 2.2. Sifat Asam AminoAsam amino memiliki sifat fisika dan juga sifat kimia. Sifat fisika yang dimiliki oleh asam amino antara lain adalah titik lebur asam amino lebih tinggi jika dibandingkan dengan titik lebur asam karboksilat atau amina. Asam amino larut dalam air sedangkan tidak larut dalam pelarut organik non-polar (aseton, eter, dsb). Asam amino juga memiliki sifat sebagai elektrolit. Sedangkan, sifat kimia yang dimiliki oleh asam amino adalah bereaksinya asam amino apabila direaksikan dengan suatu senyawa tertentu dengan memberikan perubahan warna. 2.3. Jenis-jenis Asam Amino

Berdasarkan gugus fungsi R-nya, asam amino terbagi menjadi 5 yaitu:

a. Gugus R Non-polar Alifatik

Gambar 2.3.A Struktur Asam Amino Gugus R Non-polar Alifatik(sumber: Lehringer. 2008. Principles of Biochemistry Fifth Edition. United State: W. H. Freeman and Company.)

Gugus R non-polar alifatik terdiri dari glisin, alanin, valin, leusin, isoleusin, dan prolin yang bersama-sama menjaga stabilitas protein dengan interaksi hidrofobik. Asam amino jenis ini memiliki sifat tidak mudah larut dengan air (hidrofobik). Semakin tidak mudah larutnya suatu asam amino dengan air, maka letaknya terdapat di bagian dalam protein.

b. Gugus R Aromatik

Gambar 2.3.B Struktur Asam Amino Gugus R Aromatik(sumber: Lehringer. 2008. Principles of Biochemistry Fifth Edition. United State: W. H. Freeman and Company.)

Gugus R Aromatik terdiri dari fenilalanin, tirosin, dan triptofan. Asam amino pada jenis ini non-polar dan semuanya dapat berinteraksi secara hidrofobik. Tirosin dan triptopan lebih polar dibandingkan dengan fenilalanin dikarenakan gugus hidroksil tirosin dan nitrogen dari cincin indol triptopan.

c. Gugus R Polar Tak Bermuatan

Gambar 2.3.C Struktur Asam Amino Gugus R Polar Tak Bermuatan(sumber: Lehringer. 2008. Principles of Biochemistry Fifth Edition. United State: W. H. Freeman and Company.)

Gugus R Polar tak bermuatan terdiri dari serin, threonin, sistein, metionin, asparagin, dan glutamin. Asam amino pada jenis ini memiliki sifat mudah larut di dalam air (hidrofilik). Hal ini dikarenakan asam amino jenis ini memiliki gugus fungsi yang membentuk ikatan hidrogendalam air. Asam amino polar cenderung terdapat di bagian luar protein.

d. Gugus R bermuatan Positif

Gambar 2.3.D Struktur Asam Amino Gugus R Bermuatan Positif(sumber: Lehringer. 2008. Principles of Biochemistry Fifth Edition. United State: W. H. Freeman and Company.)

Gugus R bermuatan positif terdiri dari lisin, argarin, dan histidin. Gugus R yang memiliki sifat paling hidrofilik adalah yang bermuatan positif atau negatif. Sehingga, asam amino pada jenis ini memiliki sifat sangat hidrofilik.

e. Gugus R bermuatan Negatif

Gambar 2.3.E Struktur Asam Amino Gugus R Bermuatan Negatif(sumber: Lehringer. 2008. Principles of Biochemistry Fifth Edition. United State: W. H. Freeman and Company.)

Gugus R bermuatan negatif terdiri dari aspartat dan glutamat. Gugus R yang memiliki sifat paling hidrofilik adalah yang bermuatan positif atau negatif. Sehingga, asam amino pada jenis ini memiliki sifat sangat hidrofilik.

