Biokimia Struktur Dan Fungsi Biomolekul

BIOKIMIA Struktur & Fungsi Biomolekul Oleh : Yohanis Ngili Edisi Pertama

Cetakan Pertama, 2009

Hak Cipta  2009 pada penulis, Hak Cipta dilindungi undang-undang. Dilarang memperbanyak atau memindahkan sebagian atau seluruh isi buku ini dalam bentuk apa pun, secara elektronis maupun mekanis, termasuk memfotokopi, merekam, atau dengan teknik perekaman lainnya, tanpa izin tertulis dari penerbit.

Candi Gebang Permai Blok R/6 Yogyakarta 55511 Telp. : 0274-882262; 0274-4462135 Fax. : 0274-4462136 E-mail : [email protected]

Ngili, Yohanes BIOKOMIA: Struktur & fungsi Biomolekul/Yohanes Ngili - Edisi Pertama – Yogyakarta; Graha Ilmu, 2009 xx + 324 hlm, 1 Jil. : 23 cm. ISBN:

978-979-756-448-3

1. Kimia

I. Judul

KATA PENGANTAR Puji syukur kami panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa, karena atas Anugerah dan Berkat-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan buku Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul. Penulisan buku Biokimia ini secara khusus bertujuan untuk menunjang proses pembelajaran mata kuliah Biokimia pada Program Sarjana (S-1) dan Magister (S-2). Buku ini disusun untuk membantu yang selama ini terkendala oleh minimnya buku biokimia berbahasa Indonesia. Seperti kita ketahui bahwa biokimia merupakan suatu interdisiplin ilmu yang merupakan pusat dari berbagai subbidang ilmu seperti Kedokteran, Nutrisi, Bioteknologi, Mikrobiologi, Fisiologi, Biologi Sel, Biofisik, Genetik, Kimia Organik, Farmasi, dan lainnya Penulisan buku ini disusun secara kompilasi dari berbagai sumber, baik dari informasi yang ada di Internet yang merupakan hasil penelitian, yang disediakan secara open source maupun dari buku cetak (textbook) yang telah ada. Selain itu juga, pada beberapa submateri diambil dari jurnal penelitian internasional. Buku Biokimia: Stuktur dan Fungsi Biomolekul ini dapat digunakan sebagai buku acuan dalam mempelajari Biokimia pada tingkat dasar dan lanjutan. Biokimia yang menyangkut Struktur dan Fungsi Biomolekul dalam kurikulum kimia meliputi materi-materi : Karbohidrat; Asam Amino dan Peptida; Protein; Lipid, Membran, Transpor, Penyinalan; Asam Nukleat; dan Katalis dan Kinetika Enzim. Ilmu Biokimia sebagai disiplin ilmu yang mandiri adalah ilmu yang mempelajari struktur organisasi, dan fungsi materi hidup pada tingkat molekul. Pembagian kajian biokimia dikategorikan dalam 3 bagian yakni, (1) Struktur dan Fungsi Biomolekul; (2) Metabolisme dan Bioenergitika; dan (3) Aliran Informasi Genetik.

viii

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

Perkembangan Biokimia yang cepat saat ini menuntut adanya pelbagai strategi untuk menghasilkan produk (output) pembelajaran biokimia yang memadai. Bercermin dari hal tersebut maka penulisan buku ini diharapkan membantu pembaca “mencerna” ilmu biokimia secara sistematis dan komprehensif. Penulisan buku ini juga merupakan salah satu cara penulis memperkenalkan ilmu biokimia sebagai cabang ilmu paling menantang saat ini. Sebagai contoh riset tentang AIDS, Kanker, TBC, Malaria, maupun penyakit-penyakit yang diakibatkan karena mutasi genetik, perlu ditangani dari perspektif pemahaman biokimia yang memadai. Perkembangan ilmu biokimia yang sering di sebut sebagai “The Front Line of Science” saat ini menuntut kita untuk lebih banyak membaca artikel Jurnal riset maupun buku-buku biokimia yang terbaru. Penulis melalui kesempatan ini mengucapkan terima kasih kepada banyak pihak yang telah membantu penulisan buku ini. Terima kasih kepada Bapak A. Saifuddin Noer, Ph.D sebagai pembimbing dan pendorong serta dengan rela hati telah memberikan banyak referensi berarti dalam penyelesaian dan penyempurnaan buku ini. Juga kepada pak Susanto sebagai kepala pemasaran Penerbit Graha Ilmu cabang Bandung yang telah banyak membantu. Dengan senang hati penulis menunggu saran dan kritik untuk penyempurnaan buku ini dan semoga buku ini dapat digunakan untuk menunjang proses pembelajaran Biokimia pada program sarjana dan magister di Indonesia. Bandung, Desember 2008 Penulis, Yohanis Ngili

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2-1 Struktur dasar asam a-amino dalam konfigurasi L R adalah gugus samping dari 20 gugus kimia 37 Gambar 2-2 Titrasi 10 mmol glisin.HCl oleh larutan NaOH. Garis putus-putus menunjukkan titrasi dengan ditambahkan formaldehid 50 Gambar 2-3 Titrasi 10 mmol asam glutamat hidroklorida oleh NaOH’ 53 Gambar 2-4 Pemisahan asam amino menggunakan kromatografi penukar ion. Luas puncak adalah proporsional dengan jumlah asam amino dalam larutan. 57 Gambar 2-5 Protein dibangun oleh asam amino yang dihubungkan oleh ikatan peptida untuk membentuk rantai polipeptida. 61 Gambar 2-6. Bagian dari rantai polipeptida yang dibagi menjadi unit-unit peptida, digambarkan sebagai balok dalam diagram. 63 Gambar 2-7 Diagram menunjukkan rantai polipeptida di mana atom-atom rantai utama digambarkan sebagai unit peptida kaku, dihubungkan melalui atom-atom Ca 64 Gambar 2-8 Plot Ramachandran menunjukkan kombinasi yang diperbolehkan untuk sudut konformasi phi dan psi 67 Gambar 2-9 Contoh-contoh atom logam intrinsik fungsional penting dalam protein. (a) Pusat di-besi pada enzim ribonukleotida reduktase 69 Gambar 2-10 Disulfide biasanya merupakan produk akhir dari oksidasi udara dengan reaktan 2-CH2SH + 1/2 O2 70



Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

Gambar 3-1 Reaksi reaksi degradasi Edman Gambar 3-2 Gel filtrasi protein Gambar 3-3 Jembatan garam antara rantai-rantai samping residu Arg dan Glu Gambar 3-4 Definisi sudut torsi protein w, f, y, dan c Gambar 3-5 Plot Ramachandran untuk alanilalanin Gambar 3-6 Kaidah tangan kanan a-heliks Gambar 3-7 Struktur b sheet Gambar 3-8 Representasi model struktur protein dimana a-heliks Gambar 3-9 Spektrum ORD untuk poli-D-lisin Gambar 3-10 Diagram topologi untuk (a) protein pengikat retinol (RBP, retinol binding protein) dan (b) triosefosfat isomerase (TPI) Gambar 3-11 Representasi diagram unit lipatan supersekunder b-a-b dari suatu protein Gambar 3-12 a-Heliks adalah salah satu elemen utama struktur sekunder dalam protein Gambar 3-13 Gugus bermuatan negatif seperti ion fosfat seringkali terikat pada ujung amino a-heliks Gambar 3-14 Ilustrasi skematik b sheet antiparalel Gambar 3-15 b -Sheet paralel Gambar 3-16 Ilustrasi pilinan b-sheet dan Ikatan hidrogen antara untai b dalam b-sheet campuran dari protein yang sama Gambar 3-17 Struktur mioglobin memperlihatkan semua atom sebagai lingkaran kecil yang dihubungkan oleh garis lurus Gambar 3-18 Contoh diagram skematik untuk tipe struktur miglobin dan struktur enzim triosefosfat isomerase yang dipelopori oleh Jane Richardson

77 82 85 89 91 93 94 96 97 99 101 108 111 113 114 115 115 117

Daftar Gambar

xi

Gambar 3-19 b -Sheet biasanya digambarkan hanya dengan panah dalam diagram topologi yang menunjukkan arah tiap untai b dan bagaimana untai tersebut dihubungkan satu sama lain sepanjang rantai polipeptida 118 Gambar 3-20 Motif hairpin sangat sering dalam b -sheet dan dibangun dari dua untai b bersebelahan yang dihubungkan oleh daerah loop 119 Gambar 3-21 Dua untai β paralel yang bersebelahan biasanya dihubungkan oleh satu α-heliks dari ujung-C untai 1 kepada ujung-N untai 2 121 Gambar 3-22 Motif β-α-β pada prinsipnya bisa memiliki dua “tangan” 122 Gambar 3-23 Motif yang bersebelahan dalam urutan asam amino juga biasanya bersebelahan dalam struktur tiga dimensi 124 Gambar 3-24 Rantai peptida lisozim dari bakteriofage T4 yang melipat menjadi 2 domain 139 Gambar 3-25 Struktur lisozim T4 yang menunjukkan lokasi terjadinya 2 mutasi yang menstabilkan struktur protein melalui interaksi elektrostatik dengan dipol-dipol pada a-heliks. 141 142 Gambar 3-26 Konstruksi 2 heliks pada domain Z Gambar 3-27 Diagram ribbon struktur domain B1 dari protein G (biru) dan dimer Rop merah. 145 Gambar 4-1 Suatu amfifil membentuk suatu monolayer pada permukaan air 170 Gambar 4-2 Satu bentuk micelle, yakni micelle bentuk bola 171 172 Gambar 4-3 Bentuk-bentuk lipid bilayer Gambar 4-4 Struktur umum partikel lipoprotein 176 Gambar 4-5 Liposom adalah vesicle yang memiliki banyak lapisan fosfolipid 177 Gambar 4-6 Fosfopipid dengan kepala yang besar cenderung berpartisi ke dalam lapisan luar di mana tolakannya lebih lemah 178

xii

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

Gambar 4-7 Beberapa protein integral yang diisolasi dari membran memiliki berat molekul besar Gambar 4-8 Model mosaik fluida struktur membran Gambar 4-9 Oligosakarida berikatan-N dalam glikoprotein: tipe kompleks, dan tipe manosa tinggi Gambar 4.10 Struktur membran gliserofosfolipid Gambar 4-11 Struktur dari spingolipid spingomielin dan galaktoserebrosida Gambar 4-12 Plot radioaktivitas sel yang telah dicuci pada waktu-waktu yang berbeda Gambar 4-13 Ketergantungan kecepatan transport pada konsentrasi zat terlarut Gambar 4-14 Plot v terhadap [S]o tidak akan menunjukkan kejenuhan kecuali jika difusi sederhana dianggap sepele dibandingkan transpor carrier Gambar 4-15 Plot 1/v terhadap 1/[S]o untuk kedua persamaan garis lurus. Untuk difusi sederhana dan transpor memakai carrier Gambar 4-16 Cara zat terlarut bergerak melintasi membran Gambar 4-17 [S+] dan [s+] = konsentrasi kesetimbangan, terlihat bahwa terdapat lebih banyak muatan negatif daripada positif pada membran Gambar 6-18 Tipe-tipe transpor aktif Gambar 4-19 Protein transpor bisa berperan sebagai carrier yang dapat bergerak, misalnya protein transmembran besar dapat berotasi, protein kecil bisa menyilang membran, dan protein transpor bisa membentuk pori-pori atau saluran Gambar 4-20 Perubahan konformasi dalam suatu pori-pori protein sebagai tempat transpor zat terlarut Gambar 4-21 Pengikatan K+ oleh Valinomisin Gambar 4-22 Struktur reseptor Glucocorticoid Gambar 4-23 Kajian skematis dari reseptor-reseptor yang bergabung dengan protein G

181 182 185 188 190 193 194 195 196 197 198 199

201 202 203 206 206

Daftar Gambar

xiii

Gambar 4-24 Siklus aktivasi dan deaktivasi heterotrimerik protein G 208 Gambar 4-25 Hidrolisis fosfatidilinositol 4,5-bifosfat (PIP2) oleh fosfolipase C 210 Gambar 4-26 Skema reseptor faktor pertumbuhan epidermal / epidermal growth factor (EGF) 211 Gambar 4.27 Aktivasi cAMP protein kinase oleh cAMP 214 Gambar 5-1 Untai DNA yang berperan sebagai templat untuk replikasi 217 Gambar 5-2 Pasangan Basa dalam DNA 232 Gambar 5-3 Pasangan-pasangan basa dalam dupleks DNA 233 235 Gambar 5-4 Diagram heliks ganda DNA bentuk B Gambar 5-5 Bentuk Z dan bentuk B DNA. 237 Gambar 5-6 Variasi yang tergantung pada urutan dalam geometri pasangan basa DNA 237 239 Gambar 5-7 Sistesis oligonukleotida fase padat Gambar 5-8 Perbedaan spektrum uv untuk bentuk DNA aslinya (heliks ganda), dan bentuk terdenaturasi (untai tunggal) 240 Gambar 5-9 Kurva pelelehan untuk DNA dari spesies yang berbeda 241 Gambar 5-10 Suhu lelehan DNA sebagai fungsi dari kandungan G + C 242 244 Gambar 5-11 Analisis COT pada berbagai DNA Gambar 5-12 Penyusunan histon dan DNA dalam nukleosom 247 Gambar 5-13 Bentuk-bentuk topoisomer dari supercoil 248 Gambar 5-14 Pemanjangan DNA melalui pasangan basa yang ujungnya overlapping yang dilakukan oleh EcoRI 252 Gambar 5-15 Langkah-langkah pembentukkan suatu sambungan, atau rekombinasi dari molekul DNA 253 Gambar 5-16 Proses denaturasi, penempelan primer, dan pemanjangan dalam Polymerase Chain Reactin (PCR) 256 Gambar 5-17 Reaksi PCR 258

xiv

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

Gambar 6-1 Energi aktivasi adalah energi yang lebih rendah untuk reaksi-reaksi yang dikatalisis. Energi substrat pada tiap tahap reaksi Gambar 6-2 Hubungan hiperbol antara kecepatan awal (v0) dan konsentrasi substrat awal ([S]0 dari suatu reaksi katalisis enzim Gambar 6-3 Grafik Lineweaver-Burk, prosedur untuk menentukan 2 parameter kinetik steady-state pada persamaan Michaelis-Menten Gambar 6-4 Plot dari –log (apparent Km = pKm versus pH untuk enzim. Gambar 6-5 Plot Lineweaver-Burk : 1/v0 versus 1/[S]0 untuk (a) inhibisi kompetitif murni dan (b) inhibisi nonkompetitif murni Gambar 6-6 Bentuk paling sederhana dari regulasi jalur metabolisme yakni inhibisi suatu enzim oleh produk jalur tersebut Gambar 6-7 Kontrol dalam jalur metabolisme bercabang Gambar 6-8 Sifat kinetik yang mungkin dari enzim-enzim regulator Gambar 6-9 Kurva pengikatan oksigen untuk hemoglobin dan mioglobin Gambar 6-10 Kurva pengikatan yang dibahas oleh persamaan n-site MWC models dengan KR[X]=a Gambar 6-11 Sifat-sifat dari suatu enzim alosterik MWC dengan adanya efektor-efektor heterotropik -oo0oo-

271 281 283 297 300 301 302 303 305 312 314



Daftar Tabel

Tabel 2.1 Asam amino yang digunakan dalam sintesis protein, dikelompokkan menurut struktur kimianya (asam amino netral, nonpolar, alifatik) Tabel 2.2 Asam amino yang digunakan dalam sintesis protein, dikelompokkan menurut struktur kimianya (asam amino polar, alifatik) Tabel 2.3 Asam amino yang digunakan dalam sintesis protein, dikelompokkan menurut struktur kimianya (asam amino aromatis) Tabel 2.4 Asam amino yang digunakan dalam sintesis protein, dikelompokkan menurut struktur kimianya (asam amino mengandung sulfur) Tabel 2.5 Asam amino yang digunakan dalam sintesis protein, dikelompokkan menurut struktur kimianya (asam amino mengandung gugus asam amino sekunder) Tabel 2.6 Asam amino yang digunakan dalam sintesis protein, dikelompokkan menurut struktur kimianya (asam amino yang bersifat asam) Tabel 2.7 Asam amino yang digunakan dalam sintesis protein, dikelompokkan menurut struktur kimianya (asam amino yang bersifat basa) Tabel 2.8 Nilai pKa Beberapa Asam Amino Tabel 2-9 Berbagai bentuk asam glutamat yang mendominasi hadir pada titik-titik yang berbeda selama titrasi

