II. Struktur dan fungsi protein

2

Pendahuluan

Komponen terbesar dalam makhluk hidup setelah air

Memiliki sifat dan fungsi yang unik dan kompleksdibandingkan dengan biomolekul lain (lipid, karbohidrat, danasam nukleat)

1 sel memiliki hingga 9000 protein berbeda

Manusia: 100.000 protein berbeda

Ukuran/bobot protein sangat bervariasi

3

Aktifitas dan Fungsi Biologis Protein

4

No Fungsi Contoh

1. Biokatalisator Selulase,

2. Protein Transpor Hemoglobin

3. Penyimpanan - Kasein dalan susu- Ovalbumin dalam telur sbg nutrisi calon- Mamalia, ferritin dalam hati sbg. penyimpanbesi

4. Protein Struktural Kolagen (protein penghubung), keratin

5. Protein motil/gerak otot

6. Protein Pelindung atauPertahanan

- Antibodi- Fibrinogen untuk pembekuan darah

7. Protein Pengatur Insulin

Komposisi Penyusun Protein

5

Digolongkan berdasarkan hasil hidrolisis protein:

1. Protein sederhana, bila dihidrolisis hanya menghasilkan asam amino.

contoh: insulin dan lisozim

2. Protein konjugasi, bila dihidrolisis menghasilkan asam amino dansenyawa lain (gugus prostetik, berupa senyawa organik atauanorganik).

Berdasarkan sifatnya, protein konjugasi dikelompokkan menjadi:

No Kelompok Gugus prostetik Contoh

1 lipoprotein Lipid

2 nukleoprotein Asam nukleat Ribosom (RNA)

3 glukoprotein Karbohidrat

4 fosfoprotein Fosfat -lipoprotein plasma

5 metaloprotin Ion logam Hemoglobin (Fe porpirin)

Bentuk Protein

6

Lingkungan protein dalam maupun di luar sel adalah air sehinggasesuai dengan sifat-sifat molekul kimia maka bentuk protein sesuai dengan sifat kelarutannya serta sifat biologinya bagi sel.

Bentuk protein dibedakan menjadi:

No Kelompok Struktur Sifat Fungsi

1 ProteinSerat

Rantai polipeptidaditata di sepanjangsatu sumbu, sepertiserat

Kaku, kuat, tidaklarut dalam air atau larutangaram encar

Struktural

2 Protein Globular

Rantai polipeptidamelipat menjadibentuk bola yang kompak

Larut dalam air Non struktural

A. Struktur asam amino

7

Asam amino

Asam amino adalah asam organik yang mengandung gugus amina.

Sebagian besar asam amino ditemukan sebagai L--asam amino

Asam amino dalam air terionisasi membentuk ion zwitter.

8

Stereoisomer asam amino

C asam amino adalah pusat kiral karena semua asam amino, kecuali glisin, memiliki C asimetrik yang terikat pada empat gugus yang berbeda: Gugus karboksilat Gugus amino

Gugus R

Atom hidrogen

Empat gugus di atas terikat pada Cdengan dua susunan ruang yang berbeda (enantiomer). asam amino merupakan senyawa aktif optik.

Asam amino pembentuk protein semuanya adalah L-stereoisomer

9

Konfigurasi absolut asam amino

10

Klasifikasi asam amino standar berdasarkan kepolaran gugus R Nonpolar alifatik:

Gly (G), Ala (A), Val (V), Leu (L), Ile (I), Pro (P)

Nonpolar aromatik:Phe (F), Tyr (Y), Trp (W)

Polar tidak bermuatan:Ser (S), Thr (T), Cys (C), Met (M), Asn (N), Gln (Q)

Bermuatan negatifAsp (D), Glu (E)

Bermuatan positifLys (K), Arg (R), His (H)

11

Asam amino nonpolar alifatik

12

Nonpolar aromatik

13

Polar tidak bermuatan

14

Jembatan disulfida

15

Asam amino bermuatan negatif

16

Asam amino bermuatan positif

17

Asam amino yang tidak standar

18

Asam amino yang tidak standar

19

Asam amino sebagai asam dan basa

20

Titrasi asam amino

1 21

pI p p2K K

21

Titrasi asam amino

1 R1

pI p p 3,222K K

22

Titrasi asam amino

R 21

pI p p 7,592K K

Cincin imidazole His memiliki pKa 6,0. Bila His bergabung ke dalam protein pKa naik menjadi 6,5 7,5 (mendekati pH fisiologis). Oleh karena itu, His seringkali berperan dalam reaksi enzimatis yang melibatkan transfer proton.