3. Protein

3.1. Ikatan pada Protein

Pada protein, gugus karboksil asam amino terikat pada gugus amino asam amino lain dengan ikatan peptida atau ikatan amida secara kovalen membentuk rantai polipeptida. Asam amino yang membentuk rantai polipeptida dihubungkan oleh ikatan peptida. Pada pembentukan suatu dipeptida pada dari dua asam amino terjadi pengeluaran satu molekul air. Peptida merupakan istilah umum dari kumpulan monomer asam amino tanpa mengetahui jumlah asam amino yang terkandung. Apabila jumlah asam amino yang terkandung kurang dari atau sama dengan 50 (50), maka asam amino tersebut disebut dengan oligopeptida. Sedangkan, apabila jumlah asam amino yang terkandung lebih dari 50 (>50) disebut dengan polipeptida dan apabila asam amino tersebut memiliki berat molekul lebih dari 10.000 (10.000) maka asam amino tersebut sudah dapat dikatakan sebagai protein.

Gambar 2.4. Ikatan Peptida pada Asam Amino(sumber: Lehringer. 2008. Principles of Biochemistry Fifth Edition. United State: W. H. Freeman and Company.)

3.2. Jenis-jenis Protein

Gambar 3.2. Tingkatan struktur pada Protein(sumber: Karp, Gerald. 2010. Cell and Molecular Biology. Sixth Editon. United State: John Wiley & Sons, Inc )

Berdasarkan tingkatan strukturnya, protein terbagi menjadi menjadi empat, yaitu:

a. Struktur Protein PrimerStruktur primer suatu protein merupakan urutan linear asam amino yang disatukan oleh ikatan peptida yang mencakup lokasi setiap ikatan disulfida. Pada struktur ini, tidak terjadi percabangan rantai. Struktur primer merupakan rantai polipeptida yang dapat digambarkan sebagai rumus bangun, yang jika dilihat mirip seperti susunan huruf dalam suatu kata. Perbedaan pada susunan inilah yang menyebabkan protein memiliki fungsi yang berbeda antara satu dengan yang lainnya. Protein tersusun atas asam amino yang memiliki 20 jenis asam amino yang dikategorikan ke dalam lima kategori, yaitu gugus R non-polar alifatik, gugus R aromatik, gugus R polar tak bermuatan, gugus R bermuatan positif, dan gugus R bermuatan negatif (seperti yang telah dijelaskan sebelumnya).

Gambar 3.2.A Struktur Protein Primer(sumber: Karp, Gerald. 2010. Cell and Molecular Biology. Sixth Editon. United State: John Wiley & Sons, Inc )

b. Struktur Protein Sekunder

Struktur protein sekunder merupakan struktur yang terbentuk akibat dari ikatan hidrogen antara atom-atom ikatan peptida. Hal ini berhubungan dengan pengaturan kedudukan ruang residu asam amino yang berdekatan dengan urutan linear. Struktur protein sekunder ditentukan oleh bentuk rantai asam amino, yaitu bentuk lurus, gulungan, atau lipatan. Hal ini tentu saja akan mempengaruhi sifat dari protein. Terdapat beberapa jenis struktur protein sekunder, yaitu -helix, -sheet, dan -turns.

-helix

Struktur protein sekunder yang terbentuk akibat dari ikatan hidrogen antara atom hidrogen dari gugus amino (N-H) dengan atom oksigen dari gugus karbonil (C=O) di sepanjang rantai polipeptida memugkinkan untuk terbentuknya struktur helix. Jika tulang punggung dari polipeptida ini terpilin dengan jumlah yang sama akan terbentuk helix (ulir) reguler dimana masing-masing ikatan peptida dihubungkan dengan ikatan hidrogen ke ikatan residu asam amino di depannya dan 4 asam amino di belakangnya dalam urutan primer. Berbagai tipe helix yang terbentuk lewat pemilinan dengan taraf dan arah yang berbeda digambarkan oleh jumlah residu aminoasil perputaran dan jumlah tonjolan (pitch) atau jarak perputaran yang dibentuk helix sepanjang sumbunya. Helix polipeptida yang terbentuk dari asam amino kiral akan memperlihatkan kiralitas, yaitu helix tersebut dapat dominan kanan atau kiri.