39 40 41 41

41 42 43 52 55

xvi

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

Tabel 3-1 Jenis-jenis Interaksi Nonkovalen yang Terlibat dalam Stabilitas Struktur Protein Tabel 3-2 Kecenderungan residu-residu asam amino untuk membentuk a-heliks Tabel 4-1 Beberapa Kelompok Utama Fosfogliserida Tabel 4-2 Lipoprotein Plasma Tabel 4-3 Komposisi Membran Tabel 4-4 Sistem Transpor Carrier Tabel 5-1 Komposisi Basa DNA dalam Berbagai Spesies Tabel 5-2 Perbandingan Heliks-heliks DNA Tabel 6-1 Kelas-kelas Utama Enzim Tabel 6-2 Subklasifikasi Hidrolase -oo0oo-

87 93 162 176 180 200 231 236 264 265



Daftar Isi

KATA PENGANTAR DAFTAR GAMBAR DAFTAR TABEL DAFTAR ISI BAB 1 KARBOHIDRAT 1. Pendahuluan 2. Gliseraldehid 3. Aldosa Sederhana 4. Ketosa Sederhana 5. Struktur D-glukosa 6. Konformasi Glukosa 7. Monosakarida Selain Glukosa 8. Ikatan Glikosida 9. Polisakarida BAB 2 ASAM AMINO DAN PEPTIDA 1. Asam Amino 2. Sifat Asam-basa dari Asam Amino 3. Analisis Asam Amino 4. Ikatan Peptida 5. Rantai Polipeptida 6. Reaksi Sistein BAB 3 PROTEIN 1. Pengantar 2. Pemurnian dan Karakterisasi Protein 3. Pelipatan Protein

v vii xiii xv 1 2 6 9 12 20 21 27 32 37 37 44 56 57 59 68 73 73 74 84

xviii

BAB 4 BAB 5

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

4. Struktur Protein 89 5. Motif-motif Struktur Protein 104 6. Homologi Urutan dan Evolusi Protein 125 7. Prediksi, Rekayasa, dan Rancangan Struktur Protein 126 8. Metode Penentuan Struktur Protein 146 LIPID, MEMBRAN, TRANSPOR, DAN PENSINYALAN 153 1. Pengantar 153 2. Kelompok-kelompok Lipid 154 3. Asam Lemak 156 4. Gliserolipid 159 5. Sfingolipid 163 6. Lipid yang Diturunkan dari Isopren (Terpen) 166 7. Sifat Lipid dalam Air 170 8. Asam Empedu dan Garam Empedu 173 9. Lipoprotein Plasma 175 10. Vesicle 177 11. Membran 179 12. Struktur dan Fungsi Membran 186 13. Transpor 191 14. Mekanisme Molekul Transpor Lintas Membran 200 15. Pensinyalan 204 ASAM NUKLEAT 215 1. Pengantar 215 2. Asam Nukleat dan Konstituen Kimianya 217 3. Nukleosida 222 4. Nukleotida 224 5. Polinukleotida 227 6. Struktur DNA 230 7. Denaturasi DNA 239 8. Ukuran, Organisasi, dan Topologi DNA 245 9. Struktur dan Tipe RNA 248 10. Nuklease 249

xix

Daftar Isi

11. Dna Rekombinan dan Isolasi Gen 12. Polymerase Chain Reaction BAB 6 KATALITAS DAN KINETIKA ENZIM 1. Konsep Dasar Katalisis Enzim 2. Klasifikasi Enzim 3. Mode Peningkatan Laju Pemotongan Ikatan 4. Peningkatan Laju dan Energi Aktivasi 5. Mutagenesis Sisi-terarah (Site-directed Mutagenesis) 6. Kinetika Enzim 7. Ketergantungan Laju Reaksi Enzim Pada Konsentrasi Substrat 8. Evaluasi Grafik Km dan Vmaks 9. Definisi Inhibisi Enzim 10. Persamaan Inhibisi Enzim 11. Dasar Mekanis Persamaan Michaelis-menten 12. Turunan Persamaan Steady-state 13. Enzim-enzim Multireaktan 14. Pengaruh Ph Pada Laju Reaksi Enzim 15. Mekanisme Inhibisi Enzim 16. Enzim Regulator DAFTAR PUSTAKA TENTANG PENULIS -oo0oo-

251 253 261 261 263 266 275 277 278 281 282 283 284 285 288 292 294 298 301 317 321

Bab

1

KARBOHIDRAT

1. PENDAHULUAN Karbohidrat adalah kelompok senyawa yang mengandung unsur C, H, dan O. Senyawa-senyawa karbohidrat memiliki sifat pereduksi karena adanya gugus karbonil dalam bentuk aldehid atau keton. Senyawa ini juga memiliki banyak gugus hidroksil. Karena itu, karbohidrat merupakan suatu polihidroksi aldehid atau polihidroksi keton, atau turunan senyawa-senyawa tersebut. Senyawa karbohidrat yang memiliki tiga sampai sembilan atom karbon disebut monosakarida. Gabungan senyawa-senyawa monosakarida akan membentuk senyawa karbohidrat yang lebih besar. Ikatan penghubung antara dua buah monosakarida disebut ikatan glikosida atau glikosidik. Dalam disakarida, terdapat satu ikatan glikosida yang meng­ hubungkan dua monosakarida. Sedangkan dalam trisakarida terdapat dua ikatan glikosida yang menghubungkan tiga buah monosakarida. Karbohidrat yang memiliki beberapa unit monosakarida disebut oligo­ sakarida, sedangkan yang memiliki banyak unit monosakarida disebut sebagai polisakarida. Banyak monosakarida maupun oligosakarida memiliki rasa manis, karena itu karbohidrat yang massa molekul relatif (Mr)-nya kecil sering disebut sebagai gula. Terdapat dua jenis monosakarida, yakni aldosa dan ketosa. Aldosa mengandung gugus aldehid (R-CHO), sedangkan ketosa mengandung gugus keton (R-CO-R’). Selain itu, monosakarida juga dapat dikelompokkan menurut jumlah atom karbon yang dimilikinya. Bila mengandung tiga atom karbon maka monosakarida tersebut disebut triosa; sedangkan bila mengandung empat atom karbon maka disebut tetrosa; pentosa untuk yang mengandung lima atom karbon; heksosa untuk yang mengandung enam atom karbon; dan seterusnya.



Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

Kedua macam pengelompokkan monosakarida ini dapat digabungkan. Misalnya, glukosa merupakan aldoheksosa, yakni gula monosakarida Karbohidrat dengan enam atom karbon dan suatu gugus aldehid. Ketotriosa

Aldopentosa

Aldopentosa

Ketoheptosa

Ketopentosa Karbohidrat

CH2OH CO

CH2OH

KetotriosaCHOH Aldopentosa

CH2OH

CHO Aldopentosa CHOH

CHOH

CH2OH CO

CH2OH

CHOH

CHOH

CH2OH

COH HOH2C

CHOCHOH CHOH

HOH2C

Ketoheptosa CO

CHOH

CHOH

CHOH

CO

COH

CHOH CHOH

CHO

CO

CH2OH

CH2OH

CH2OH

CHOH Ketopentosa

CHOH

CHO

CH2OH

CH2OH

CH2OH

CHOH

CO CH2OH CHOH

CHOH CHOH CHOH CH OH

CH2OH

2

CHOH CH2OH

2. GLISERALDEHID

2. GLISERALDEHID 2. GLISERALDEHID Gliseraldehid merupakan aldosa yang paling sederhana:

Gliseraldehid Gliseraldehid merupakan aldosa yang paling sederhana: merupakan aldosa yang paling sederhana: Cermin Cermin

1

CHO 1

2

CHO

2 CHOH

CHOH

CH23OH CH2OH

3

Karbon Kiral

Karbon Kiral

L-Gliseraldehid

L-Gliseraldehid Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

D-Gliseraldehid

D-Gliseraldehid 2

Karbohidrat Karbohidrat

Bab I Karbohidrat

L-Gliseraldehid L-Gliseraldehid

D-Gliseraldehid D-Gliseraldehid

Gliseraldehidmemiliki memiliki sifatsifat pereduksi karenakarena merupakan suatu Gliseraldehid sifat pereduksi karena merupakan suatualdehid. aldehid. Gliseraldehid memiliki pereduksi merupakan suatu Atom C-2pada padamolekul molekul ini adalah adalah pusat kiral (disebut asimetris), aldehid. Atom C-2 pada molekul ini kiral adalah pusatjuga kiralpusat (disebut juga Atom C-2 ini pusat (disebut juga pusat asimetris),

pusat asimetris), sehingga terdapat isomer yang dikenal sehingga terdapatdua dua isomeryang yang dikenaldua sebagai enansiomer: sehingga terdapat isomer dikenal sebagai enansiomer: enansiomer:

CHO CHO H C OH H C OH CH2OH CH2OH

D-Gliseraldehid D-Gliseraldehid

HO HO

CHO CHO C H C H CH2OH CH2OH

L-Gliseraldehid L-Gliseraldehid

sebagai



Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

Karbohidrat Karbohidrat

Bila digambarkan menurut proyeksi Fischer, maka strukturnya Bila digambarkan menurut proyeksi Fischer, maka strukturnya seperti berikut: seperti berikut:

Bila digambarkan menurut proyeksi Fischer, maka strukturnya seperti berikut:

H H

CHO CHO OH OH CH2OH CH2OH

HO HO

CHO CHO H H CH2OH CH2OH

Proyeksi Fischer ini menyederhanakan struktur tiga struktur dimensi gliseraldehid Proyeksi Fischer ini menyederhanakan tiga dimensi seperti Proyeksi Fischer ini menyederhanakan struktur tiga dimensi gliseraldehid seperti berikut: gliseraldehid seperti berikut: berikut: CHO CHO H H

OH OH CH2OH CH2OH

CHO CHO HO HO

H H CH2OH CH2OH

Enansiomer adalah bayangan Enansiomer adalah bayangancermin cerminsatu satusama samalain. lain.Struktur Struktursebelah Enansiomer adalah bayangan cermin satu sama lain. Struktur sebelah sebelah kiri disebut D-gliseraldehid, sedangkan kananL-gliseraldehid. disebut kiri disebut D-gliseraldehid, sedangkan yang kananyang disebut kiri disebut D-gliseraldehid, kanan disebut L-gliseraldehid. L-gliseraldehid. Awalan sedangkan D- dan L- yang menunjukkan konfigurasi atau Awalan penataan D- dan Lmenunjukkan konfigurasi atau penataan gugus di gugus di sekeliling konfigurasi pusat kiral. atau penataan gugus di sekeliling Awalan D- dan Lmenunjukkan sekeliling Bila hanya terdapat satu atom karbon kiral, maka di antara kedua pusat kiral. pusat kiral. enansiomer hanya terdapat sedikit perbedaan sifat fisik maupun sifat Bila hanya terdapat satu atom karbon kiral, maka di antara kedua kimia. Sifat yang palingsatu besaratom perbedaannya adalahmaka aktivitas optik, kedua Bila hanya terdapat karbon kiral, di antara enansiomer terdapat sedikit perbedaan sifat fisik berotasi maupunketika sifat kimia. yaknihanya kemampuan suatu larutan enansiomer untuk enansiomer hanya terdapat sedikit perbedaan sifat fisik maupun sifat kimia. disinari cahaya polarisasi. Salah satuaktivitas enansiomer berotasi Sifat yang palingoleh besar perbedaannya adalah optik,akan yakni kemampuan Sifat yang paling besar adalah optik,lainnya yakni kemampuan searah jarum jam,perbedaannya dan diberi tanda (+).aktivitas Enansiomer akan suatu larutan enansiomer untuk berotasi ketika disinari oleh cahaya polarisasi. berotasienansiomer berlawanan untuk arah jarum jam, diberi tandaoleh (-). cahaya Contohnya suatu larutan berotasi ketika disinari polarisasi. adalah enansiomerakan D-gliseraldehid adalah jarum (+) sehingga ditulis lengkap Salah satu enansiomer berotasi searah jam, dan diberi tanda (+). Salah satu enansiomer akan berotasi searah jarum jam, dan diberi tanda (+). sebagai D-(+)-gliseraldehid, sedangkan pasangannya adalah L-(-)Enansiomer lainnya akan berotasi berlawanan arah jarum jam, diberi tanda (-). gliseraldehid. Campuran enansiomer D arah dan Ljarum akanjam, memberikan Enansiomer lainnya akan berotasi berlawanan diberi tanda (-). Contohnya enansiomer adalahenansiomer. (+) sehingga rotasiadalah total tergantung pada D-gliseraldehid proporsi masing-masing Bila ditulis Contohnya adalah enansiomer D-gliseraldehid adalah (+) sehingga ditulis lengkap sebagai D-(+)-gliseraldehid, sedangkan pasangannya adalah L-(-)lengkap sebagai D-(+)-gliseraldehid, sedangkan pasangannya adalah L-(-)gliseraldehid. Campuran enansiomer D dan L akan memberikan rotasi total gliseraldehid. Campuran enansiomer D dan L akan memberikan rotasi total

Bab I Karbohidrat



proporsi kedua enansiomer itu seimbang, maka rotasi totalnya adalah nol, dan larutan tersebut dinamakan sebagai campuran rasemat. Aktivitas optik diukur menggunakan polarimeter. Besarnya aktivitas optik diukur sebagai sudut rotasi dengan simbol a (alfa). Satuannya yakni derajat atau radian (SI). Aktivitas optik suatu larutan Karbohidrat tergantung pada beberapa faktor, yakni konsentrasi senyawa, panjang sel tempatcahaya larutanpolarisasi, tersebut,suhu, panjang cahaya polarisasi, suhu, gelombang dan gelombang pelarut. Penggambaran yang lebih dan mengenai pelarut. Penggambaran yang lebih jelasberikut. mengenai skema dari alat jelas skema dari alat polarimeter sebagai polarimeter sebagai berikut.

sinar monokromatik

filter polarisasi

tabung sampel

cahaya bidang terpolarisasi

bidang rotasisinar terpolarisasi

sinar tak terpolarisasi

Karena ketergantungannya pada banyak faktor, yang diukur dalam Karena ketergantungannya pada banyak faktor, a yang diukur T selalu dan diekspresikan sebagai rotasi spesifik percobaan selalu diubah dan diubah diekspresikan sebagai rotasi spesifik dalam percobaan D , dengan

α

[ ]T , dengan superscript dan subscript menunjukkan suhu dan panjang sel (dm) × konsentrasi (g cm yang )

α D= superscript dan subscript yang menunjukkan -3suhu dan panjang gelombang sinar (D yakni bentuk D untuk natrium, nm). panjang gelombang sinaruap(D yakni589,2 bentuk

D untuk uap natrium,

589,2 nm). T

[α ]D = panjang sel (dm) T

D

panjang sel (dm)

konsentrasi (g cm -3 ) α

× konsentrasi (g cm -3 )

Nama pelarut diberikan dalam tanda kurung setelah nilainya, misalnya

25 D

=

+17,50 (dalam air).

Nama pelarut diberikan dalam tanda kurung setelah nilainya, misalnya 25 = [α ]D +17,50 (dalam air).

