Presentasi : Pembentukan Struktur Sekunder dan Tersier Pada Protein

Pembentukan Struktur Sekunder dan Tersier Pada Protein

Protein adalah makromolekul yang paling banyak ditemukan di dalam sel makhluk hidup dan merupakan 50 persen atau lebih dari berat kering sel. Protein memiliki jumlah yang sangat bervariasi yang mulai dari struktur maupun fungsinya. Peranan protein diantaranya sebagai katalisator, pendukung, cadangan, sistem imun, alat gerak, sistem transpor, dan respon kimiawi. Protein-protein tersebut merupakan hasil ekspresi dari informasi genetik masing-masing suatu organisme tak terkecuali pada bakteri (Campbell et al., 2009; Lehninger et al., 2004). Protein dan gen memiliki hubungan yang sangat dekat dimana kode genetik berupa DNA dienkripsi dalam bentuk kromosom yang selanjutnya kode genetik tersebut ditranslasikan menjadi protein melalui serangkain mekanisme yang melibatkan RNA dan ribosom (Vo-Dinh, 2005).

PENYUSUN PROTEIN

Protein tersusun dari peptida-peptida sehingga membentuk suatu polimer yang disebut polipeptida. Setiap monomernya tersusun atas suatu asam amino. Asam amino adalah molekul organik yang memiliki gugus karboksil dan gugus amino yang mana pada bagian pusat asam amino terdapat suatu atom karbon asimetrik (Gambar 1). Pada keempat pasangannya yang berbeda itu adalah gugus amino, gugus karboksil, atom hidrogen, dan berbagai gugus yang disimbolkan dengan huruf R. Gugus R disebut juga sebagai Rantai samping yang berbeda dengan gugus amino. (Campbell et al., 2009).

Gambar 1. Struktur umum asam amino (Lehninger et al., 2004).

Gambar 2. Level dari struktur protein (Berg et al., 2006).

Asam amino dalam suatu protein memiliki bentuk L, terionisir dalam larutan, dan memiliki bentuk C asimetris kecuali asam amino jenis glisin. Asam amino standar memiliki jumlah sebanyak 20 macam. Dari 20 macam asam amino tersebut terbentuklah suatu rantai polipeptida. Rantai asam amino akan dilipat menjadi bentuk 3 dimensi dan menjadi bentuk protein spesifik yang diperlukan oleh berbagai aktivitas metabolisme atau menjadi komponen suatu sel (Lehninger et al., 2004; Vo-Dinh, 2005). Di dalam protein tersusun 20 macam asam amino yang memiliki karakteristik yang bebeda-beda sehingga dapat dikelompokkan berdasarkan sifat dan ciri rantai sampingnya (gugus R). Pengelompokan tersebut antara lain asam amino bersifat polar (serin, treonin, sistein, asparagin, dan glutamin); non-polar (glisin, alanin, prolin, valin, leusin, isoleusin, dan metionin); gugus aromatik (fenilalanin, tirosin, triptofan); bermuatan positif (lisin, histidin, arginin); dan bermuatan negatif (aspartat dan glutamat). Pengelompokan tersebut didasarkan pada polaritas, ukuran, dan bentuk dari suatu asam amino (Lehninger et al., 2004; Murray et al., 2009).

STRUKTUR PROTEIN

Protein yang tersusun dari rantai asam amino akan memiliki berbagai macam struktur yang khas pada masing-masing protein. Karena protein disusun oleh asam amino yang berbeda secara kimiawinya, maka suatu protein akan terangkai melalui ikatan peptida dan bahkan terkadang dihubungkan oleh ikatan sulfida. Selanjutnya protein bisa mengalami pelipatan-pelipatan membentuk struktur yang bermacam-macam. Adapun struktur protein meliputi struktur primer, struktur sekunder, struktur tersier, dan struktur kuartener (Gambar 2).  

 Gambar 3. Reaksi pembentukan peptida melalui reaksi dehidrasi (Voet & Judith, 2009).

Struktur sekunder merupakan kombinasi antara struktur primer yang linear  distabilkan oleh ikatan hidrogen antara gugus =CO dan =NH di sepanjang tulang belakang polipeptida. Salah satu contoh struktur sekunder adalah α-heliks dan β-pleated (Gambar 5 dan 6). Struktur ini memiliki segmen-segmen dalam polipeptida  yang terlilit atau terlipat secara berulang. (Campbell et al., 2009; Conn, 2008).

Gambar 4. Struktur sekunder α-heliks (Murray et al, 2009).

 Gambar 5. Struktur sekunder β-pleated (Campbell et al., 2009).

Struktur α-heliks terbentuk antara masing-masing atom oksigen karbonil pada suatu ikatan peptida dengan hidrogen yang melekat ke gugus amida pada suatu ikatan peptida empat residu asam amino di sepanjang rantai polipeptida (Murray et al, 2009).