Gambar 3.2.B. Konformasi -helix (a)The ideal right-handed -helix. C: green; O: red; N: blue; H: not shown; hydrogen bond: dashed line.(b)The right-handed helix without showing atoms.(c)the left-handed -helix.(sumber: Karp, Gerald. 2010. Cell and Molecular Biology. Sixth Editon. United State: John Wiley & Sons, Inc )

-sheetJenis struktur protein sekunder lainnya adalah -pleated sheet atau -konformasi. Simbol menunjukkan bahwa struktur ini merupakan struktur reguler kedua yang dijelaskan. Istilah pleated sheet menunjukkan penampakan struktur apabila dilihat dari pinggir atas. Pada struktur -sheet ini terdapat dua bentuk, yaitu paralel dan anti-paralel. Perbedaan dari kedua bentuk ini terletak pada arah dari rantainya. Apabila arah rantainya sama, maka struktur tersebut dikatakan sebagai parallel -pleated sheet. Sedangkan, apabila arah rantainya berbeda maka struktur tersebut merupakan struktur anti-parallel -pleated sheet.

Gambar 3.2.B. (a) anti-parallel -pleated sheet (b) parallel -pleated sheet.(sumber: Principles of Biochemistry Fifth Edition. New York: Lehninger )

turn

Berbeda dengan kumparan -helix, -sheet terbentuk melalui ikatan hidrogen antara daerah linear rantai polipeptida. Ikatan ini terjadi antara oksigen karbonil dari satu ikatan peptida dengan nitrogen dari ikatan peptida lainnya. Ikatan hidrogen dapat terbentuk antara dua rantai polipeptida yang terpisah atau antara dua daerah pada sebuah rantai tunggal yang melipat sendiri. Pelipatan ini yang sering melibatkan empat struktur asam amino yang dikenal sebagai turn. Terdapat dua jenis turn, yaitu turn tipe 1 dan turn tipe 2. tipe 1 terjadi lebih dari dua kali sesering dengan tipe 2 dan tipe 2 biasanya memiliki Glycine sebagai residu ketiga.

Gambar 3.2.B. .(kiri) turn tipe 1, (kanan) turn tipe 2(sumber: Principles of Biochemistry Fifth Edition. New York: Lehninger )

c. Struktur Protein TersierStruktur protein tersier meruupakan struktur tiga dimensi dari molekul protein tunggal. Struktur tersier menggambarkan pegaturan ruang residu asam amino yang berjauhan dalam urutan linear dan pola ikatan-ikatan disulfida. Struktur protein tersier ini mengacu pada hubungan spesial antar unsur struktur protein sekunder. Pelipatan peptida pada suatu domain biasanya terjadi tanpa tergantung oleh pelipatan domain lainnya. Pada struktur protein tersier ini dapat dijelaskan bagaimana hubungan antara domain ini, cara dimana pelipatan protein dapat mempersatukan asam amino yang letaknya terpisah dalam pengertian struktur protein primer dan ikatan yang dapat menstabilkan konformasi ini. Bentuk protein globular melibatkan interaksi antara residu asam amino yang terletak sangat jauh satu sama lainnya pada urutan primer rantai polipeptida dan melibatkan -helix dan sheet. Interaksi non-kovalen antara rantai sisi residu asam amino ini penting untuk menstabilkan strutur protein tersier yang terdiri dari ikatan hidregen, hidrofobik, dan elektrostatis.Dalam struktur ini, ikatan hidrofobik sangatlah penting bagu struktur protein. Asam amino hidrofobik cenderung berikatan di bagian dalam protein globular yang tidak melakukan kontak dengan air, sedangkan asam amino hidrofilik biasanya terletak di permukaan tempat asam amino berinteraksi dengan air di sekelilingnya.