3. ALDOSA SEDERHANA Aldosa

sederhana

diturunkan

dari

gliseraldehid,

yakni

dengan

memasukkan atom karbon kiral terhidroksilasi (CHOH) di antara karbon C-1 dan



Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

3. ALDOSA SEDERHANA Aldosa sederhana diturunkan dari gliseraldehid, yakni dengan memasukkan atom karbon kiral terhidroksilasi (CHOH) di antara karbon C-1 dan C-2 pada molekul gliseraldehid. Misalnya, dua macam Karbohidrat molekul tetrosa terbentuk ketika CHOH dimasukkan ke dalam Dgliseraldehid: CHO

H

C

OH

H

C

OH

CH2OH CHO H

C

OH

D-Eritrosa

+CHOH

CH2OH D-Gliseraldehid

CHO HO

C

H

H

C

OH

CH2OH D-Treosa

L

Eritrosa

Treosa

Gliseraldehid akan menurunkan duadua aldotetrosa, yaitu L-eritrosa LGliseraldehid akan menurunkan aldotetrosa, yaitu dan L-eritrosa Dengan demikian terdapat empat macam aldotetrosa. Dari aldotetrosa. masingdan treosa. L-treosa. Dengan demikian terdapat empat macam aldotetrosa diturunkan duaditurunkan aldopentosa, dua sehingga totalnya terdapat Dari masing masing-masing aldotetrosa aldopentosa, sehingga delapan aldopentosa. Dari molekul-molekul aldopentosa diturunkan 16 totalnya terdapat delapan aldopentosa. Dari molekul-molekul aldoheksosa. Di bawah16 ini aldoheksosa. adalah struktur Di delapan aldopentosa danstruktur 16 aldopentosa diturunkan bawah ini adalah aldoheksosa

yang

disederhanakan,

dengan

o

melambangkan

melambangkan gugus OH; dan atom H tidak digambarkan.

aldehid;

Bab I Karbohidrat



delapan aldopentosa dan 16 aldoheksosa yang disederhanakan, dengan o melambangkan aldehid; melambangkan gugus OH; dan atom Karbohidrat H tidak digambarkan. CHO

CHO

CHO

H

OH

HO

H

HO

H

OH

HO

H

H

CH2OH

H

O

O

O

O

D

L

D L Arabinosa

D

O

O

O

O

L

D

L

D

O

D

Alosa

Altrosa

H CH2OH

D-Treosa

O

OH

HO

CH2OH

L-Eritrosa

Ribosa

H

OH

CH2OH

D-Eritrosa

CHO

L-Treosa O

O

L

D

O

O

L

D

Xilosa

Glukosa

O

Liksosa

L

O

Manosa

L

O

O

O

O

O

O

O

O

D

L

D

L

D

L

D

L

Gulosa

Idosa

Galaktosa

Talosa

Ada dua kelompok aldosa sederhana, yaitu kelompok D dan kelompok L.

Untuk menentukan di kelompok mana suatu aldosa tergabung, adalah



Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

Ada dua kelompok aldosa sederhana, yaitu kelompok D dan kelompok L. Untuk menentukan di kelompok mana suatu aldosa tergabung, adalah dengan memperhatikan atom karbon kiral yang Karbohidrat paling dekat dengan gugus pereduksi kemudian membandingkannya Karbohidrat dengan gliseraldehid. CHO H H HO

CC OH H

HO

C

H

H

C

OH

H

C

OH

H H

Karbon kiral yang paling Karbon kiral dekat dengan yang paling gugus pereduksi dekat dengan

CHO C OH

C

CHO

OH

C

OH

CH2OH

CHO

Persamaan struktur Persamaan

H

struktur

C

C

OH

OH

CH2OH

CH2OH

CH2OH

D-Gliseraldehid

D-Glukosa

gugus pereduksi

H

D-Gliseraldehid

D-Glukosa

Dalamgula gula yang yang ditunjukkan di bawah, (1) adalah L danL (2), (3), dan Dalam ditunjukkan di bawah, (1) Ladalah dandan (2), Dalam gula yang ditunjukkan di bawah, (1) adalah dan (2), (3), (4) adalah kiral terjauh pereduksi adalah (3), dan D. (4) Pada adalah(3)D.atom Padakarbon (3) atom karbondari kiralgugus terjauh dari gugus (4) adalah D. Pada (3) atom karbon kiral terjauh dari gugus pereduksi adalah pereduksi adalah C-2. C-2. C-2.

CHO CHO

CHO CHO

CHO CHO

CHOCHO

HH CC

OH OH

HH CC

OH OH

H H

CC OH OH

HO HO C C CHCH 2OH 2OH

HO HOC

H C

H

H H

H H

CC OH OH

CHCH 2OHOH

HO HOC

H C

H

HO CC HO

CH2OH CH 2OH (1)

(1)

CH CH2 2

H H C C OHOH

2

CH2OH

H

H

CH2OH

HC

HC

OH OH C

NH2 C NH2

CH2OH (2)

(2)

(3)

(3)

(4)

CH2OH

(4)

Aldotetrosa memiliki dua pusat kiral, aldopentosa memiliki tiga pusat

Aldotetrosa memiliki dua pusat kiral, aldopentosa memiliki tiga pusat

kiral, dan aldoheksosa memiliki empat pusat kiral.

Setiap pusat kiral ini

kiral, dan aldoheksosa memiliki empat Setiap kiral ini memberikan aktivitas optik. Aktivitas optikpusat total kiral. tergantung padapusat besarnya memberikan kontribusi dariaktivitas tiap pusatoptik. kiral.

Aktivitas optik total tergantung pada besarnya

Bab I Karbohidrat



Aldotetrosa memiliki dua pusat kiral, aldopentosa memiliki tiga pusat kiral, dan aldoheksosa memiliki empat pusat kiral. Setiap pusat kiral ini memberikan aktivitas optik. Aktivitas optik total tergantung pada besarnya kontribusi dari tiap pusat kiral. Jika terdapat lebih dari empat atom karbon kiral, suatu aldosa diberi dua awalan konfigurasi. Salah satunya untuk empat pusatKarbohidrat kiral dengan nomor terendah, dan yang lainnya untuk sisa molekulnya. Konfigurasi untuk gugus bernomor tertinggi disebutkan lebihKarbohidrat dulu. Aldooktosa yang ditunjukkan berikut memiliki nama D-eritro-L-galaktooktosa. Aldooktosa yang ditunjukkan berikut memiliki nama D-eritro-Lgalaktooktosa. CHO Aldooktosa yang ditunjukkan berikut memiliki nama D-eritro-L-galaktooktosa.

HO

H CHO

HHO

H OH

H H

OH OH

H

OH

HO

H

HO

H H

OH

OH

H

L-Galakto

H

OH

H

L-Galakto

OH

D-Eritro D-Eritro

CHCH 2OH OH 2

KETOSA SEDERHANA 4. KETOSA SEDERHANA 4.4.KETOSA SEDERHANA Ketosa sederhana diturunkan dari dihidroksiaseton, yang merupakan

Ketosa sederhana diturunkan dihidroksiaseton, merupakan Ketosa sederhana diturunkan daridari dihidroksiaseton, yangyang merupakan suatu isomer dari gliseraldehid. isomer dari gliseraldehid. suatusuatu isomer dari gliseraldehid. CH2OH

CHO

CH2OH

CHO

COCH OH 2

CHOH CH OH

CO

Dihidroksiaseton CH2OH

Dihidroksiaseton

CHOH 2

Gliseraldehid CH2OH

Gliseraldehid

Dihidroksiaseton tidak memiliki pusat kiral, tetapi turunannya memiliki atom karbon kiral di antara gugus keto dan salah satu gugus hidroksimetil. Terdapat

Dihidroksiaseton tidak memiliki pusat kiral, tetapi turunannya memiliki atom dua ketotetrosa, empat ketopentosa, dan delapan ketoheksosa.

karbon kiral di antara gugus keto dan salah satu gugus hidroksimetil. Terdapat Ketosa yang paling banyak ditemukan yakni D-fruktosa ditunjukkan di

10

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

Dihidroksiaseton tidak memiliki pusat kiral, tetapi turunannya memiliki atom karbon kiral di antara gugus keto dan salah satu gugus hidroksimetil. Terdapat dua ketotetrosa, empat ketopentosa, dan delapan ketoheksosa. Ketosa yang paling banyak ditemukan yakni D-fruktosa ditunjuk­ kan di bawah. Bandingkanlah konfigurasi untuk atom karbon kiral Karbohidrat Karbohidrat yang paling jauh dari gugus keto (C-5) dengan D-gliseraldehid. 11

CH22OH OH CH

22

CO CO

HO HO

HH HH

33

CC

44

CC

55

CC

HH OH OH OH OH

66

CH22OH OH CH

Fruktosadinamai dinamaidemikian demikianjauh jauhsebelum sebelumstrukturnya strukturnya diketahui. diketahui. Hal Hal yang yang sama sama Fruktosa

Fruktosa dinamai demikian jauh sebelum strukturnya diketahui.

terjadi pada pada banyak banyak aldosa aldosa lainnya. Nama-nama seperti seperti glukosa, glukosa, manosa, manosa, terjadi Hal yang sama terjadi padalainnya. banyakNama-nama aldosa lainnya. Nama-nama seperti ribosa, danfruktosa fruktosadisebut disebut nama trivial, yaknibersifat bersifat nonsistematik. ribosa, dan nama yakni glukosa, manosa, ribosa, dantrivial, fruktosa disebutnonsistematik. nama trivial,

yakni

Ketosa yangditunjukkan ditunjukkan didi bawah bawah ini ini dikenal dikenal luas luas sebagai sebagai D-ribulosa D-ribulosa bersifatKetosa nonsistematik. yang Ketosa yang ditunjukkan di Nama bawah dikenal luas senyawa sebagai karena merupakan isomer dariD-ribosa. D-ribosa. Nama ini iniini tidak tepat, karena karena senyawa karena merupakan isomer dari tidak tepat, D-ribulosa karenadua merupakan isomer Nama ini tidak ini hanya memiliki memiliki pusat kiral, kiral, bukandari tiga D-ribosa. seperti yang yang disiratkan oleh ini hanya dua pusat bukan tiga seperti disiratkan oleh tepat, karena senyawa ini hanya memiliki dua pusat kiral, bukan tiga awalanrib-. rib-. Senyawa ini ini berkaitan berkaitan dengan dengan D-eritrosa, dan dan nama nama yang yang tepat tepat awalan seperti yangSenyawa disiratkan oleh awalan rib-. D-eritrosa, Senyawa ini berkaitan dengan adalahD-eritro-pentulosa. D-eritro-pentulosa. adalah D-eritrosa, dan nama yang tepat adalah D-eritro-pentulosa.

CH22OH OH CH CO CO

HH

CC

OH OH

HH

CC

OH OH

CH2OH OH CH 2 Duagula guladidibawah bawahini inimemiliki memiliki nama nama sistematik sistematik yang yang tepat tepat yakni yakni (1) (1) L-TreoL-TreoDua pentulosa, umumnya umumnya disebut disebut L-xilulosa; L-xilulosa; (2) (2) D-Arabino-heksulosa, D-Arabino-heksulosa, umumnya umumnya pentulosa, disebut D-fruktosa.

Bab I Karbohidrat

11

Dua gula di bawah ini memiliki nama sistematik yang tepat yakni Karbohidrat (1) L-Treo-pentulosa, umumnya disebut L-xilulosa; (2) D-ArabinoKarbohidrat heksulosa, umumnya disebut D-fruktosa. CH2OH

CH2OH

CO CH2OH

CO CH 2OH H CO

CO H

H OH

H HO

OH H

CH2H OH

H H

OH OH

HO H

HO

HO

OH

H

CH2OH (1)

CH2OH (2)

OH

CH2OH

(1)

(2)

Nama sistematik untuk monosakarida ketosa selalu diakhiri dengan –

sistematik monosakarida ketosa ketosa selalu strukturnya diakhiri ulosa, Nama selain fruktosa dan untuk nama trivial lainnya. Beberapa Nama sistematik untuk monosakarida ketosa selalu diakhiri dengan dengan –ulosa, selain fruktosa dan nama trivial lainnya. Beberapa tidak berkaitan dengan dihidroksiaseton, dan dinamai dengan –

ketosa dengan dihidroksiaseton, dan ulosa, selainstrukturnya fruktosa konfigurasi dantidak namaberkaitan trivial lainnya. Beberapa ketosa suatu strukturnya mempertimbangkan semua atom karbon kiral sebagai unit,

dinamai dengan mempertimbangkan konfigurasi semua atom karbon dan dinamai dengan kiral sebagai suatu unit, dengan mengabaikan gugus karbonil. Perhatikanketosa ketosadidibawah bawah ini. Ketosa tersebut memilikitiga tigaatom atom mempertimbangkan konfigurasi semua atom karbon kiral sebagai suatu unit, Perhatikan ini. Ketosa tersebut memiliki karbon kiral dalam konfigurasi D-arabino (meskipun disusupi oleh gugus oleh keto). dengan mengabaikan gugus karbonil. karbon kiral dalam konfigurasi D-arabino (meskipun disusupi gugus keto). keto berada pada posisi 3. Ketosa iniatom memiliki Gugus keto ini Gugus berada pada posisi 3.ini.Ketosa ini memiliki enam karbon, Perhatikan ketosa di ini bawah Ketosa tersebut memiliki tiga atom enam atom karbon, sehingga dinamai D-arabino-3-heksulosa. sehingga D-arabino-3-heksulosa. karbon kiral dinamai dalam konfigurasi D-arabino (meskipun disusupi oleh gugus keto). tidak berkaitan dengan dihidroksiaseton, dengan mengabaikan gugus karbonil.

Gugus keto ini berada pada posisi 3. Ketosa ini memiliki enam atom karbon, CH2OH

sehingga dinamai D-arabino-3-heksulosa. HO

C

H

CH CO2OH HOH H

H

CC

OH H

C OH CO

CCH2OH OH

Jika nama suatu ketosa tidak mengandung nomor, maka diasumsikan bahwa H C OH ketosa tersebut berkaitan dengan dihidroksiaseton dan gugus keto berada pada CH2OH posisi 2.

Karbohidrat 12

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

5. STRUKTUR D-GLUKOSA

D-Glukosa monosakarida yang nomor, palingmaka banyak ditemukan. Jika nama adalah suatu ketosa tidak mengandung diasumsi­

kan D-glukosa bahwa ketosa tersebut berkaitan dengan dihidroksiaseton danterdapat Monomer terdapat dalam darah, sedangkan polimernya gugus keto berada pada posisi 2.