Pada struktur sekunder β-pleated terbentuk melalui ikatan hidrogen antara daerah linear rantai polipeptida. β-pleated ditemukan dua macam bentuk, yakni antipararel dan pararel (Gambar 7 dan 8). Keduanya berbeda dalam hal pola ikatan hidrogennya. Pada bentuk konformasi antipararel memiliki konformasi ikatan sebesar 7 Å, sementara konformasi pada bentuk pararel lebih pendek yaitu 6,5 Å (Lehninger et al, 2004). Jika ikatan hidrogen ini dapat terbentuk antara dua rantai polipeptida yang terpisah atau antara dua daerah pada sebuah rantai tunggal yang melipat sendiri yang melibatkan empat struktur asam amino, maka dikenal dengan istilah β turn yang ditunjukkan dalam Gambar 9 (Murray et al, 2009).

 Gambar 6. Bentuk konformasi antipararel (Berg, 2006).

 Gambar 7. Bentuk konformasi pararel (Berg, 2006).

Gambar 8. Bentuk konformasi β turn yang melibatkan empat residu asam amino (Lehninger et al., 2004).

Struktur tersier dari suatu protein adalah lapisan yang tumpang tindih di atas pola struktur sekunder yang terdiri atas pemutarbalikan tak beraturan dari ikatan antara rantai samping (gugus R) berbagai asam amino (Gambar 10). Struktur ini merupakan konformasi tiga dimensi yang mengacu pada hubungan spasial antar struktur sekunder. Struktur ini distabilkan oleh empat macam ikatan, yakni ikatan hidrogen, ikatan ionik, ikatan kovalen, dan ikatan hidrofobik. Dalam struktur ini, ikatan hidrofobik sangat penting bagi protein. Asam amino yang memiliki sifat hidrofobik akan berikatan di bagian dalam protein globuler yang tidak berikatan dengan air, sementara asam amino yang bersifat hodrofilik secara umum akan berada di sisi permukaan luar yang berikatan dengan air di sekelilingnya (Murray et al, 2009; Lehninger et al, 2004).

Gambar 9. Bentuk struktur tersier dari protein denitrificans cytochrome C550 pada bakteri Paracoccus denitrificans (Timkovich and Dickerson, 1976).

PERMASALAHAN :

1.      Pada struktur sekunder, asam-asam amino yang menyusun protein dihubungkan oleh ikatan peptida dan ikatan hydrogen. Apakah bisa dihubungkan dengan ikatan yang lain? Jika ada tolong jelaskan !

2.      Mengapa dikatakan Struktur tersier merupakan yang lebih kompleks?

3.      Mengapa Struktur sekunder protein bersifat regular?

4.      Struktur protein umumnya dipertahankan oleh dua ikatan, sebut dan jelaskan ?

Reaksi-Reaksi Spesifik Pada Nukleotida

Reaksi-Reaksi Spesifik Pada Nukleotida

Nukleotida adalah molekul yang tersusun dari gugus basa heterosiklik, gula, dan satu atau lebih gugus fosfat. Basa penyusun nukleotida biasanya adalah berupa purina atau pirimidina sementara gulanya adalah pentosa (ribosa), baik berupa deoksiribosa maupun ribosa.

Nukleotida adalah monomer penyusun RNA, DNA, dan beberapa kofaktor, seperti CoA, FAD, FMN, NAD, dan NADP. Dalamsel, kofaktor ini memainkan peran penting dalam fiksasi energi (misalnya fotosintesis), metabolisme, dan transduksi sinyal seluler.

Elemen struktur dari nukleotida yang paling umum

Kode nukleotid
Kode	Ekuivalen	Komplementer
A	A	T atau U
C	C	G
G	G	C
T or U	T	A
M	A atau C	K
R	A atau G	Y
W	A atau T	W
S	C atau G	S
Y	C atau T	R
K	G atau T	M
V	A atau C or G	B
H	A atau C or T	D
D	A atau G or T	H
B	C atau G or T	V
X atau N	A atau C atau G atau T	X

Nama-nama nukleotida disingkat menjadi kode empat-huruf standar. Huruf pertama berupa huruf kecil dan menandakan bawa nukleotida yang dipertanyakan adalah sebuahribonukleotida (r) atau deoxyribonucleotid (d). Huruf ke-2 menandakan nukleosida yang berhubungan dengan nukleobasa:

G: Guanina

A: Adenina

T: Timina

C: Sitosina

U: Urasil biasanya tidak ada dalam DNA, tetapi menggantikantimina pada RNA

Huruf ke-3 dan ke-4 menandakan panjang dari rantai fosfat yang terikat (Mono-, Di-, Tri-) dan keberadaan sebuah fosfat (P).