Gambar 3.2.C. Struktur Protein Tersier (sumber: Principles of Biochemistry Fifth Edition. New York: Lehninger )

d. Struktur Protein KuartenerStruktur protein kuartener merupakan struktur yang berupa kumpulan dua atau lebih polipeptida, masing-masing terlipat menjadi struktur tersier, dalam protein multi-sub-unit. Struktur tersier ini kemudian akan membentuk suatu protein kompleks yang fungsional. Hanya protein yang mempunyai fungsi kompleks yang memiliki struktur ini termasuk beberapa protein yang terlibat dalam ekspresi gen. Beberapa struktur protein terikat dengan jembatan disulfida antara polipeptida yang berbeda, tetapi banyak protein terdiri dari asosiasi subunit yang lebih lemah yang dihubungkan dengan ikatan hidrogen dan efek hidrofobik. Protein ini dapat kembali pada komponen polipeptidanya, atau berubah komposisi subunitnya tergantung pada kebutuhan fungsinya.Protein yang memiliki bentuk struktur kuartener biasa disebut dengan protein multimerik. Jika protein yang tersusun dari dua sub-unit disebut dengan dimerik dan apabila tersusun oleh empat sub-unit maka disebut dengan protein tetramerik.

Gambar 3.2.D. (kiri) Struktur Protein Tersier, (kanan) Struktur Protein Kuartener (sumber: Principles of Biochemistry Fifth Edition. New York: Lehninger )

4. Pelipatan (folding) pada ProteinProtein merupakan suatu polimer yang mengalami denaturasi dan kemudian disintesis di ribosom yang kemudian membentuk asam amino linear dan tidak bercabang. Pelipatan protein ini termasuk dalam struktur sekunder protein, di mana pada struktur ini terdapat struktur dua dimensi protein sehingga dapat terjadi lipatan (folding) yang beraturan seperti -helix, -sheet, - turn dan random karena adanya ikatan hidrogen di antara gugus-gugus polar dari asam amino dalam rantai protein tersebut. Protein yang merupakan rangkaian dari asam-asam amino ini harus mengalami pelipatan (folding) untuk dapat mencapai struktur aslinya, karena protein hanya dapat berfungsi jika mempunyai struktur asli tersebut.Pelipatan protein di dalam sel merupakan proses kompleks yang membutuhkan bantuan molekul lain dan energi. Proses pelipatan dimulai dari rantai polipeptida yang baru terbentuk di ribosom yang berbentuk sangat tak beraturan (random coil state) sebelum proses pelipatan. Selain itu, konsentrasi makromolekul dalam sitosol, yang termasuk di dalamnya ribosom, asam nukleat dan protein lain sangat tinggi. Dalam keadaan ini, residu asam amino hidrofobik dari polipeptida naik ke permukaan dan proses pelipatan dari intermediet dapat berlangsung secara tidak tepat dapat mengakibatkan terjadinya misfolding dan agregasi sebelum sintesis selesai. Kegagalan suatu protein dalam proses folding protein (misfolding) ini dapat menyebabkan malfungsi berbagai sistem biologis yang dapat menimbulkan berbagai penyakit, seperti Alzheimer, parkinson, katarak dan kanker.

Gambar 4. Proses Pelipatan (folding) pada Protein (chaperonins work)(sumber: Principles of Biochemistry Fifth Edition. New York: Lehninger )

Pada proses pelipatan protein, dikenal istilah Chaperonins yang merupakan protein yang membantu membuka lipatan non-kovalen pada struktur makromolekulnya. Pada umumnya, Chaperonins merupakan suatu kesalahan dalam proses pelipatan protein. Dalam proses pelipatan protein, Chaperonins tidak selalu memberikan informasi, sehingga hal inilah yang menyebabkan terjadinya misleading.

5. Denaturasi pada Protein

Denaturasi protein adalah suatu proses perubahan strukturlengkap dan karakteristik bentuk protein akibat dari gangguan interaksi sekunder, tersier, dan kuaterner struktural. Karena fungsi biokimia protein tergantung pada tiga dimensi bentuknya atau susunan senyawa yang terdapat pada asam amino. Hasil denaturasi adalah hilangnya aktivitas biokimia yang terjadi didalam senyawa protein itu sendiri. Denaturasi protein juga tidak mempengaruhi kandungan struktur utama protein yaitu C, H, O, dan N.Meskipun beberapa protein mengalami kemungkinan untuk kehilangan kandungan senyawa mereka karakteristik struktural saat Denaturasi. Namun, kebanyakan protein tidak akan mengalami hal tersebut, hanya saja tidak menutup kemungkinan juga protein akan berubah struktur kecil didalamnya saat proses denaturasi terjadi. Bagaimanapun, untuk perubahan denaturasi secara umum, prosesnya sama dan tidak dapat diubah.( Stoker, 2010)