Karbohidrat adalah dalam tepung maupun selulosa. Proyeksi Fischer molekul D-glukosa

seperti berikut:

5. STRUKTUR D-GLUKOSA

5. STRUKTUR D-GLUKOSA

CHO D-Glukosa monosakarida palingbanyak banyakditemukan. ditemukan. D-Glukosa adalahadalah monosakarida yangyang paling H darah,darah, OH MonomerD-glukosa D-glukosa terdapat sedangkan polimernya Monomer terdapat dalamdalam sedangkan polimernya terdapat terdapat dalam tepung maupun selulosa. Proyeksi molekul dalam tepung maupun selulosa. molekul Fischer D-glukosa adalah HOProyeksi Fischer H D-glukosa adalah seperti berikut: seperti berikut: H CHO OH H H HO

OH OH

CH2HOH

H

OH

OH Penulisan seperti di atas disebutH juga sebagai struktur rantai terbuka atau CH2hanya OH struktur rantai lurus. Struktur seperti ini ada dalam larutan. D-glukosa

Penulisan di atas juga sebagai(struktur dalam bentuk kristal seperti memiliki duadisebut macam struktur dan rantai ) yangterbuka juga berbeda Penulisan seperti di atas disebut jugaseperti sebagai rantai terbuka atau atau struktur rantai lurus. Struktur inistruktur hanya ada dalam larutan.

aktivitas optiknya ketikabentuk dilarutkan. Baik maupun D-glukosa kristal dua struktur (a -D-glukosa, dan struktur rantaidalam lurus. Struktur sepertimemiliki ini hanya-D-glukosa ada macam dalam larutan. D-glukosa

b) yang jugamolekul berbeda aktivitas optiknya ketika dilarutkan. Baikberbeda a-Dkeduanya berupa lingkar: dalam bentuk kristal memiliki dua macam struktur ( dan ) yang juga glukosa maupun b-D-glukosa, keduanya berupa molekul lingkar:

aktivitas optiknya ketika dilarutkan. keduanya berupa molekul lingkar: CH2OH

O H H CH2OHH O OH H H H HO H OH OH H HO H OHOH

-D-Glukosa H OH

-D-Glukosa

Baik

-D-glukosa maupun

-D-glukosa,

CH2OH O HCHH2OH OH O OH HH H OH HOH

H HO OH H HOH

H-D-Glukosa OH

-D-Glukosa

Kedua Kedua struktur seperti di atas sebagairumus rumus proyeksi Haworth. struktur seperti di atasdikenal dikenal sebagai proyeksi Haworth. StrukturStruktur tersebut tidak tidak menggambarkan molekul aslinya, menunjukkan tersebut menggambarkan bentuk bentuk molekul aslinya, tetapitetapi menunjukkan

Bab I Karbohidrat

13

Kedua struktur seperti di atas dikenal sebagai rumus proyeksi Haworth. Struktur tersebut tidak menggambarkan bentuk molekul aslinya, tetapi menunjukkan konfigurasi tiap atom kiral. Ketika a-D-glukosa atau b-D-glukosa dilarutkan dalam air, Karbohidrat struktur lingkar akan terbuka sehingga terbentuk struktur rantai terbuka. Reaksi ini reversibel, dan kesetimbangan terjadi antara Karbohidrat struktur lingkar. umumnya, aldehid bereaksi dengan alkohol untuk terbuka Pada dan kedua struktur lingkar. Padareversibel umumnya, aldehid bereaksi reversibel dengan alkohol untukbereaksi membentuk lalu dengan lingkar. Pada umumnya, dengan alkohol untuk membentuk hemiasetal lalu aldehid dengan adanya reversibel katalishemiasetal asam akan membentuk adanya katalis asam akan asetal: membentuk hemiasetal lalumembentuk dengan adanya katalis asam akan membentuk asetal: asetal: R

O

RC O H C

+ R'OH

+ R'OH

H

OH

R

R C OH H C OR' OR' H

+ R''OH

+ R''OH

R

OR''

R C OR'' H C OR' H OR'

Pembentukan lingkar dari struktur terbuka D-glukosa terjadi ketika gugus

Pembentukan lingkar dari struktur terbuka D-glukosa terjadi

Pembentukan lingkar dari dengan struktur gugus terbukaaldehid. D-glukosa terjadi ketikamenjadi gugus hidroksil pada C-5 bereaksi Karbon aldehid ketika gugus hidroksil pada C-5 bereaksi dengan gugus aldehid. hidroksil padaterbentuk C-5 bereaksi dengan gugus aldehid. Karbon aldehid menjadi kiral, sehingga duakiral, hemiasetal yaituterbentuk -D-glukosa -D-glukosa. Karbon aldehid menjadi sehingga duadan hemiasetal yaitu

a-D-glukosa b-D-glukosa. kiral, sehingga dan terbentuk dua hemiasetal yaitu H

H H

C

H

OH

HO C H H C OH HH CC

O

1 2C

C

O OH

H HO

2 3C

C

HO H

H

OH C C OH

H C OH HO C H

1

O

OH

H CH C OH 2 Hemiasetal ( 2-D-glukosa) CH OH

HO

HO

C

H

H

H

C C

OH H

H HO

C C

OH H

O

3 4C

C

H OH

HO H

C C

H OH

O

HH

4 5C

OH OH

H H

C C

OH

H

5 6C

OH CH2OH

H

C OH CH 2

H O

C

-D-glukosa dan -D-glukosa.

C

6

CH2OH

Hemiasetal ( -D-glukosa)

OH

HemiasetalCH ( -D-glukosa) 2OH

Hemiasetal ( -D-glukosa)

Kedua hemiasetal di atas disebut sebagai anomer, dan karbon C-1 pada

Kedua hemiasetal di karbon atas disebut sebagai anomer, dan dan karbon C-1 C-1 pada struktur lingkar disebut anomerik. Kedua hemiasetal di atas disebut sebagai anomer, karbon Pembentukan hemiasetal dan hemiketal, dari struktur lingkar disebut karbon anomerik. pada struktur lingkar disebut karbon anomerik.

suatu aldehid atau keton

Pembentukan hemiasetal dan dengan hemiketal, dari suatu aldehid atau keton yang direaksikan dengan alkohol perbandingan 1:1 yang akan yang direaksikan dengan dengan perbandingan 1:1 yang akan menghasilkan suatu pusat kiralalkohol pada karbon karbonil. menghasilkan suatu pusat kiral pada karbon karbonil.

Karbohidrat Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

14

Pembentukan hemiasetal dan hemiketal, dari suatu aldehid atau keton yang direaksikan dengan alkohol dengan perbandingan 1:1 yang Karbohidrat akan menghasilkan suatu pusat kiral pada karbon karbonil. Aldehid

Asetal

Ketal

Hemiketal

Alkohol Keton

Asetal

Hemiasetal

Alkohol

Aldehid

Keton

Hemiasetal

Alkohol

Ketal

Hemiketal

Alkohol

Penerjemahan struktur rantai terbuka ke dalam struktur cincin Haworth

Penerjemahan struktur rantai terbuka ke dalam struktur cincin

paling baik dilakukan dalam prosedurdalam step-by-step. D-Glukosa digunakan Haworth paling baik dilakukan prosedur step-by-step. D-Glukosa Penerjemahan struktur rantai terbuka ke dalam struktur cincin Haworth

digunakan dalam contoh dalam contoh berikut: paling baik dilakukan dalamberikut: prosedur step-by-step. 1. Tulis struktur rantai terbuka. 1. Tulis struktur terbuka. dalam contohrantai berikut: 1. Tulis struktur rantai terbuka.

D-Glukosa digunakan

CHO CHO

H

H

HO

HO

OH H

OH H

H

H

OHOH

H

H

OHOH

CH2CH OH 2OH 2. Putar struktur searah jarum jam pada sisinya dan bengkokkan melingkar 2. Putar searah jarum pada sisinya bengkokkan melingkar 2. struktur Putar struktur searahjam jarum jam pada dan sisinya dan bengkokkan hampir membentuk cincin.

melingkar hampir hampir membentuk cincin.membentuk cincin. H

H

5

H 5

CH2OH

OH2OH CH

O

CH2OH 2. Putar struktur searah jarum jam pada sisinya dan bengkokkan melingkar Bab I Karbohidrat

15

hampir membentuk cincin. H 5

H 4

CH2OH

O

OH OH

H

H

OH

H

HO Karbohidrat

Karbohidrat

3. Putar ikatan C-4–C-5 untuk membawa hidroksil pada C-5 3. Putar ikatan C-4–C-5 untuk membawa hidroksil pada C-5 mendekati mendekati karbonil. 3. Putargugus ikatan C-4–C-5 untuk membawa hidroksil pada C-5 mendekati gugus karbonil.

gugus karbonil.

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul CH2OH 5

H

H

4

5

OH

H H OH OH

4

14

CH2OH OH

O H H

O

HH

HO HO H H

OHOH

4. Bentuk hemiasetal dengan pengikatan hidroksil pada C-5 dengan 4. Bentuk hemiasetal dengan pengikatan hidroksil pada 4. Bentuk hemiasetal dengan pengikatan hidroksil padaC-5 C-5dengan dengangugus gugus gugus karbonil. karbonil. karbonil. CH2CH OH2OH H

5

H

5

O O H H

H H OH OHH H HO HO OHOH H

H

OH

OH

CHCH 2OH 2OH 5

H H

5

O O OH OH

HH OHOH H H HOHO HH H

H

OH

OH

Penerjemahan struktur rantai terbuka ke dalam struktur bentuk tertutup juga

Penerjemahan struktur rantai terbuka ke dalam struktur bentuk tertutup juga dilakukan pada prosedur sebagai berikut:

dilakukan pada prosedur sebagai berikut:

Penerjemahan struktur rantai terbuka ke dalam struktur bentuk tertutup juga dilakukan pada prosedur sebagai berikut:

-D-Glukosa

-D-Glukosa

D-Glukosa

HO

OH H

16

HO

OH

H H

OH

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

Penerjemahan struktur rantai terbuka ke dalam struktur bentuk tertutup juga dilakukan pada prosedur sebagai berikut:

-D-Glukosa

Karbohidrat

D-Glukosa (bentuk rantai terbuka)

Karbohidrat

-D-Glukosa Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

D-(+)-Glukosa

D-(+)-Glukosa

D-(+)-Glukosa

D-(+)-Glukosa

bentuk terbuka bentuk terbuka

15

bentuk intermediet bentuk intermediet

bentuk siklik bentuk siklik

Adalah normal untuk menulis struktur cincin gula dengan menghilangkan atom Adalah normal untuk cincin gula dengan menghilangkan atom H yang menempel padamenulis karbon,struktur misalnya -D-glukosa ditulis sebagai:

bentuk terbuka

bentuk intermediet

Bab I Karbohidrat

bentuk siklik

17

Adalah normal untuk menulis struktur cincin gula dengan menghilangkan atom

Adalah normal untuk menulis struktur cincin gula dengan H yang menempel pada karbon, misalnya -D-glukosa ditulis sebagai: menghilangkan atom H yang menempel pada karbon, misalnya b-Dglukosa ditulis sebagai: CH2OH

O

HO

OH

OH OH

Penyebutan a atau b pada anomer tergantung pada konfigurasi karbon anomerik relatif terhadap konfigurasi atom kiral yang Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul menentukan apakah monosakarida tersebut termasuk kelompok L atau D (dalam glukosa yakni C-5). Jika dalam rumus proyeksi Fischer gugus hidroksil pada karbon ini berorientasi cis, maka anomer tersebut disebut a. Sedangkan jika gugus hidroksil tersebut trans, maka anomer disebut b. Perbandingan struktur dalam langkah (2) contoh soal di atas dengan langkah (4) menunjukkan bahwa gugus hidroksil pada C-5 berada di bawah bidang datar cincin sebelum cincin tertutup. Karena itu, anomer dengan hidroksil anomerik yang berada di bawah bidang datar cincin disebut a. Meskipun bentuk rantai terbuka glukosa mempunyai empat pusat kiral, namun pembentukan cincin menciptakan pusat kiral yang kelima. Hal ini menyebabkan kedua anomer berbeda dalam rotasi optik. Ketika 25 a-D-glukosa padat dilarutkan dalam air, [α ]D yakni +1120. Ketika b25 D-glukosa padat dilarutkan dalam air, [α ]D yakni +190. Rotasi optik larutan a- dan b-D-glukosa padat yang baru dibuat berubah seiring dengan waktu, peristiwa ini disebut mutarotasi. Perubahan dalam rotasi optik berarti perubahan dalam struktur. Ketika a-D-glukosa dilarutkan dalam air, anomer a-D merupakan satu-satunya struktur yang ada pada saat pelarutan. Pembukaan cincin merupakan reaksi yang lambat, tetapi karena reaksi tersebut reversibel, maka anomer b-D akan muncul bersama dengan bentuk rantai terbuka. Akhirnya, suatu kesetimbangan antara bentuk rantai terbuka

16

reversibel, maka anomer terbuka.

-D akan muncul bersama dengan bentuk rantai

Akhirnya, suatu kesetimbangan antara bentuk terbuka dan 18 Biokimia: Struktur dan Fungsirantai Biomolekul

+520. Untuk alasan ini, struktur di bawah [α ] +520. Untuk alasan ini, struktur keduamenggambarkan anomer dicapai pada digunakandan untuk keadaan glukosa dalam larutan, dan juga di bawah digunakan untuk menggambarkan keadaan glukosa dalam ketika konfigurasi karbon anomerik tidak karbon diketahui. larutan, dan juga ketika konfigurasi anomerik tidak diketahui. 25 D

kedua anomer dicapai pada

25 D

CH2OH O

HO

H, OH

OH OH

Karbohidrat

Selain terbentuk struktur anomerik D-glukosa lingkar enam, bisa juga terbentuk anomerik lingkar lima. lingkar Lingkar lima ketika Selain terbentuk struktur anomerik D-glukosa enam, bisaterjadi juga terbentuk yang bereaksi adalah C-4 dengan karbonil pada anomerik lingkar lima. gugus Lingkarhidroksil lima terjadi ketika yang gugus bereaksi adalah gugus Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul aldehid. hidroksil C-4 dengan gugus karbonil pada aldehid. HO

C

H

H

H

C

OH

HO

C

H

H

C

H

C

O

1

O

H

2

OH

HO

3

H

H

4

H

5

C

6

CH2OH

OH

CH2OH

C C C C

H

C

OH

H

C

OH

HO

C

H

OH

H

C

OH

H

C

O

OH

CH2OH

anomer

anomer

Bentuk rantai terbuka glukosa diterjemahkan ke dalam rumus proyeksi Haworth

Bentuk rantai terbuka glukosa diterjemahkan ke dalam rumus proyeksi untuk cincin lingkar lima sebagai berikut, bersama dengan simbol dan yang Haworth untuk cincin lingkar lima sebagai berikut, bersama dengan sesuai a untuk tersebut. simbol danrumus-rumus b yang sesuai untuk rumus-rumus tersebut. CH2OH HO

H O

CH2OH HO

H O OH

17

Bentuk rantai terbuka glukosa diterjemahkan ke dalam rumus proyeksi Haworth terbuka ke dalam rumus simbol proyeksi Haworth untukBentuk cincinrantai lingkar limaglukosa sebagaiditerjemahkan berikut, bersama dengan dan yang untuk cincin lingkar lima sebagai berikut, bersama dengan simbol sesuai untuk rumus-rumus tersebut. Bab I Karbohidrat

dan

yang 19

sesuai untuk rumus-rumus tersebut.

CH2OH HOHO

CH2OH

CH2OH

H OOH

CH2OH

HO

H

HO

H O OOHOH

OH OH OH OH

OH OH

OH OH

OHOH

Cincin lingkar enam disebut piran, sedangkan cincin lingkar lima disebut furan.

Cincinenam lingkar enam piran, disebut piran, sedangkan cincinlima lingkar limafuran. Cincin lingkar disebut sedangkan cincin lingkar disebut disebut furan.

O

O

O Piran

Piran

O Karbohidrat

Furan

Furan

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul -D-Glukopiranosa -D-Glukopiranosa

18

Piran

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

-D-Fruktofuranosa

18

-D-Fruktofuranosa

Furan

Karena lingkar enam disebut glukopiranosa, dan Karenaitu, itu, glukosa glukosa lingkar enam disebut glukopiranosa, dan glukosa glukosa lingkar lima disebut glukofuranosa. Biasanya furanosa kurang lingkar lima disebut glukofuranosa. Biasanya furanosa kurang stabil karena stabil karena besarnya halangan sterik antara gugus H, hidroksil, besarnya halangan sterik antara gugus H, hidroksil, dan hidroksimetil pada dan hidroksimetil pada karbon-karbon yang berbeda. Dalam larutan karbon-karbon yang berbeda. Dalam larutan glukosa, hanya sedikit sekali

dan -glukofuranosa yang terdapat dalam kesetimbangan campuran tersebut.

-

besarnya halangan sterik antara gugus H, hidroksil, dan hidroksimetil pada karbon-karbon yang berbeda. Dalam larutan glukosa, hanya sedikit sekali 20

-

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

dan -glukofuranosa yang terdapat dalam kesetimbangan campuran tersebut.

glukosa, hanya sedikit sekali a- dan b-glukofuranosa yang terdapat dalam kesetimbangan campuran tersebut. 6. KONFORMASI GLUKOSA Haworth untuk anomer 6.Struktur KONFORMASI GLUKOSA

D-glukopiranosa dapat diubah sedikit

untuk menunjukkan bentukuntuk asli molekul. Atom-atom karbon dalam molekul ini Struktur Haworth anomer D-glukopiranosa dapat diubah 0 sedikitsudut untuk menunjukkan bentuk asli molekul. Atom-atom karbon membentuk 109 di tiap atom. Tekukan ini membuat molekul lebih stabil.

dalam molekul ini membentuk sudut 1090 di tiap atom. Tekukan 0 yaitu kursi dan Dengan sudut 109 , terdapat dua kemungkinan konformasi, ini membuat molekul lebih stabil. Dengan sudut 1090, terdapat dua perahu:kemungkinan konformasi, yaitu kursi dan perahu:

Kursi

Perahu

Gugus-gugus yang terikat pada atom karbon bisa Karbohidrat berada pada posisi ekuatorial atau posisi aksial. Posisi ekuatorial yakni jika gugus Gugus-gugus yang terikat pada atom karbon bisa beradaaksial pada posisi tersebut berada pada bidang datar, sedangkan bilaekuatorial tegak lurus atau posisi aksial. Posisi ekuatorial yakni jika gugus tersebut berada pada terhadap bidang. bidang datar, sedangkan aksial bila tegak lurus terhadap bidang. a

a

e

e

e

e

e

e a a

e

a

a

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul a

e e

e

e a

a a

Dua kemungkinan bentuk kursi

19

e

a

a

Konformasi -D-glukopiranosa

Konformer yang paling stabil adalah konformer kursi. Pada Konformer yang paling stabil adalah konformer kursi. Pada sikloheksana, sikloheksana, energi perahu antaradengan konformer dengan perbedaan perbedaan energi antara konformer konformer perahu kursi adalah sekitar 25 kJmol-1 yang berarti hanya terdapat 1 konformasi perahu dari 1000 molekul pada 250C. Monosakarida memiliki gugus hidroksil dan hidroksimetil pada atom-

Konformer yang paling stabil adalah konformer kursi.