Sebagai contoh, deoksi-sitidin-trifosfat disingkat sebagai dCTP.

Nukleotida yang merupakan monomer asam nukleat (building block) memiliki banyak fungsi dalam metabolisme selular. Sebagai konstituen asam nukleat,  deoxyribonucleic acid (DNA) dan  ribonucleic acid  (RNA), nukleotida berfungsi sebagai gudang informasi genetik. Struktur protein dan metabolisme biomolekul dan komponen selular lainnya merupakan produk informasi yang sudah terprogram dalam nukleotida.  RNA juga terdiri atas nukleotida yang memiliki banyak  fungsi. Ribosomal RNA (rRNA) adalah komponen ribosom yang bertanggungjawab pada sintesis protein. Massenger RNA (mRNA) merupakan intermediet yang membawa informasi genetik dari suatu gen ke ribosom. Transfer RNA (tRNA) adalah molekul yang menerjemahkan informasi pada mRNA untuk menentukan asam amino spesifik. Selain gudang genetik, nukleotida juga merupakan bagian dari koenzim, donor gugus fosforil (ATP dan GTP), donor gula (UDP dan GDP-gula) atau donor lipid (CDP-asilgliserol). Bentuk energi pada metabolisme tubuh tergantung pada adanya transfer gugus fosforil.

Nukleotida memiliki tiga karakteristik komponen yaitu basa nitrogen heterosiklik, gula pentosa dan gugus fosfat.  Molekul nukleotida yang gugus fosfatnya mengalami hidrolisis dinamakan dengan nukleosida. Basa dan gula pentosa penyusun nukleotida merupakan bentuk senyawa heterosiklik. Struktur nukleotida dan nukleosida dapat dilihat pada gambar di bawah ini.

Fungsi Nukleotida

1.      Berperan dalam reaksi pemindahan fosfat ATP/berperan dalam reaksi pemindahan fosfat ATP /Nukleosida trifosfat lain.Nukleosida trifosfat lain.

2.      Berperan pada reaksiBerperan pada reaksi-reaksi sintesis protein, KH, lipid, asam nukleat, lintasan transduksi sinyal intralipid, asam nukleat, lintasan transduksi sinyal intra dan antar sel.dan antar sel.

3.      Membentuk koenzim misal FAD, NAD+, NADP, koenzim A & S koenzim A & S-adenosilmetioni.

4.      Menyelenggarakan fungsi regulasi ADP mengatur  kecepatan reaksi fosforilasi oksidatif mitokondria, cAMP & cGMP berfungsi sebagai “Messenger kedua”.

5.      Sebagai prekusor unit monomer asam nukleat DNA & RNA

DNA (Deoxyribonucleic Acid): DNA merupakan tempat penyimpanan informasi genetik. DNA adalah molekul polinukleotida yang tersusun dari polimer nukleotida yang berulang-ulang, tersusun rangkap, serta membentuk ikatan seperti rantai ganda dan berpilin ke kanan (double helix). Setiap nukleotida terdiri atas tiga gugus molekul berikut.

·         Komponen gula berupa deoksiribosa.

·         Basa nitrogen yang terdiri atas purin dan pirimidin. Purin terdiri atas adenin (A) dan guanin (G), serta pirimidin terdiri atas sitonin (C) dan timin (T).

·         Gugus fosfat.

Rangkaian kimia antara deoksiribosa dengan basa nitrogen (purin atau pirimidin) disebut nukleosida. nukleosida tersebut akan berikatan dengan fosfat membentuk nukleotida. Gabungan nukleotida dalam suatu rantai polimer panjang akan membentuk DNA. Pada setiap molekul DNA, jumlah adenin selalu sama dengan jumlah timin, jumlah guani selalu sama dengan jumlah sitosin. Adenin selalu berpasangan dengan timin dan guanin selalu berpasangan dengan sitosin. Adenin dan timin membentuk dua ikatan hidrogen sedangkan sitosin dan guanin membentuk tiga ikatan hidrogen.

DNA terletak dalam nukleus dan berperan dalam membentuk sifat genetik suatu individu. selain itu, DNA dapat berfungsi sebagai heterokatalitik (mensintesis molekul lain seperti RNA) dan otokatalitik (replikasi diri).

RNA (Ribonucleic Acid): makromolekul yang berupa rantai tunggal polinukleotida, berfungsi sebagai penyimpan dan penyalur informasi genetik. setiap ribonukleotida terdiri dari;

·         komponen gula berupa ribose

·         basa nitrogen yang terdiri atas golongan purin dan golongan pirimidin (sitosin dan urasil)

·         gugus fosfat

RNA mempunyai tiga tipe, yaitu rRNA (ribosom RNA), mRNA (messenger RNA/ dRNA) dan tRNA (transfer RNA). DNA dan RNA bertanggung jawab terhadap proses sintesis protein. RNA terdapat dalam jumlah banyak di sitoplasma dan ribosom, serta hanya terdapat sedikit di nukleus. Kadar RNA dalam sitoplasma dapat berubah-ubah dipengaruhi oleh sintesis protein.