23

24

25

Teknik Penelitian BiokimiaAnalisis asam amino

26

Tes Ninhidrin: Reaksi uji asam amino

Ninhydrin, (Triketohydrindane hydrate) adalah pereaksi yang digunakan untuk mendeteksi amonia atau amina primer dan sekunder.

Bila bereaksi dengan gugus amina bebas akan memberikan warna biru/ungu.

Ninhidrin biasanya digunakan untuk mendeteksi sidik jari, karena amina yang tersisa dari peptida atau protein (amina terminal atau lisin) akan bereaksi dengan ninhydrin.

Semua asam amino memberi uji positif, kecuali prolin.

ninhidrin

27

Mekanisme reaksi test ninhydrin

28

Uji kwalitatif asam amino

Asam

amino

Nama reaksi Reagen Warna

Arg Reaksi

Sakaguchi

-naptanol dan

natrium hipoklorit

merah

Cys Reaksi

Nitroprusida

Natrium

nitroprusida dalam

NH3 encer

merah

Tyr Reaksi Millon HgNO3 dalam

HNO3

merah

29

Aminoacid analyzer

30

Kromatogram

31

Metode fluoresensi untuk analisis asam amino

32

B. Peptida

33

Ikatan peptida

34

OligopeptidaNama peptida dimulai dari residu ujung amino

Tirosinilglisilglisilfenilalanilleusin atau Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu.

35

Polipeptida sebagai poliampolit

36

Stabilitas ikatan peptida

Hidrolisis ikatan peptida disukai secara energetika, tetapi reaksi ini berlangsung sangat lambat tanpa bantuan katalis.

Katalis hidrolisis ikatan peptida: Asam kuat, seperti HCl 6M.

Protease: memotong ikatan peptida secara spesifik.

37

Protease

38

Protein

20 asam amino yang berbeda terpolimerasisi membentuk protein.

Protein memiliki urutan yang unik.

Urutan asam amino yang menyusun protein disebut struktur primer protein.

Beragamnya sifat kimia dan bentuk dari asam amino, mengakibatkan urutan asam amino (struktur primer) protein akan menentukan karakteristik kimia dan bentuk protein. Keduanya penting dalam menentukan fungsi dari protein.

Struktur primer miogobin

39

Dari gen ke protein (sintesis protein in vivo)

40

Dari gen ke protein

Sel mengkode informasi tentang urutan asam amino untukmembuat protein dari urutan asam nukleat.

Urutan asam nukleat ini disebut kode genetika.

Asam nukleat adalah polimer dari 4 nukleatida, sedangkanprotein adalah polimer dari 20 asam amino yang berbeda. Konsekuensinya: Satu nukleotida tidak dapat mewakili satu asam amino. Juga dua

nukleotida tidak mencukupi untuk mengkode seluruh asam amino, karena hanya dihasilkan 16 kombinasi (42 = 16).

Pada kenyataanya ada 3 nukleotida yang mengkode satu asamamino (43 = 64 kombinasi). Karena hanya ada 20 asam amino, makasatu asam amino dapat dikode oleh lebih dari satu kombinasi tiganukleotida (triple codon).

41

Kode genetika

42

Translasi

43

Post translational modification

44

Sintesis peptida in vitro

45

Teknik Penelitian BiokimiaPenentuan urutan asam amino protein

46

Reduksi ikatan disulfida

47

48

Reaksi Edman

49

Fragmentasi protein oleh protease

50

51

C. Struktur 3-dimensi protein

52

Empat tingkat struktur protein

53

Struktur ikatan peptida

Karakter ikatan rangkap dari ikatan peptida membuat atom C, N, H, O hampir koplanar (sebidang).