Pada sikloheksana,

perbedaan energi antara konformer perahu dengan konformer kursi adalah Bab I Karbohidrat

sekitar 25 kJmol

-1

21

yang berarti hanya terdapat 1 konformasi perahu dari 1000

molekulkonformer pada 250C. kursi adalah sekitar 25 kJmol-1 yang berarti hanya terdapat 1Monosakarida konformasi perahu dari 1000 molekul pada dan 250C.hidroksimetil pada atommemiliki gugus hidroksil

Monosakarida memiliki gugus hidroksil dan hidroksimetil pada atom-atom karbon cincin. Hal ini menyebabkan gugus-gugus ini pada posisi ekuatorial. Padaposisi posisi aksial gugus-gugus ini akan mengganggu cenderung berada pada ekuatorial. Pada posisi aksial gugus-gugus ini cincin akan mengganggu kestabilan cincin karena kestabilan karena besarnya halangan sterik.besarnya halangan sterik. atom karbon cincin. Hal ini menyebabkan gugus-gugus ini cenderung berada

CH2OH HO HO

O

CH2OH OH O

OH

OH

OH

OH

lebih stabil

OH

Karbohidrat

7. MONOSAKARIDA SELAIN GLUKOSA

7. MONOSAKARIDA SELAIN GLUKOSA

Terdapat dua aldoheksosa merupakan isomer dari glukosa,yakni yakni Terdapat dua aldoheksosa yang yang merupakan isomer dari glukosa, manosa manosadan dangalaktosa: galaktosa: CHO

Biokimia: Struktur dan Fungsi HO Biomolekul H HO

CHO H

OH

H

HO

H

H

OH

HO

H

H

OH

H

CH2OH D-Manosa

OH CH2OH

D-Galaktosa

Berikut struktur rantai tertutup dan Berikut digambarkan digambarkan struktur rantai tertutup Glukosa Glukosa dan galaktosa galaktosa yanghanya dibedakan hanya berdasarkan orientasi yang dibedakan berdasarkan orientasi satu gugus hidroksil satu (-OH),gugus pada hidroksil (-OH), pada C4. C4.

20

Berikut digambarkan digambarkan struktur Berikut struktur rantai rantai tertutup tertutup Glukosa Glukosadan dangalaktosa galaktosa yang dibedakan hanya berdasarkan orientasi satu gugus hidroksil (-OH), pada yang dibedakan hanya berdasarkan orientasi satu gugus hidroksil (-OH), pada C4. 22 Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul C4.

-D-Galaktosa -D-Galaktosa

-D-Glukosa -D-Glukosa

D-Manosa mudah diterjemahkan dalam D-Manosadan dan D-galaktosa D-galaktosa mudah diterjemahkan ke dalamkestruktur D-Manosa D-galaktosa mudah dalam struktur struktur Haworth. Berikut ini anomer diperlihatkan anomer akedari kedua gula Haworth. Berikut inidan diperlihatkan dariditerjemahkan kedua gula tersebut. tersebut. Haworth. Berikut ini diperlihatkan anomer dari kedua gula tersebut. CH2OH

CH2OH

O CH2OH HO

HO

OH

OH

HO

O OH OH OH OH

O CH2OH

HO OH OH

-D-Manopiranosa

O OH OH OH

-D-Galaktopiranosa

OH

Karbohidrat

-D-Manopiranosa -D-Galaktopiranosa Keduanya merupakan epimer dari glukosa, yakni dengan meng­ Biokimia: karbon Struktur dananomerik, Fungsi Biomolekul 21 abaikan keduanya berbeda dari glukosa dalam Keduanya merupakan epimer dari glukosa, yakni dengan mengabaikan konfigurasi hanya satu atom karbon, manosa pada C-2,hanya galaktosa pada karbon anomerik, keduanya berbeda dari glukosa dalam konfigurasi satu Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul 21 C-4. atom karbon, manosa pada C-2, galaktosa pada C-4. Fruktosa merupakan suatu ketoheksosa,dengan dengan struktur rantairantai bentuk bentuk Fruktosa merupakan suatu ketoheksosa, struktur dan bentuksilklik silklik sebagai berikut, terbukaterbuka dan bentuk sebagai berikut,

D-Fruktosa

-D-fruktosa

-D-fruktosa

Aldopentosa yang paling umum dikenal adalah D-ribosa, yakni gula yang ada dalam RNA:

CHO H

OH

-D-fruktosa

-D-fruktosa

D-Fruktosa

Bab I Karbohidrat 23 Aldopentosa yang paling umum dikenal adalah D-ribosa, -D-fruktosa yakni gula yang -D-fruktosa D-Fruktosa

ada dalam RNA:

Aldopentosa yang paling umum dikenal adalah D-ribosa, yakni gula yang

Aldopentosa yang paling umum dikenal adalah D-ribosa, yakni ada dalam RNA: CHO gula yang ada dalam RNA: H CHO

OH

H

OH

H

OH

H

OH

H H

OH OH

2OH CHCH 2OH

D-Ribosa D-Ribosa

Struktur Haworth cincincincin lima danlima enam untuk D-ribosa yakni (hanya Struktur Haworth dan cincin enamD-ribosa untuk D-ribosa Struktur Haworth cincin lima dancincin cincin enam untuk yakni (hanya

anomer diperlihatkan): yakni (hanya yang anomer b yang diperlihatkan): anomer yang diperlihatkan):

O

O OH OH

HOH2C

HOH2C

O

HO

HO

OH

OH

-D-Ribopiranosa

OH

OH

-D-Ribopiranosa Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

OH

O

OH

OH

OH

-D-Ribofuranosa

OH

OH

-D-Ribofuranosa 22

Dalam bentuk kristal hanya terdapat b-D-piranosa, tetapi dalam larutan akan terbentuk juga anomer a dan b dari D-ribosa, baik Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul piranosa maupun furanosa. Sudut pentagon umum yakni 1080, sangat mendekati sudut tetrahedral, menunjukkan bahwa bentuk cincin furanosa mendekati planar. Beberapa gula yang memiliki cincin furanosa tidak bisa memiliki struktur planar karena halangan sterik antara substituen pada cincin. Dalam b-D-ribofuranosa, perhatikan bahwa gugus hidroksil dan atom H yang terikat pada atom karbon pada ikatan C-2–C3 adalah eclipsed. Tolakan antara gugus-gugus eclipsed dihindari dengan memilin cincin keluar bidang datar, yakni dengan menaikkan C-3 ke atas bidang datar dan menurunkan C-2 ke bawah bidang datar. Konformer ini dikenal sebagai T23(T untuk twist, dengan C-3 dinaikkan dan C-2 diturunkan). Alternatif lain untuk menghindari

22

antara gugus-gugus eclipsed dihindari dengan memilin cincin keluar bidang antara gugus-gugus eclipsed dihindari dengan memilin cincin keluar bidang datar, yakni dengan menaikkan atas bidang datar menurunkan datar, yakni dengan menaikkan C-3C-3 ke ke atas bidang datar dandan menurunkan C-2C-2 3 24 ke Struktur dan Biomolekul bawah bidang datar.Konformer Konformer ini dikenal sebagai T2(T (T untuk twist ke bawah bidang datar. iniBiokimia: dikenal sebagai T23 Fungsi untuk twist , ,

dengan dinaikkan diturunkan).Alternatif Alternatif untuk menghindari dengan C-3C-3 dinaikkan dandan C-2C-2 diturunkan). lainlain untuk menghindari halangan sterik yakni dengan menaikkan atau menurunkan keluar bidang halangan sterik yakni dengan menaikkan atau menurunkan C-3C-3 keluar bidang halangan sterik yakni dengan menaikkan atau menurunkan C-3 keluar

envelope datar dan membentuk konformer E (untuk bidang datar dan membentuk E (untuk envelope ). ). envelope). datar dan membentuk konformer Ekonformer (untuk O O

2OH CHCH 2OH

HOH C HOH 2C 2 HOHO

OHOH

OHOH OHOH 3 T 3 T2

O O HOHO

HOHO 3 E3 E

2

Gula yang tereduksi akan membentuk gula deoksi , dengan satu gugus hidroksil Gula yang tereduksi akan membentuk gula deoksi , dengan satu gugus hidroksil Gula yang tereduksi akan membentuk gula deoksi, dengan satu 2tergantikan oleh atom hidrogen.Gula Gula deoksi yang paling banyak adalah tergantikan oleh atom hidrogen. deoksi yang paling banyak adalah 2-

gugus hidroksil tergantikan oleh atom hidrogen. Gula deoksi yang D-ribosa yang dalam DNA: deoksiD-ribosa yang adaada dalam DNA: deoksipaling banyak adalah 2-deoksi-D-ribosa yang ada dalam DNA: CHO CHO

HH

HH

HH

OHOH

HH

OHOH 2OH CHCH 2OH

Karbohidrat

2-Deoksi-D-Ribosa 2-Deoksi-D-Ribosa

Gula deoksi lainnya yang juga banyak ditemukan adalah L-fukosa dalam Gula deoksi lainnya yang juga banyak ditemukan adalah L-fukosa

dalam binatang, dan L-ramnosa dalam tumbuhan dalam tumbuhan dan bakteri. dan bakteri. binatang, dan L-ramnosa Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

CHO

CHO

H

H

OH

H

OH

H

OH

H

OH

HO

H

H

HO

H

HO

HO CH3

L-Fukosa

23

23

CH3 L-Ramnosa

Jenis gula tereduksi lainnya adalah alditol, di mana gugus aldehid pada suatu aldosa telah tereduksi. Misalnya, alditol yang dihasilkan dari D-glukosa diberi nama D-glusitol (sorbitol).

H HO Bab I Karbohidrat

HO HO HO

OH HO

H CH3

H

CH3

L-Fukosa

H H CH3 CH3

H

L-Ramnosa

L-Fukosa

25

L-Ramnosa

gula tereduksi lainnya adalahalditol, alditol, di pada Jenis Jenis gula tereduksi lainnya adalah di mana managugus gugusaldehid aldehid Jenis gula tereduksi lainnya adalah alditol, di mana gugus aldehid pada D-glukosa suatu aldosa telah telah tereduksi. Misalnya, alditol yang dihasilkan pada suatu aldosa tereduksi. Misalnya, alditol yang dari dihasilkan suatu aldosa telah tereduksi. Misalnya, alditol yang dihasilkan dari D-glukosa (sorbitol). diberi nama D-glusitol dari D-glukosa diberi nama D-glusitol (sorbitol).

diberi nama D-glusitol (sorbitol).

CH2OH

CH2OH

H

H

OH

OH H

HO

HO H

H OH

H H

OHOH

H

OH CH 2OH D-Glusitol CH 2OH

D-Glusitol Bila gugus hidroksimetil pada aldosa dioksidasi menjadi asam karboksilat, maka

Bila gugus pada aldosa menjadimolekul asamini uronat .dioksidasi Padaasam pH fisiologis, molekul yanghidroksimetil dihasilkan Bila gugus hidroksimetil padadisebut aldosa asam dioksidasi menjadi karboksilat, maka karboksilat, maka molekul yang dihasilkan disebut asam uronat. terdapat dalam bentuk garam yang dinamakan uronat. uronat. Pada fisiologis, molekul molekul yangfisiologis, dihasilkan molekul disebut asam Pada pH ini terdapat dalampHbentuk garam yangini terdapat dalam uronat. bentuk garam yang dinamakan dinamakan - uronat.

COO O

COOO OH HO HO

OH

OH OH OH

-D-Glukuronat

OH

-D-Glukuronat Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

24

Asam aldonat diturunkan dengan mengoksidasi gugus aldehid pada aldosa menjadi gugus asam karboksilat. Pada pH fisiologis, molekul24 ini terdapat dalam bentuk garam aldonat. Jika asam aldonat memiliki lima atau lebih atom karbon, maka secara spontan terbentuk d-lakton sebagai hasil reaksi gugus hidroksil pada C-5. Misalnya, glukosa dapat teroksidasi menjadi asam glukonat, yang berada dalam kesetimbangan dengan asam rantai terbuka dan glukonolakton.

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

dalam bentuk garam aldonat. Jika asam aldonat memiliki lima atau lebih atom karbon, maka secara spontan terbentuk

26

-lakton sebagai hasil reaksi gugus

hidroksil pada C-5. Misalnya, glukosa dapat teroksidasi menjadi asam glukonat,

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

yang berada dalam kesetimbangan dengan asam rantai terbuka dan glukonolakton.

COH H

OH

HO

H

H

OH

H

OH

Kimia (+O)

CH2OH OH H H COOH OH H HO H

CH2OH

CH2OH O OH HO

OH

OH +H2O

-H2O

CH2OH O

Enzimatik (-2H)

Asam D-glukonat (C6H12O7)

HO

O

OH

D-Glukonolakton (C6H10O6)

OH

OH

Gula amino merupakan molekul yang terbentuk ketika gugus Gula amino merupakan molekul yang terbentuk ketika gugus hidroksil pada gula hidroksil pada gula diganti dengan gugus amino. Gula amino ini diganti dengan gugus amino. Gula amino ini tersebar luas secara alami, yang tersebar luas secara alami, yang paling banyak adalah D-glukosamin, paling banyak adalah D-glukosamin, D-galaktosamin, dan asam neuraminat. D-galaktosamin, dan asam neuraminat. Gugus amino dalam senyawaGugus amino dalam senyawa-senyawa tersebut biasanya terasetilasi: Karbohidrat senyawa tersebut biasanya terasetilasi: COOH CO CH2OH O H,OH

HO

CH2OH O

OH OH Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul HO

NHCOCH3 N-Asetil-D-glukosamin

H,OH NHCOCH3

N-Asetil-D-galaktosamin

H

H

H

OH

H3COCHN

H

HO

H

H

OH

H

OH

25

CH2OH Asam N-Asetilneuraminat (asam sialat)

Di alam, banyak monosakarida maupun turunannya yang berada dalam bentuk ester, yakni satu atau lebih gugus hidroksilnya telah tersubstitusi oleh gugus fosfat atau sulfat. Ester fosfat biasa ditemukan sebagai komponen metabolisme di dalam sel, sedangkan ester sulfat ditemukan pada oligosakarida dan

(asam sialat)

Di alam, monosakarida maupun turunannya yang berada dalam Babbanyak I Karbohidrat 27 bentuk ester, yakni satu atau lebih gugus hidroksilnya telah tersubstitusi oleh gugus fosfat atau Di sulfat. fosfat biasa ditemukan sebagai komponen metabolisme alam,Ester banyak monosakarida maupun turunannya yang berada

dalamsel, bentuk ester, yakni atau ditemukan lebih gugus pada hidroksilnya telah dan di dalam sedangkan estersatu sulfat oligosakarida tersubstitusi oleh gugus fosfat atau sulfat. Ester fosfat biasa ditemukan sebagai komponen metabolisme di dalam sel, sedangkan ester sulfat ditemukan pada oligosakarida dan polisakarida di luar sel.

polisakarida di luar sel.