Nukleotida pembentuk ADN disebut deoksiribonukleotida (nukleotida yang berikatan dengan gula deoksiribosa) sebanyak 4 macam sesuai dengan jenis basa nitrogen, yaitu:

deoksiadenosinmonofosfat / dAMP (basa nitrogen adenin)

deoksiguanosinmonofosfat /dGMP (basa nitrogen guanin)

timidinmonofosfat / TMP (basa nitrogen timin)

deoksisitidinmonofosfat / dCMP (basa nitrogen citosin)

Inilah bentuk dasar deoksiribonukleotida penyusun ADN. Nukleotida penyusun ARN disebut ribonukleotida. Jadi hanya berbeda pada jenis gula ribosa dan basa nitrogenya urasil.

Nukleotida pembentuk ARN disebut ribonukleotida (nukleotida yang berikatan dengan gula ribosa) sebanyak 4 macam sesuai dengan jenis basa nitrogen, yaitu:

adenosinmonofosfat / AMP (basa nitrogen adenin)

guanosinmonofosfat /GMP (basa nitrogen guanin)

uridinmonofosfat / UMP (basa nitrogen urasil)

sitidinmonofosfat / CMP (basa nitrogen citosin)

Para nukleotida itulah yang akan digunakan pada proses replikasi untuk membentuk rantai baru ADN, juga digunakan pada proses transkripsi sewaktu pencetakan ARNd oleh ADN.

Perhatikan contoh bagaimana nukleotida dirangkai membnetuk ADN pada gambar di samping. Pertamakali deoksitimidintrifosfat akan berpasangan dengan adenin pada rantai ADN. Ketika telah berpasangan dengan adenin dua molekul fosfat akan lepas sehingga terbentuk deoksitimidinmonofosfat pada langkah pemanjangan (extension/elongasi). Jika basa nitrogen tidak cocok (error) akan dilakukan penggantian dengan nukleotida yang sesuai (langkah proofreading). Proses ini berlangsung dengan bantuan ADN polimerase.

Lantas bagaimana hubungannya dengan peran enzim dalam replikasi ADN dan transkripsi ARNd? Sebagaimana diketahui ada beberapa enzim berperan di sini, yaitu:

• ADN polimerase
• helikase
• ligase
• ARN polimerase

ADN polimerase adalah enzim penting dalam replikasi ADN maupun dalam perbaikan ADN. Enzim ini mengkatalisasi reaksi polimerisasi deoksiribonukleotida menjadi rantai ADN, dengan kata lain enzim ini mengkatalisasi reaksi pembentukan ADN dengan berperan dalam elongasi dan proofreading dan membaca rantai ADN utuh sebagai cetakan (template) lalu menggunakannya untuk membentuk rantai ADN baru. Molekul polimer yang baru terbentuk merupakan komplemen atau pasangan yang identik dengan rantai yang digunakan sebagai cetakannya. Lihat video animasinya di sini.

Helicase adalah enzim yang berperan dalam proses replikasi ADN. Enzim ini menggunakan energi dari ATP untuk memutus ikatan hidrogen antar rantai ADN double helix menjadi rantai tunggal.

Ligase (dari kata kerja Latin lig?re yang berarti “untuk mengikat” atau “terikat bersama-sama”) adalah enzim yang dapat mengkatalisis penggabungan dua molekul dengan membentuk ikatan kimia baru. Ligase ADN merupakan enzim yang digunakan untuk menggabungkan fragmen nukleotida ADN dan ARN. Jadi berperan dalam replikasi dan transkripsi. Selain iitu ligase berfungsi padaperbaikan ADN dengan mengikatkan kembali rantai nukleotida yang terputus. Nama umum lain untuk ligase adalah sintetase.

ARN polimerase adalah enzim yang digunakan dalam pembentukan ARN. Pada sel, enzim ini diperlukan untuk membangun rantai ARN gen ADN sebagai cetakannya melalui proses yang disebut transkripsi. Enzim ini penting untuk kehidupan dan ditemukan di semua organisme dan banyak virus.

PERMASALAHAN :

1.      Bagaimana proses katabolisme dan anabolisme nukleotida?

2.      Apa-apa saja kelainan penyakit yang disebabkan oleh DNA dan RNA ?

3.      Sebut dan jelaskan fungsi dan peranan nukleotida?

4.      Mengapa kadar RNA dalam sitoplasma dapat berubah-ubah dipengaruhi oleh sintesis protein?