54

Konformasi ikatan peptida

Konformasi trans lebih disukai dibanding cis, karena meruahnya gugus R.

Pengecualian untuk urutan X-Pro, dimana X adalah asam amino lain selain Pro Konformasi cis lebih disukai.

55

Rotasi rantai polipeptida

Rotasi yang diperbolehkan hanya disekitar ikatan NC dan CC=O.

Sudut putaran ikatan NCdisebut .

Sudut putaran ikatan CC=O disebut .

56

Penentuan sudut dan Sudut dihedral dibentuk oleh atom Ci, Ni+1, Ci+1, Ci+1.

Sudut diheral dibentuk oleh atom Ni+1, Ci+1, Ci+1, Ni+2.

Konvensi: Rotasi searah jarum jam memberikan sudut dihedral positif, bila berlawanan negatif.

Ci

Ci+1

i i+1 i+2

Ni+1

Ni+2

57

Ramachandran plot

58

Rotasi ikatan peptida memberikan berbagai tipe struktur sekunder

59

C.1. Struktur sekunder protein -heliks

-sheet

turn

60

Yang berperan ikatan hidrogen antara

O (karbonil) dengan H (amida)

Alpha heliks

61

Struktur -heliks

62

Deskripsi struktur heliks Struktur heliks dikarakterisasi oleh

parameter berikut:

Repeat (c) adalah jarak paralel dengan sumbu heliks dimana struktur tepat berulang. Jumlah residu per repeat dinyatakan dengan m. Nilai m selalu bilangan bulat!

Pitch (p) adalah jarak paralel dengan sumbu heliks dimana heliks membuat satu putaran. Jumlah residu per putaran adalah n. Bila n bilangan bulat, maka m = n p = c.

Rise (h) adalah jarak paralel dengan sumbu heliks untuk jarak antar residu. Sehingga h = c/m atau p = n h

Sumbu heliks

Repeat,c

Pitch,p

Rise,h

63

Deskripsi struktur heliksBentuk ideal dari heliks dengan memvariasikan jumlah residu per putaran (n).

Parameter -heliks:

Repeat (c) = 18 dengan lima kali putaran (turn).

Jumlah residu per putaran (n) = 3,6 res/turn.

Rise (h) = 0,15 nm/res.

Pitch (p) = n h = 3,6 res/turn 0,15 nm/res = 0,54 nm/turn64

Polat ikatan hidrogen dalam berbagai tipe heliks

65

66

Right and left handed heliks = bayangan cermin

67

Urutan asam amino menentukan kestabilan -heliks

Tidak semua polipeptida dapat membentuk -heliks. Adanyainteraksi tambahan antar gugus samping asam amino turutmempengaruhi kestabilan -heliks. Polipeptida yang banyak memiliki residu bermuatan sejenis sulit

membentuk -heliks yang stabil.

Polipeptida yang memiliki gugus R besar seperti Ser, Thr, dan Leuakan sukar membentuk -heliks.

Adanya dua residu bermuatan berlawanan pada jarak 3 residudapat menstabilkan -heliks.

Gugus-gugus aromatik pada jarak 3 residu juga dapatmenstabilkan -heliks.