8. IKATAN GLIKOSIDA

8.Monosakarida IKATAN GLIKOSIDA dalam

bentuk lingkar memiliki karbon pereduksi yang

dalam bentuk memiliki disebutMonosakarida karbon anomerik. Guguslingkar hidroksil pada karbon karbon pereduksi anomerikyang jauh lebih disebut karbon anomerik. Gugus hidroksil pada karbon anomerik jauh

reaktif lebih daripada alkohol primer atauprimer sekunder Reaktivitas ini dipengaruhi reaktif daripada alkohol ataubiasa. sekunder biasa. Reaktivitas tarikanini elektron oleh atom oksigen pada dipengaruhi tarikan elektron olehcincin. atom oksigen pada cincin.

O

H C OH

Gugus hidroksil anomerik sangat mudah bereaksi dengan alkohol atauanomerik amina (NH ). Proses ini bereaksi dikenal sebagai glikosilasi, Gugus(OH) hidroksil sangat mudah dengan alkohol dan (OH) atau 2 produknya disebut O-glikosida (reaksi dengan alkohol) dan N-glikosida Karbohidrat amina (NH2). Proses ini dikenal sebagai glikosilasi, dan produknya disebut O(reaksi dengan amina). glikosida (reaksi dengan alkohol) dan N-glikosida (reaksi dengan amina). O OR

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul ROH

O

OH

O-Glikosida

26

H2O

RNH2

Suatu monosakarida

H2O

O NHR

N-Glikosida

Gugus R dalam kedua glikosida di atas dinamakan aglikon. Cincin molekul glikosida tak dapat membuka untuk membentuk struktur rantai lurus. Karena itu, glikosida tidak memiliki sifat pereduksi. Nama lain dari

monosakarida

O

H2O 28

N-Glikosida

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul NHR

aglikonaglikon. . Gugus RRdalam glikosida di atas dinamakan Gugus dalamkedua kedua glikosida di atas dinamakan Cincin takdapat dapat membuka untuk membentuk Cincinmolekul molekul glikosida glikosida tak membuka untuk membentuk struktur struktur lurus. Karenatidak itu, glikosida tidak memiliki rantai lurus.rantai Karena itu, glikosida memiliki sifat pereduksi. Nama lainsifat dari pereduksi. Nama lain dari glikosida adalah asetal. glikosida adalah asetal.

O

R

+ R'OH

C H

OH

R C H

R

+ R''OH

C

OR'

H

OR'

Asetal (glikosida)

Hemiasetal (bentuk cincin)

Aldehid (monosakarida rantai terbuka)

OR''

Istilah glikosida adalah nama generik, glikosida yang berasal dari glukosa, fruktosa, dan ribosa dikenal sebagai glukosida, fruktosida, fruktosa, dan dikenal Akhiran sebagai –osida glukosida, fruktosida, dan ribosida, dan ribosa sebagainya. diberikan padaribosida, glikosida. sebagainya.juga Akhiran –osida diberikan glikosida. Glikosida juga bisa Glikosida bisa memiliki cincinpada lingkar lima atau lingkar enam Karbohidrat yang dikenal furanosida atauenam piranosida. memiliki cincin sebagai lingkar lima atau lingkar yang dikenal sebagai furanosida

Istilah glikosida adalah nama generik, glikosida yang berasal dari glukosa,

atau piranosida.

CH2OH

CH2OH

O

HO

OH

HO OCH3

H O OCH3 OH OH

OH -D-Metilglukopiranosida

-D-Metilglukofuranosida

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul Karena cincin glikosida tidak

27 membuka, Karena cincin glikosida tidak dapatdapat membuka, strukturstruktur tersebut tersebut tidak

tidak menunjukkan mutarotasi pada putaran optik. menunjukkan mutarotasi pada putaran optik. Jika Jika kitakitamengambarkan struktur b-D-metilfruktofuranosida, mengambarkan struktur -D-metilfruktofuranosida, maka maka langkah-langkah yang harus dilakukan adalah: langkah-langkah yang harus dilakukan adalah: 1. Tulislah struktur untuk D-fruktosa. 1. Tulislah struktur untuk D-fruktosa. 2. Ubah menjadi bentuk cincin Haworth lingkar lima. 2. Ubah menjadi bentuk cincin Haworth lingkar lima. 3. Ambil anomer b dan substitusi hidroksil anomerik dengan gugus 3. Ambil anomer dan substitusi hidroksil anomerik dengan gugus metil. metil. CH2OH CO

CH OH

CH2OH

langkah-langkah yang harus dilakukan adalah: 1. Tulislah struktur untuk D-fruktosa. Ubah menjadi bentuk cincin Haworth lingkar lima. Bab I 2.Karbohidrat 3. Ambil anomer

29

dan substitusi hidroksil anomerik dengan gugus metil.

CH2OH CO HO

H

H

OH

H

OH

CH2OH O HO

OH, CH2OH

CH2OH O OCH3 HO CH2OH OH

OH

CH2OH (1)

(2)

(3) -D-Metilfruktofuranosida

Ikatanglikosida glikosida banyak dalam senyawa-senyawa biologis. Ikatan banyakditemukan ditemukan dalam senyawa-senyawa Bila aglikon merupakan suatu monosakarida, maka ikatan glikosida yang biologis. Bilajuga aglikon juga merupakan suatu monosakarida, maka ikatan terjadi akan membentuk yang dinamakansenyawa disakarida.yang Ikatan glikosida glikosida yang terjadisenyawa akan membentuk dinamakan disakarida. Ikatandengan glikosida yang terbentuk yang terbentuk monosakarida berikutnyadengan akan monosakarida menghasilkan berikutnya akan menghasilkan trisakarida; seterusnya. trisakarida; demikian seterusnya. Sejumlah besardemikian monosakarida yang Sejumlah monosakarida yang terhubung terhubung besar oleh ikatan glikosida dinamakan polisakarida. oleh ikatan glikosida dinamakan polisakarida. Unit-unit monosakarida dalam oligosakarida atau polisakarida diberi nama dengan menambahkan akhiran –osil. Misalnya, trisakarida yang dibentuk dari tiga molekul glukosa dinamakan Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul 28 glukosilglukosilglukosa. Agar tidak terlalu panjang, nama tiap unit monosakarida dapat disingkat, misalnya: Glc (glukosil), Gal (galaktosil), Fru (fruktosil), GlcN (glukosaminil), GlcNAc (N-asetilglukosaminil), GlcA (glukuronil), NeuNAc (N-asetilneuraminil). Istilah glikan adalah nama alternatif untuk polisakarida. Misalnya, glukan merupakan poliner dari glukosa; xilan merupakan polimer dari xilosa; dan glukomanan adalah polimer dari glukosa dan manosa. Di bawah ini adalah contoh struktur dua molekul disakarida, yang masing-masing dibentuk dari dua monomer glukosa.

glukan merupakan poliner dari glukosa; xilan merupakan polimer dari xilosa; dan glukomanan adalah polimer dari glukosa dan manosa. Di bawah ini adalah contoh struktur dua molekul disakarida, yang masing30 Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul masing dibentuk dari dua monomer glukosa.

HO

HO

CH2OH O

CH2OH O

OH

OH

O

H,OH

OH

OH

CH2OH O

CH2OH O O

OH OH

H,OH

OH

Maltosa -Glc-(1 4)-Glc

Selobiosa -Glc-(1 4)-Glc Karbohidrat

OH

Maltosa (terhubung melalui ikatan glikosidik 1 4)

Selobiosa (terhubung melalui ikatan glikosidik 1 4)

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

29

Maltosa adalah gula pereduksi. Meskipun merupakan glikosida, Maltosa gula pereduksi. Meskipun merupakan unit glukosa keduaadalah memiliki atom karbon anomerik dan glikosida, cincinnyaunit keduauntuk memiliki atom karbonaldehid. anomerikUntuk dan cincinnya bisa membuka bisaglukosa membuka membentuk alasan yang sama, larutan menunjukkan untukmaltosa membentuk aldehid. mutarotasi. Untuk alasan yang sama, larutan maltosa menunjukkan mutarotasi.

Maltosa adalah gula pereduksi. Meskipun merupakan glikosida, unit kedua memiliki atom karbon anomerik dan cincinnya bisa membuka Bab I glukosa Karbohidrat untuk membentuk aldehid.

Untuk alasan yang sama, larutan maltosa

31

menunjukkan mutarotasi.

-D-glukosa

-D-glukosa

Ikatan glikosidik -1,4

Maltosa [ -D-glukopiranosil)-(1 4)-D-glukopiranosa] Karbohidrat

Sukrosa tidak sifat pereduksi. Sukrosa atau gula30 tebu Biokimia: Struktur danmemiliki Fungsi Biomolekul adalah disakarida dengansifathidroksil anomerik a-D-glukosa Sukrosa tidak memiliki pereduksi. Sukrosa atau guladari tebu adalah dikondensasikan dengan hidroksil dari b-D-fruktosa. -D-glukosa dikondensasikan dengan Karena disakarida dengan hidroksil anomerik dari anomerik itu keduanya adalahdaria-glukosida dan b-fruktosida. Tidak ada unit yang -D-fruktosa. Karena itu keduanya adalah -glukosida hidroksil anomerik memiliki hidroksilTidak anomerik danmemiliki tidakhidroksil ada cincin dapat ada unit yang anomerikyang dan tidak ada terbuka dan -fruktosida. yang dapat terbuka untuk membentuk aldehid. untukcincin membentuk aldehid.

Ikatan ( 1

-glukosa

-fruktosa Sukrosa [ -D-fruktofuranosil -D-glukopiranosa

CH2OH O

2)

-fruktosa

32

Struktur dan Fungsi Biomolekul Sukrosa [ -D-fruktofuranosilBiokimia: -D-glukopiranosa

CH2OH O HO

OH HO

O

CH2OH O HO CH2OH

Karbohidrat

OH

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

31

-D-Galaktosa

-D-Galaktosa dari

Ikatan glikosidik -1-4

Laktosa [ -D-galaktopiranosil-(1

4)- -D-Glukopiranosa]

Nama sistematik untuk sukrosa yakni a-D-glukosil-(1 → 2)-b-DNama sistematik untuk sukrosa yakni → -D-glukosil-(1 2)- -D-fruktosida ( -Dfruktosida (a-D-glukopiranosil-(1 2)-b-D-fruktofuranosida) atau glukopiranosil-(1 2)- -D-fruktofuranosida)(b-D-fruktofuranosil-(2 atau -D-fruktosil-(2 1)- -D- → 1)b-D-fruktosil-(2 → 1)-a-D-glukosida 1)- -D-glukopiranosida). Dalam bentuk glukosida ( -D-fruktofuranosil-(2 a-D-glukopiranosida). Dalam bentuk singkatan, namanya yakni a-Fru dan -Fru-(2 1)- -Glc. namanya yakni -Glc-(1 Glc-(1 →singkatan, 2)-b-Fru dan b-Fru-(2→2)-1)-a-Glc. 9. POLISAKARIDA

9. POLISAKARIDA Polisakarida memiliki fungsi utama sebagai pembentuk struktur atau untuk memiliki penyimpanan fungsi energi. Tepung glikogen merupakan polimerstruktur glukosa Polisakarida utamadansebagai pembentuk atau yang berfungsi sebagai penyimpan gula di dalam tumbuhan dan hewan. untuk penyimpanan energi. Tepung dan glikogen merupakan polimer Tepung terdapat sebagai amilosa dan amilopektin.

Amilosa adalah suatu

polimer linear dari -D-glukosa yang terhubung oleh ikatan (1 amilopektin memiliki cabang yang terbentuk oleh ikatan

4). Sedangkan

(1 6), selain rantai

Bab I Karbohidrat

33

glukosa yang berfungsi sebagai penyimpan gula di dalam tumbuhan dan hewan. Tepung terdapat sebagai amilosa dan amilopektin. Amilosa adalah suatu polimer linear dari a-D-glukosa yang terhubung oleh ikatan a(1→4). Sedangkan amilopektin memiliki cabang yang terbentuk oleh ikatan a(1→6), selain rantai linear yang terbentuk oleh ikatan a(1→4). Karbohidrat

Ikatan

(1

4)

Struktur amilosa

Struktur 3-D amilosa

Glikogen juga merupakan polimer bercabang, dengan jumlah percabangan lebih banyak daripada amilopektin.

Karbohidrat

34

Glikogen

juga

merupakan

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

polimer

bercabang,

dengan

jumlah

percabangan lebih banyak daripada amilopektin. Ikatan (1

6)

Ikatan (1

4)

Polimer lainnya adalah merupakan bahan Contohglukosa struktur glikogen dan amilopektin yangselulosa, terikat melalui yang ikatan (1 4) dengan melalui ikatan (1 6) cabang yang terhubung utama pembentuk dinding sel pada tanaman. Ikatan pada selulosa adalah b(1→4). Selulosa tidak dapat dicerna oleh mamalia, tetapi beberapa serangga, protozoa, danselulosa, jamuryangmemiliki enzimutama selulase Polimer glukosa lainnya adalah merupakan bahan yang pembentuk dapat menghidrolisis danadalah kambing dinding sel pada ikatan tanaman. b(1→4). Ikatan padaSapi selulosa (1 4).dapat mencerna selulosa dengan protozoa yang serangga, hidup dalam Selulosa tidak dapat dicerna bantuan oleh mamalia, tetapi beberapa protozoa,sistem pencernaannya. dan jamur memiliki enzim selulase yang dapat menghidrolisis ikatan (1 4). Selain tumbuhan juga dengan mengandung pektin Sapi dan selulosa, kambing dapat mencerna selulosa bantuan protozoa yang dan hidup dalam Pektin sistem pencernaannya. hemiselulosa. merupakan polimer dari arabinosa, galaktosa, Selain selulosa, Hemiselulosa tumbuhan juga mengandung pektin dandari hemiselulosa. dan asam galakturonat. adalah polimer D-xilosa, DPektin merupakan polimer dari arabinosa, galaktosa, dan asam galakturonat. manosa, atau D-galaktosa. Hemiselulosa polimer dari D-xilosa, D-manosa, ataudan D-galaktosa. Dinding seladalah jamur, eksoskeleton serangga artropoda, serta Dinding atas sel jamur, serangga dan artropoda, serta moluska, terdiri kitin, eksoskeleton yakni polimer N-asetil-b-D-glukosamin Karbohidrat moluska, terdiri kitin, glikosida yakni polimer N-asetil- -D-glukosamin yang yang terhubung olehatasikatan b(1→4). terhubung oleh ikatan glikosida (1 4).

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

34

Contoh struktur kitin: polimer N-asetil- -D-glukosamin yang terhubung oleh ikatan glikosida (1 4)

Jaringan

penghubung

dalam

mamalia

kaya

akan

polisakarida

glikosaminoglikan, yang disebut juga mukopolisakarida. Kondroitin sulfat adalah

Bab I Karbohidrat

35

Jaringan penghubung dalam mamalia kaya akan polisakarida glikosaminoglikan, yang disebut juga mukopolisakarida. Kondroitin sulfat adalah polimer dengan ikatan a(1→3) yang menghubungkan disakarida asam glukuronat dan N-asetilgalaktosamin; dengan gugus hidroksil pada karbon 6 galaktosamin banyak diganti oleh gugus sulfat. Asam hialuronat merupakan polimer dari disakarida yang terdiri atas asam glukuronat dan N-asetilglukosamin; asam ini berfungsi sebagai pelumas pada sendi seperti siku dan lutut. -oo0oo-

36

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

Bab

ASAM AMINO DAN PEPTIDA

2

Asam Amino dan Peptida

BAB II

ASAM AMINO DAN PEPTIDA 1. ASAM AMINO

1. ASAM AMINO

Asam-asam amino dalam protein seluruhnya merupakan asam aAsam-asam amino dalam protein seluruhnya merupakan asam amino, yakni baik gugus amino maupun gugus karboksil keduanya amino,mengikat yakni baik gugus aminoyang maupun keduanya mengikat atom karbon samagugus yaitu karboksil atom karbon a. Atom karbonyang a merupakan kiral, sehingga memilikipusat atom karbon sama yaitupusat atom karbon . Atom asam karbonamino merupakan aktivitas optik (kecuali bila rantai samping adalah atom H). semua kiral, sehingga asam amino memiliki aktivitas optik (kecuali bila rantai samping asam amino yang ditemukan dalam protein memiliki konfigurasi adalahL.atom H). semua asam amino yang ditemukan dalam protein memiliki konfigurasi L.