Gambar 5. Proses Denaturasi pada Protein(sumber: Principles of Biochemistry Fifth Edition. New York: Lehninger )Ciri-ciri suatu protein yang mengalami denaturasi bisa dilihat dari berbagai hal. Salah satunya adalah dari perubahan struktur fisiknya, protein yang terdenaturasi biasanya mengalami pembukaan lipatan pada bagian-bagian tertentu. Selain itu, protein yang terdenaturasi akan berkurang kelarutannya. Lapisan molekul yang bagian hidrofobik akan mengalami perubahan posisi dari dalam ke luar, begitupun sebaliknya. Hal ini akan membuat perubahan kelarutan.

6. Interaksi Protein

Pada dasarnya, protein tidaklah hanya berikatan dengan protein lainnya, akan tetapi juga berikatan dengan molekul atau senyawa lainnya. Contoh dari interaksi protein dengan molekul atau senyawa lainnya, antara lain adalah: LipoproteinLipoprotein merupakan interaksi antara protein dengan lipid (lemak).

GlikoproteinGlikoprotein merupakan interaksi antara protein dengan karbohidrat.

FosfoproteinFosfoprotein merupakan interaksi antara protein dengan fosfat.

NukleoproteinHemoprotein merupakan interaksi antara protein dengan asam nukleat.

FlavoproteinFlavoprotein merupakan interaksi antara protein dengan flavo nukleotida.

KromaproteinKromaprotein merupakan interaksi antara protein dengan pigmen warna.

7. Kesimpulan

Protein merupakan suatu senyawa yang memiliki peran sangat penting bagi semua makhluk hidup di Bumi. Protein merupakan susunan dari monomer-monomer asam amino yang dihubungkan satu sama lain oleh ikatan peptida sehingga menjadi suatu senyawa organik yang kompleks. Berbagai protein yang berbeda dapat diciptakan dari 20 jenis asam amino yang umum, karena asam amino dapat saling berikatan dalam banyak kombinasi yang berbeda. Perbedaan dalam urutan asam amino di sepanjang rantai polipeptida menyebabkan pembentukan struktur tiga dimensi yang berbeda pula.Sifat-sifat struktural protein dianggap berada dalam empat buah susunan, yaitu struktur protein primer, struktur protein sekunder, struktur protein tersier, dan struktur protein kuartener. Struktur primer suatu protein merupakan urutan linear asam amino yang disatukan oleh ikatan peptida yang mencakup lokasi setiap ikatan disulfida. Struktur protein sekunder merupakan struktur yang terbentuk akibat dari ikatan hidrogen antara atom-atom ikatan peptida. Hal ini berhubungan dengan pengaturan kedudukan ruang residu asam amino yang berdekatan dengan urutan linear. Terdapat beberapa jenis struktur protein sekunder, yaitu -helix, -sheet, dan -turns. Struktur protein tersier meruupakan struktur tiga dimensi dari molekul protein tunggal. Struktur tersier menggambarkan pegaturan ruang residu asam amino yang berjauhan dalam urutan linear dan pola ikatan-ikatan disulfida. Struktur protein tersier ini mengacu pada hubungan spesial antar unsur struktur protein sekunder. Struktur protein kuartener merupakan struktur yang berupa kumpulan dua atau lebih polipeptida, masing-masing terlipat menjadi struktur tersier, dalam protein multi-sub-unit. Struktur tersier ini kemudian akan membentuk suatu protein kompleks yang fungsional.Protein dapat berikatan dengan molekul atau senyawa lainnya, seperti dengan lipid, karbohidrat, fosfat, asam nukleat, dan lain sebagainya.

Referensi

Campbell, Reece, dan Mitchell., 2002. Biologi. Edisi Kelima, Jilid 1, Terjemahan.Jakarta: Penerbit Erlangga.

Karp, Gerald. 2010. Cell and Molecular Biology. Sixth Editon. United State: John Wiley & Sons, Inc.

Lehringer. 2008. Principles of Biochemistry Fifth Edition. United State: W. H. Freeman and Company.12