Dipol dielektrik dari ikatan peptida ditransmisikan sepanjang -heliks, sehingga secara keseluruhan -heliks adalah dipol. Ujung amino bermuatan parsial positif dan ujung karboksilatbermuatan parasial negatif. Adanya asam amino bermuatanpositif didekat ujung amino akan mendestabilkan -heliks

68

-heliks sebagai dipol

69

Representasi -heliks

70

-sheet

71

Antiparallel -sheet

72

Parallel -sheet

73

Representasi -sheet

74

-turn

-turn 75

Tipe -turn

76

Secondary structure propensities

77

C.2. Struktur tersier protein

78

Struktur tersier terbentuk dari pengemasan struktur sekunder

79

Ikatan disulfida, ikatan kovalen antar residusistein

Ikatan hidrogen, antar rantai samping

Jembatan garam, antar rantai samping yang mengion (COO- dengan NH3

+)

Interaksi hidrofobik, antar rantai sampingasam amino nonpolar

Interaksi yang berperan pada pembentukan strukturtersier protein:

Urutan asam amino menentukan struktur tersier dari protein

Afinson tahun 1957 memperlihatkan bahwa RNAse A dapat didenaturasi dan direnaturasi kembali ke struktur native.

80

Bentuk struktur tersier: fibrous dan globular

Fibrous Globular 81

Pengemasan struktur sekunder

Gaya dorong utama dalam folding protein adalah interaksi hidrofobik yang terjadi antar gugus non-polar dari rantai samping polipeptida sebagai upaya untuk meminimisasi kontak dengan molekul air.

Agar tujuan folding tercapai, maka diperlukan:

1. Struktur yang kompak sehingga efektif dalam meminimisasi luas permukaan hidrofobik yang terekspos ke pelarut.

2. Gugus-gugus fungsi yang berpotensi membentuk ikatan hidrogen pada daerah interior protein semuanya berpasangan. Pembentukan struktur sekunder -heliks dan -sheet akan memaksimalkan jumlah ikatan hidrogen.

82

Pengemasan struktur sekunder Bentuk struktur sekunder

menentukan modus pengemasan:

-sheet yang memiliki bentuk lembaran cenderung membentuk struktur berlapis dengan -heliks atau -sheet lainnya.

Bentuk silinder dari -heliks memungkinkan struktur sekunder ini untuk menancap di pusat interior protein.

83

Tertiary Structure and Functional Diversity :Different Folding for Different Functions

84

C.3. Klasifikasi struktur tersier berdasar-kan pola pengemasan struktur sekunder

1. -helical protein

2. -sheet protein

3. / protein

4. + protein

85

-helical protein

86

-sheet protein

87

/ protein

88

+ protein

89

Pola pengemasan struktur sekunder dalam protein

90

Supersecondary structure (motif)

91

Motif dalam struktur tersier protein

92

Motif dalam struktur tersier protein

93

Domain

Struktur dari protein yang besar (Mr > 20000 atau jumlah asam aminonya > 200) umumnya mamiliki beberapa unit substruktur globular yang disebut domain.

Setiap domain seringkali memiliki fungsi yang berbeda.

94

Domain

DNA Polimerase I

Apo-Calmodulin

C-terminaldomain

N-terminaldomain

3-5 Exonuclasedomain

Polymerase domain

95

Struktur tersier tidak rigid

96

Struktur tersier tidak rigid

97

Struktur kwaterner protein

98

Struktur Hemoglobin (Hb)

99

C.4. Fibrous protein

100

-keratin

-keratin kaya akan residu-residu hidrofobik Phe, Ile, Val, Met dan Ala.

101

-heliks keratin

102

-keratin

-keratin memiliki struktur yang kuat karena:

Terdiri dari multi -heliks yang tergabung membentuk struktur superheliks.

Antar rantai -heliks juga distabilkan oleh ikatan disulfida.

103

Kolagen

Kolagen banyak ditemukan di jaringan penghubung, seperti tulang dan kornea mata.

Kolagen terdiri dari 35% Gly, 11% Ala, dan 21% Pro dan Hyp.

Urutan asam amino kolagen umumnya adalah perulangan tiga peptida Gly-X-Pro atau Gly-X-Hyp, dimana X adalah asam amino mana saja.