COOH3N+

C

H

R

Gambar 2-1 Struktur dasar asam a-amino dalam konfigurasi L; R

Gambar 2-1 Struktur dasar asam -amino dalam konfigurasi L; R adalah adalah gugus samping dari 20 gugus kimia gugus samping dari 20 gugus kimia

Terdapat 20 macam asam amino yang digunakan dalam sintesis protein (lihat Tabel 2.1 - 2.7). Penamaan asam amino dapat

Terdapat 20 macam asam amino yang digunakan dalam sintesis

protein (lihat Tabel 2.1 - 2.7). Penamaan asam amino dapat disingkat menjadi tiga huruf atau satu huruf.

Dalam banyak protein, sebagian asam amino

mengalami modifikasi setelah masuk menjadi bagian protein. Misalnya dalam

38

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

disingkat menjadi tiga huruf atau satu huruf. Dalam banyak protein, sebagian asam amino mengalami modifikasi setelah masuk menjadi bagian protein. Misalnya dalam kolagen, gugus hidroksil ditambahkan pada residu prolin sehingga menghasilkan residu hidroksiprolin. Asam amino dikelompokkan menurut sifatnya, yakni polar atau nonpolar, aromatik atau alifatik, atau asam atau basa. Asam amino aromatik dapat menyerap cahaya ultraviolet. Kemampuan ini dimanfaatkan untuk menentukan konsentrasinya dalam larutan. Hukum Lambert-Beer menyatakan bahwa absorbansi sinar dengan panjang gelombang tertentu oleh suatu substansi dalam larutan adalah proporsional dengan konsentrasinya, C (molL-1) dan panjang jalur sinar, l (cm) dalam larutan. A = εCl dengan A merupakan absorbansi larutan dan e adalah koefisien absorbansi molar. Absorbans didefinisikan sebagai logaritma dari rasio intensitas sinar (Io) terhadap intensitas sinar yang ditransmisikan (I). A = log10

I0 I

dan panjang jalur sinar, l (cm) dalam larutan.

A

Cl

dengan A merupakan absorbansi larutan dan

adalah koefisien absorbansi

Bab 2 Asam dan didefinisikan Peptida sebagai logaritma dari rasio intensitas sinar (Io) molar.Amino Absorbans terhadap intensitas sinar yang ditransmisikan (I).

I

A log10 0 Tabel 2.1 Asam amino yang digunakan dalam sintesis protein, I dikelompokkan menurut struktur kimianya (asam amino netral, nonpolar, Tabel 2.1 Asam amino yang digunakan dalamalifatik) sintesis protein, dikelompokkan menurut struktur kimianya (asam amino netral, nonpolar, alifatik)

Nama & Struktur Kimia Asam Amino

Struktur 3D

Singkatan

Glisin H H3N+

C

Gly

G

Ala

A

Val

V

H

COO-

Alanin H H3N+

C

CH3

COO-

Valin H H3 N

+

C

CH3 CH

COO- CH3 Asam Amino dan Peptida

Leusin H H3N+

CH3

C

Leu

L

CH2 CH

Biokimia: Struktur - dan Fungsi CH3Biomolekul

37

COO

Isoleusin

+

H3N

H

CH3

C

CH

CH2

Ile

CH3

I

COO-

Tabel 2.2

Asam amino yang digunakan dalam sintesis protein, dikelompokkan menurut struktur kimianya (asam amino polar, alifatik)

Nama & Struktur Kimia Asam Amino

Struktur 3D

Singkatan

39

H3N+

H

CH3

C

CH

CH2

Ile

CH3

COO-

40

I

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

Tabel 2.2 Asam amino yang digunakan dalam sintesis protein, dikelompokkan menurut struktur kimianya Tabel 2.2 Asam amino yang digunakan sintesis protein, dikelompokkan (asam aminodalam polar, alifatik) menurut struktur kimianya (asam amino polar, alifatik)

Nama & Struktur Kimia Asam Amino

Struktur 3D

Singkatan

Serin H H3N+

C

CH2 OH

Ser

S

Thr

T

COO-

Threonin

H3N+

H

OH

C

CH

CH3

COO-

Asam Amino dan Peptida

Asparagin Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul H

H3N+

C

CH2

COO-

C

NH2

38

Asn

N

Gln

Q

O

Glutamin H H3N+

C

CH2

COO-

Tabel 2.3

CH2

C

NH2

O

Asam amino yang digunakan dalam sintesis protein, dikelompokkan menurut struktur kimianya (asam amino aromatis)

H3N+

C

CH2

CH2

COO-

C

NH2

O

Bab 2 Asam Amino dan Peptida

41

Tabel 2.3Asam Asam amino yang digunakan dalam sintesis protein, amino yang digunakan dalam sintesis protein, dikelompokkan menurut struktur kimianya (asam amino aromatis) dikelompokkan menurut struktur kimianya (asam amino aromatis) Tabel 2.3

Nama & Struktur Kimia Asam Amino

Struktur 3D

Singkatan

Fenilalanin H H3N+

C

Phe

CH2

F

COOAsam Amino dan Peptida

Tirosin Triptofan HH H N+ C CH H3N3+ C CH2 2C

OH

Tyr

Y

Trp

W

COOCOO-

N H

Tabel 2.4 Asam amino yang digunakan dalam sintesis protein, dikelompokkan menurut struktur kimianya Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul 39 Tabel 2.4 Asam amino yang digunakan dalam sintesis protein, dikelompokkan (asam amino mengandung sulfur) menurut struktur kimianya (asam amino mengandung sulfur) Nama & Struktur Kimia Asam Amino

Struktur 3D

Singkatan

Sistein H H3N+

C

CH2

SH

Cys

C

Met

M

COO-

Metionin H

H3N+

C

CH2 CH2

S

CH3

COO-

Tabel 2.5

Asam amino yang digunakan dalam sintesis protein, dikelompokkan menurut struktur kimianya (asam amino mengandung gugus asam amino sekunder)

H H3N+

42

C

CH2 CH2

S

Met

CH3

M

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

COO-

Tabel 2.5 Asam amino yang digunakan dalam sintesis protein, dikelompokkan menurut strukturdalam kimianya (asam dikelompokkan amino mengandung Tabel 2.5 Asam amino yang digunakan sintesis protein, menurut strukturgugus kimianya (asam amino mengandung asam amino sekunder) gugus asam amino sekunder)



Nama & Struktur Kimia Asam Amino Prolin +

H2N H

Struktur 3D

Singkatan

CH2 CH2

C

Pro

CH2

P

COOAsam Amino dan Peptida

Tabel 2.6 Asam amino yang digunakan dalam sintesis protein,40 dikelompokkan menurut struktur kimianya Tabel 2.6 Asam amino yang digunakan dalam sintesis protein, dikelompokkan (asam amino yangamino bersifat menurut struktur kimianya (asam yang asam) bersifat asam)

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

Nama & Struktur Kimia Asam Amino

Struktur 3D

Singkatan

Aspartat H

H3N+

C

CH2

COO-

Asp

D

Glu

E

COO-

Glutamat H

H3N+

C

CH2

CH2

COO-

COO-

Tabel 2.7

Asam amino yang digunakan dalam sintesis protein, dikelompokkan menurut struktur kimianya (asam amino yang bersifat basa)

Nama & Struktur Kimia Asam Amino Lisin H

H3N+

C

CH2

CH2

CH2 CH2 +NH3

Struktur 3D

Singkatan

Glutamat H

H3N+ C CH2 CH2 COOBab 2 Asam Amino dan Peptida COO-

43 Glu

E

Tabel 2.7 Asam amino yang digunakan dalam sintesis protein, dikelompokkan menurut struktur kimianya Tabel 2.7 Asam amino yang digunakan dalam bersifat sintesis protein, (asam amino yang basa)dikelompokkan menurut struktur kimianya (asam amino yang bersifat basa) Nama & Struktur Kimia Asam Amino Lisin H

H3N+

C

CH2

Struktur 3D

Singkatan

CH2 CH2 +NH3

CH2

COO-

Lys

K

Banyak asam amino yang terlibat dalam metabolisme, tetapi tidak ditemukan dalam protein. Misalnya b-alanin, -OOC-CH2-CH2-NH3+, yang merupakan intermediet dalam sintesis vitamin B asam pantotenat. b-alanin tidak ditemukan dalam protein. Meskipun asam amino yang terdapat di alam kebanyakan memiliki konfigurasi L, namun beberapa asam amino berkonfigurasi D ditemukan dalam antibiotik tertentu Asam Amino dan Peptida serta dalam dinding sel beberapa bakteri. Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

41

Arginin H H3N+

C

NH2 CH2

CH2

CH2

NH

C

COO-

+

NH2

Arg

R

His

H

Histidin H H3N

+

C

N CH2

COO-

CH

C CH

NH

Banyak asam amino yang terlibat dalam metabolisme, tetapi tidak ditemukan dalam protein.

Misalnya

-alanin, -OOC-CH2-CH2-NH3+, yang

44

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

2. SIFAT ASAM-BASA DARI ASAM AMINO Asam amino merupakan senyawa amfoter, yakni memiliki gugus asam dan juga gugus basa. Karena itu, asam amino dapat membawa muatan listrik total yang tergantung pada sifat larutannya. Muatan yang dibawa suatu molekul mempengaruhi interaksinya dengan molekul lain. Sifat ini dimanfaatkan untuk isolasi dan pemurnian asamAsam amino maupun Amino dan Peptida protein. Air merupakan pelarut biologis utama. Sifat asam-basa molekul Air berkaitan merupakanerat pelarut utama. asam-basa molekul terlarut denganbiologis disosiasi air. Air Sifat merupakan elektrolit lemah yang bisa menjadi dan ion hidroksil. Dalamyang terlarut berkaitan eratterdisosiasi dengan disosiasi air.proton Air merupakan elektrolit lemah disosiasi air, proton dengan molekul lainnya yang air, bisaproses terdisosiasi menjadi protonberikatan dan ion hidroksil. Dalam air proses disosiasi berikatan (ikatan hidrogen) sehingga membentuk ion hidronium proton berikatan dengan molekul air lainnya yang berikatan (ikatan hidrogen) (H3O+): sehingga membentuk ion hidronium (H3O+):

H

H O

H

O

H

Ke

O

H

H + OH-

H

Dalam air murni bersuhu 250C terdapat 1,0 x 10-7 mol L-1 H3O+ dan ion OH dengan konsentrasi ekuivalen. Proton tidak berada dalam dengan konsentrasi ekuivalen. tidak proton beradamemiliki dalam keadaan keadaan “telanjang” di dalamProton air karena afinitas “telanjang” tinggi di dalam karenaair. proton afinitas tinggi untuk molekul Tetapi untukair molekul Tetapimemiliki untuk tujuan penyederhanaan, protonair. dalam + airtujuan seringkali ditulis sebagaiproton H . dalam air seringkali ditulis sebagai H+. untuk penyederhanaan, Proses disosiasi air merupakan proses kesetimbangan yang Proses disosiasi air merupakan proses kesetimbangan yang berlangsung sangat cepat, dengan tetapan kesetimbangan ditulis seperti berlangsung berikut: sangat cepat, dengan tetapan kesetimbangan ditulis seperti

Dalam air murni bersuhu 250C terdapat 1,0 x 10-7 mol L-1 H3O+ dan ion OH-

berikut:

KK e e=

aaH O+ × aaOHH3 O OH

(a )

3

-

22

H22OO H

Untuk larutan encer, aktivitas (a) air dianggap konstan mendekati 1,0 dan aktivitas zat terlarut merupakan konsentrasinya. Dengan demikian, dapat ditulis suatu tetapan praktis, Kw, yakni produk ionik dari air:

Bab 2 Asam Amino dan Peptida

45

Untuk larutan encer, aktivitas (a) air dianggap konstan mendekati 1,0 dan aktivitas zat terlarut merupakan konsentrasinya. Dengan demikian, dapat ditulis suatu tetapan praktis, Kw, yakni produk ionik dari air: Kw = [H3O+].[OH-] atau sering juga ditulis Kw = [H+][OH-], dengan mengabaikan hidrasi proton. Air murni pada suhu 250C memiliki Kw = 10-14. Karena dalam air murni [H+] = [OH-], maka  H +  = 10-14 = 10-7 mol L-1 Dalam larutan asam, [H+] lebih tinggi dan [OH-] lebih rendah karena produk ionik adalah konstan. Nilai Kw tergantung pada suhu, misalnya pada 370C Kw = 2,4 x 10-14. Seorang ahli kimia Denmark, S.P.L Sørensen mendefinisikan pH (potentia Hydrogenii) sebagai: pH = -log10 [H+] Pada larutan netral, [H+] = [OH-], dan untuk air murni pada 250C maka pH = -log10 (10-7) = 7,0 Air destilasi yang biasa dipakai dalam laboratorium tidak terlalu murni. Sejumlah kecil CO2 yang terlarut dalam air akan membentuk asam karbonat sehingga meningkatkan konsentrasi ion hidrogen sampai sekitar 10-5 mol L-1. Karena itu air destilasi memiliki pH sekitar 5. Suatu asam adalah senyawa yang dapat menyumbangkan proton pada senyawa lain (menurut definisi Brønsted). Senyawa CH3COOH adalah suatu asam, yang bernama asam asetat. Ketika dilarutkan dalam air, gugus karboksil pada asam asetat tidak terdisosiasi sempurna. Karena

Suatu asam adalah senyawa yang dapat menyumbangkan proton pada senyawa lain (menurut definisi Brønsted). Senyawa CH3COOH adalah suatu 46 asam, yang bernama asam asetat. Ketika dilarutkan dalam air, gugus karboksil Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

pada asam asetat tidak terdisosiasi sempurna.