104

Struktur primer kolagen

105

Struktur heliks kolagen

106

Silk fibroin

107

Protein kehilangan struktur dan fungsinya bila terdenaturasi

Native(N)

Terdenaturasi(D)

Suhu DenaturanpH

G

N

D

108

Studi denaturasi dapat digunakan untuk memahami mekanisme folding

109

Struktur kwaterner protein

110

Simetri dalam struktur kwaterner protein

111

Contoh simetri siklus

C7C3112

Contoh simetri dihedral

113

Supramolekul

114

115

D. Fungsi protein

116

Fungsi protein

Enzim

Protein transport Contoh: Hemoglobin (transport oksigen)

Nutrien Contoh: Ovalbumin (protein telur), kasein (protein susu)

Gerak mekanis (fungsi otot) Contoh: actin dan myosin

Struktural Contoh: rambut, jaring laba-laba, kolagen

Pertahanan Contoh: antibodi

Regulator Contoh: Insulin

117

D.1. Protein transport: contoh kasus hemoglobin (Hb)

118

Mekanisme transport O2 dan CO2

119

Struktur Hemoglobin (Hb)

120

Cincin forfirin

121

Oksigenasi cincin forfirin Hb

122

Perubahan konformasi Hb saat mengikat O2

123

Mioglobin (Mb)

124

Perbandingan struktur mioglobin dan hemoglobin

125

Profil afinitas Mb dan Hb terhadap O2

126

Profile afinitas Hb terhadap O2

Ketika [O2] rendah afinitas Hb terhadap O2juga rendah.

Pada [O2] naik hingga level tertentu, afinitas Hb terhadap O2 menjadi meningkat.

Perubahan afinitas Hb dengan bertambahnya [O2] menunjukan adanya transisi strukturHb.

127

Transisi struktur Hb

T-state : afinitas rendah thd O2R-state: afinitas tinggi thd O2

128

Efek transisi Hb dari T-state ke R-state pada kurva pengikatan O2

129

Efek alosterik dan kooperatifitas

Perubahan profil dari kurva pengikatan O2 dapat diterangkan sebagai akibat dari efek alosterik yaitu pengikatan O2 pada salah satu subunit Hb akan menginduksi perubahan konformasi subunit lainnya sedemikian rupa sehingga afinitasnya berubah menjadi lebih tinggi.

Adanya efek alosterik menunjukan bahwa antar subunit ada kooperatifitas.

130

Efek alosterik pada proses pengikatan ligan (O2) oleh Hb

131

Model kooperatifitasConcerted model Sequential model

T-state

R-state

132

Plot Hill

133

D.2. Immune Response

134

Immune response

When a foreign substance - a virus, a bacterium, or even a foreign protein-invades the tissues of a higher vertebrate (like a human), the organism defends itself by what is called the immune response.

The immune response has two facets:

1. Humoral immune response - Lymphatic cells called B lymphocytes synthesize specific immunoglobulin molecules that are excreted from the cell and bind to the invading substance. Binding either precipitates the foreign substance or marks it for destruction by cells called macrophages.

2. Cellular immune response - Lymphatic cells called T lymphocytes, bearing immunoglobulin-like molecules on their surfaces, recognize and kill foreign or aberrant cells.

135

Destruction of antigens by macrophages

136

Antigens and Antibodies The foreign substance that elicits an immune response is called the

antigen.

A specific immunoglobulin that binds to the antigen is called the antibody.

If the invading particle is large, like a cell, a virus, or a protein, many different antibodies may be elicited, each type binding specifically to an antigenic determinant (or epitope) on the surface of the particle.

137

Versatility of immune response

1. It can respond to an enormous number of different foreign substances.

2. The immune response has a so-called memory: After an initial exposure to a given antigen, a second exposure at a later date results in rapid and much more massive production of the antibodies specific to the antigen.

138

Immunoglobulin structure

139

antibody-antigen interactions

140

D.3. Gerak Mekanis: fungsi otot

141

Struktur otot

Relaks

Kontraksi

142

Relaksasi dan kontraksi otot

143

Actin and miosin

144

Aksi actin dan miosin pada kontraksi otot

145

Aksi actin dan miosin pada kontraksi otot

146

Aksi actin dan miosin pada kontraksi otot

147

Aksi actin dan miosin pada kontraksi otot

148

149