Karena itu asam asetat

itu asamsebagai asetat asam termasuk lemah. asam termasuk lemah.sebagai Reaksiasam disosiasi asamReaksi lemah disosiasi bertipe HA dalam airlemah adalahbertipe

HA dalam air adalah Maka, reaksi disosiasi untuk asam asetat adalah

Maka, reaksi disosiasi untuk asam asetat adalah HA + H2O

CH3COOH + Donor H+ (asam)

A- + H3O+

H2O

CH3COO-

Akseptor H+ (basa)

Basa konjugasi

+

H3O+ Asam konjugasi

Pemberian merupakanproses prosesdua duaarah. arah.Ion Pemberiandan danpenerimaan penerimaan proton proton merupakan Ion H3O+ yang terbentuk dapat mendonorkan proton kembali pada H3O+ yang terbentuk dapat mendonorkan proton kembali pada ion asetat untuk ion asetat untuk membentuk asam asetat. Hal+ ini berarti ion H3O+ membentuk asam asetat. Hal ini berarti ion H3O dapat dianggap sebagai dapat dianggap sebagai asam dan ion asetat dapat dianggap sebagai asam ion asetat dapat dianggap basa. itu asetat disebut basa.dan Karena itu asetat disebut basasebagai konjugasi dariKarena asam asetat. basa konjugasi asam asetat. Proses dari asosiasi dan disosiasi di atas membentuk suatu kesetimbangan, dan larutan akandisosiasi memiliki konsentrasi H3O+ yang lebih Proses asosiasi dan di atas membentuk suatu besar daripada dalam air murni. Karena itu larutan ini akan memiliki kesetimbangan, dan larutan akan memiliki konsentrasi H3O+ yang lebih besar pH di bawah 7,0. daripada dalam air murni. Karena itu larutan ini akan memiliki pH di bawah 7,0. Tetapan disosiasi asam, Ka, adalah ukuran kekuatan suatu asam. a HaO a Aa A K aK a 3 H 3O Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekula Haa H aa Ha2OH 2O 44 Untuk asam asetat, Ka adalah aHaO aCHa COO 3 3COO K aK a 3 H 3O CH aCHa 3COOH aHa2O CH 3COOH

H 2O

dengan a merupakan aktivitas termodinamika dari zat kimia tersebut. Dalam larutan encer, konsentrasi air sangat mendekati konsentrasi air murni. Menurut konvensi, aktivitas air murni adalah 1,0. Selanjutnya, aktivitas zat terlarut dalam larutan encer dapat diperkirakan dari konsentrasi zat tersebut. Untuk itu, persamaan untuk tetapan disosiasi H+  = asam dapat ditulis sebagai berikut:  

10-14 = 10-7 mol L-1

Bab 2 Asam Amino dan Peptida

47

[H + ][A - ] Ka = [HA ] Untuk asam asetat, persamaan ini menjadi [H + ][CH 3COO- ] Ka = [CH3COOH ] Semakin besar nilai Ka maka semakin besar pula kecenderungan asam tersebut untuk melepaskan proton, yang berarti asam semakin kuat. Dengan cara yang sama seperti pH, pKa dapat ditulis pKa = -log Ka Asam Amino dan Peptida

Semakin rendah nilai pKa suatu senyawa kimia maka semakin tinggi nilai Ka, yang berarti senyawa tersebut makin kuat sifat asamnya. Suatu basa adalah senyawa yang dapat menerima proton dari suatu Suatu basa adalah senyawa yang dapat menerima proton dari suatu asam. Ketika metilamin (CH3-NH2) dilarutkan dalam air, senyawa tersebut asam. Ketika metilamin (CH3-NH2) dilarutkan dalam air, senyawa menerima proton dari air sehingga konsentrasi OH- dan pH tersebut menerima proton dari airmeningkatkan sehingga meningkatkan konsentrasi OHdan pH menjadi semakin tinggi. menjadi semakin tinggi. CH3

NH2

Basa

CH3 NH3+ +

+ H2O Asam

Asam konjugasi

OHBasa konjugasi

Sama seperti seperti pada dengan naiknya konsentrasi OH- OHSama pada asam asamasetat, asetat, dengan naiknya konsentrasi

maka reaksi sebaliknya menjadi lebih signifikan sampai akhirnya proses tersebut mencapai kesetimbangan. Persamaan untuk tetapan kebasaan, tersebut kesetimbangan. Kb,mencapai dapat ditulis sebagai berikut:Persamaan untuk tetapan kebasaan, Kb, maka reaksi sebaliknya menjadi lebih signifikan sampai akhirnya proses

dapat ditulis sebagai berikut:

Kb

[CH 3 -NH 3 ][OH - ] CH 3 -NH 2

dapat ditulis sebagai berikut: 48

Kb

[CH 3 -NH ] Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul 3 ][OH CH 3 -NH 2 +

-

[CH 3 -NH 3 membingungkan ][OH ] Akan tetapi, penggunaan tetapan karena kita harus K b = Kb dapat

[CH -NH ]

2 menjaga dua macam tetapan, Ka dan K3b. Kesetimbangan kimia merupakan

Akan tetapi, penggunaan tetapan Kb dapat membingungkan karena kita harus menjaga dua macam tetapan, Ka dan Kb. Kesetimbangan pandangkimia asam konjugasinya. asamitu konjugasi ini bila dianggap merupakan proses duaArtinya, arah, karena lebih mudah mengukur kebasaan dari sudut pandang asam konjugasinya. Artinya, mendonorkan proton pada air: asam konjugasi ini dianggap mendonorkan proton pada air: proses dua arah, karena itu lebih mudah bila mengukur kebasaan dari sudut

CH 3

NH 3 + + H 2 O

CH 3

NH 2 + H 3O +

[CH33-NH -NH22][H ][H33OO +]] [CH K Kaa = [CH [CH33-NH -NH33+]] Ka dan KKa hubungan sebagaisebagai berikut:berikut: b memiliki dan Kb memiliki hubungan [CH 3 -NH 2 ][H 3O ] [CH + + ] 3 -NH 3 ][OH [CH 3 -NH 2 ][H 3O ] [CH 3 -NH 3 ][OH[H ]3O ][OH+- ] K a Kb K a ⋅ K b = [CH 3 -NH 3 ] + ⋅ CH 3 -NH 2 = [H 3O ][OH - ]

[CH 3 -NH 3 ]

[CH -NH ] 3

2

maka, K a K b K w Ka.Kjika =Kkita b w Denganmaka, kata lain, mengetahui Ka dari asam konjugasi, maka kita dapat

Dengan kata lain, jika kita mengetahui Ka dari asam konjugasi,

Asam Aminobasa dan Peptida menghitung Dengan demikian, b untuk makaKkita dapatbasanya. menghitung Kb untuk basanya.kuatnya Dengan sifat demikian, suatu

suatu senyawa oleh konjugasinya. rendahnya nilai Ka senyawakuatnya ditandaisifat olehbasa rendahnya nilai Kaditandai untuk asam untuk asam konjugasinya. Campuran suatu asam dan basa konjugasinya dapat menahan Campuran suatu asam dan basa konjugasinya dapat menahan

perubahan pH ketika Campuran perubahan pH sedikit ketika asam sedikit atau asambasa atau lain basaditambahkan. lain ditambahkan. Campuran seperti inipenyangga dikenal sebagai penyangga (buffer). seperti ini dikenal sebagai (buffer ).

Biokimia:Reaksi Strukturdisosiasi dan Fungsi asamBiomolekul asetat adalah seperti berikut:

46

Reaksi disosiasi asam asetat adalah seperti berikut: CH 3COOH + H 2O

CH 3COO - + H3O+

+ + Asam Asam tambahan menyebabkan H3OH3O dan CHCH3COO tergabung 3COO tambahan menyebabkan dan tergabungkembali + kembali membentuk asam asetat, sehinggaHpembentukan H3O membentuk asam asetat, sehingga pembentukan 3O dihalangi. Sebaliknya, +

penambahan NaOH menyebabkan disosiasi asam asetat menjadi asetat, sehingga mengurangi penurunan konsentrasi H3O+.

Bab 2 Asam Amino dan Peptida

49

dihalangi. Sebaliknya, penambahan NaOH menyebabkan disosiasi asam asetat menjadi asetat, sehingga mengurangi penurunan konsentrasi H3O+. Sifat di atas bisa dikuantisasi dengan menurunkan persamaan [H + ][A - ] Ka = [HA ] yakni: log Ka = log [H+] + log [A-] – log [HA] – log Ka = – log [H+] – log [A-] + log [HA] Karena –log Ka = pKa dan –log [H+] = pH maka pK a = pH + log atau



[HA] [asam] = + pH log [A - ] [basa konjugasi]

pH = pK a + log

[basa] [asam konjugasi]

Kedua persamaan di atas adalah persamaan HendersonHasselbalch. Dari persamaan ini dapat dihitung komposisi penyangga yang memiliki pH tertentu. Perlu diperhatikan bahwa jika [HA] = [A-] maka pH = pKa. Banyak molekul biologis yang memiliki lebih dari satu gugus yang bisa terdisosiasi. Disosiasi salah satu gugus dapat mempengaruhi kecenderungan gugus-gugus lainnya untuk terdisosiasi. Hal ini terjadi pada asam amino yang memiliki gugus karboksil dan gugus amino. Dalam air, gugus karboksil cenderung melepaskan proton sedangkan gugus amino mengikat proton. Kedua reaksi tersebut dapat terjadi tanpa terbentuknya H3O+ maupun OH-. Hasilnya, asam amino membawa muatan negatif dan juga muatan positif di dalam larutan

asam amino tersebut.

Sebagai contoh, suatu titrasi dimulai dengan larutan

glisin hidroklorida, yang kedua gugusnya terdapat dalam bentuk asamnya. Penambahan natrium hidroksida menimbulkan peningkatan pH larutan. Pada Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul 50 saat yang sama, proton yang terdisosiasi bereaksi dengan ion hidroksil yang ditambahkan untuk membentuk molekul air, sehingga menyebabkan disosiasi

yangterjadi. pH-nya terus

mendekati netral. Dalam keadaan ini, senyawa tersebut disebutKurva sebagai zwitterion. titrasi terlihat pada Gambar 2-2. Pada titik A, kedua gugus yang Titrasi suatu asam terdapat amino dalam dilakukan mempelajari sifat dimiliki glisin hidroklorida bentukuntuk asamnya (terprotonasi): zwiterionik asam amino tersebut. Sebagai contoh, suatu titrasi dimulai HOOC-CH2-NH3+ sehingga molekul bermuatan +1. Setelah penambahan 10 dengan larutan glisin hidroklorida, yang kedua gugusnya terdapat mmol NaOH (titik C, pH mendekati 6,0), salah satu gugus hampir dalam bentuk asamnya. Penambahan natrium hidroksida menimbulkan terdeprotonasi sempurna sehingga molekul tak bermuatan. Setelah ditambah peningkatan pH larutan. Pada saat yang sama, proton yang terdisosiasi lagi 10 mmol NaOH, keduayang juga ditambahkan terdeprotonasi (titik E) dan bentuk bereaksi dengan iongugus hidroksil untuk membentuk – molekul OOC-CH muatan -1. terjadi. 2-NH2 dengan molekulakan air,menjadi sehingga menyebabkan disosiasi terus Titrasi 10 mmol glisin.HCl oleh larutan NaOH +1

-1

0

Muatan

16 14

E

12 D

pH

10 8 C

6 4

B

2

A

0 0

0.5

1

1.5

2

2.5

Jumlah proton terdisosiasi

Gambar 2-2

Titrasi 10 mmol glisin.HCl oleh larutan NaOH. Garis putus-putus

ditambahkan formaldehid. Gambar 2-2menunjukkan Titrasi 10 titrasi mmoldengan glisin.HCl oleh larutan NaOH. Garis putus-putus menunjukkan titrasi dengan ditambahkan formaldehid.

Kurva titrasi terlihat pada Gambar Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

2-2. Pada titik A, kedua gugus 48 yang dimiliki glisin hidroklorida terdapat dalam bentuk asamnya (terprotonasi): HOOC-CH2-NH3+ sehingga molekul bermuatan +1. Setelah penambahan 10 mmol NaOH (titik C, pH mendekati 6,0), salah satu gugus hampir terdeprotonasi sempurna sehingga molekul

Dekatnya titik B dan D menandakan bahwa pH hanya berubah sedikit pada Bab 2 NaOH. Asam AminoDalam dan Peptidahal ini, larutan berperan sebagai 51 penambahan penyangga.

Pada titik B pH = 2,3, setengah dari gugus pertama telah tertitrasi menjadi basa tak bermuatan. Setelah ditambah lagi 10 mmol NaOH, gugus kedua konjugasinya, sementara setengah sisanya masih dalam – bentuk asam, juga terdeprotonasi (titik E) dan bentuk molekul akan menjadi OOC-1. CH2-NH=2 dengan sehingga [asam] [basa muatan konjugasi]. Pada titik ini pKa = pH atau pKa = 2,3 Dekatnya titik B dan D menandakan bahwa pH hanya berubah untuk titrasisedikit dalam gambar. Gugus yang pertama tertitrasi haruslah merupakan pada penambahan NaOH. Dalam hal ini, larutan berperan Pada titik pHadalah = 2,3, setengah gugus pertama asam yangsebagai relatifpenyangga. kuat, dalam hal Bini gugus dari karboksil. Gugus kedua telah tertitrasi menjadi basa konjugasinya, sementara setengah sisanya yang tertitrasi adalah dengan[asam] pKa = masih dalam gugus bentuk amino, asam, sehingga = 9,6. [basa konjugasi]. Pada titikpH ini pKa = pH atau pKatidak = 2,3memiliki untuk titrasi dalam disebut gambar. Gugus Nilai ketika molekul muatan titik isoelektrik. yang pertama tertitrasi haruslah merupakan asam yang relatif kuat, Titik isoelektrik pH 6,0. Gugus Ketika kedua larutan glisin berada dalam dalam untuk hal iniglisin adalahadalah gugus karboksil. yang tertitrasi adalah gugus amino, dengan pKa = 9,6. keadaan isoelektrik, sebagian molekul akan berupa COOH-CH2-NH3+ yang Nilai pH ketika molekul tidak memiliki muatan disebut titik -CH jumlahnya isoelektrik. seimbang dengan COO 2-NHadalah 2, serta 2-NH2. Titik isoelektrik untuk glisin pHbeberapa 6,0. KetikaCOOH-CH larutan glisin berada dalam keadaan isoelektrik, sebagian molekul akan berupa K pH pada titik isoelektrik dapat dihitung dari nilai p a tiap gugus. COOH-CH2-NH3+ yang jumlahnya seimbang dengan COO--CH2NH2, serta beberapa COOH-CH2-NH2. pH pada titik isoelektrik pK a 2 dapat dihitung dari nilai pKa tiappK gugus. a1

pH I

2

pK a1 + pK a 2 pH I = 2 Dapat dilakukan modifikasi kimia untuk memeriksa nilai pKa yang ditentukan

dalam titrasi asam amino. Misalnya melakukan titrasi dengan kehadiran Dapat dilakukan modifikasi kimia untuk memeriksa nilai pKa formaldehid. ini dalam menunjukkan Gambar yangTitrasi ditentukan titrasi asambahwa amino. pKa Misalnya melakukan titrasi2-2 adalah 1 dalam dengan kehadiran formaldehid. Titrasi ini menunjukkan bahwa pKa1 milik gugus karboksil dan pKa2 adalah milik gugus amino. dalam Gambar 2-2 adalah milik gugus karboksil dan pKa2 adalah milik gugus amino. (HCHO) bereaksi reversibel dengan gugus amino seperti Formaldehid Formaldehid (HCHO) bereaksi reversibel dengan gugus amino berikut: seperti berikut:

R

NH2

+

2HCHO

R

CH2

OH

CH2

OH

N

Dengan demikian, pKa gugus amino menjadi berubah dalam larutan formaldehid, sedangkan gugus karboksil tidak terpengaruh. Ditemukan bahwa

52

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

Dengan demikian, pKa gugus amino menjadi berubah dalam larutan formaldehid, sedangkan gugus karboksil tidak terpengaruh. Ditemukan bahwa pKa1 asam amino dalam formaldehid tidak berubah sehingga berarti pKa ini menunjukkan gugus karboksil. Sementara itu, pKa2 menjadi lebih rendah (garis putus-putus dalam Gambar 2-2). Besarnya penurunan pKa ini tergantung pada konsentrasi formaldehid. Oleh karena itu, pKa2 menunjukkan disosiasi gugus amino. Pada umumnya, gugus karboksil merupakan asam yang lebih kuat daripada gugus –NH3+. Gugus karboksil cenderuk mempunyai nilai pKa di bawah 5 sedangkan gugus –NH3+ di atas 7. pKa karboksil glisin (2,3) lebih rendah daripada pKa asam asetat (4,7). Pada pH di bawah 6, gugus amino dalam larutan glisin memiliki muatan positif. Muatan positif ini menstabilkan muatan negatif ion karboksilat dengan adanya interaksi elektrostatik. Hal ini berarti gugus karboksil pada glisin akan kehilangan protonnya lebih cepat, sehingga merupakan asam yang lebih kuat (dengan nilai pKa lebih rendah). Beberapa asam amino memiliki rantai samping prototropik. Misalnya, asam aspartat dan asam glutamat memiliki gugus karboksil tambahan, histidin memiliki gugus imidazol, lisin memiliki gugus amino, dan arginin memiliki gugus guanidino. Nilai pKa asam-asam amino ini dapat dilihat dalam Tabel 2.8. Tabel 2.8 Nilai pKa Beberapa Asam Amino Asam Amino Glisin Serin Alanin Valin Leusin Asam aspartat Asam glutamat Histidin Sistein Tirosin Lisin

pKa1 (a-COOH) 2,3 2,2 2,3 2,3 2,4 2,1 2,2 1,8 1,7 2,2 2,2

pKa (a-NH3+) 9,6 9,2 9,7 9,6 9,6 9,8 9,7 9,2 10,8 9,1 9,0

pKa (rantai samping) – – – – – 3,9 4,3 6,0 8,3 10,1 10,5

Bab 2 Asam Amino dan Peptida

53

Kurva titrasi asam-asam amino ini memiliki lekukanAsam tambahan, seperti Amino dan Peptida terlihat dalam Gambar 2-3 untuk asam glutamat. 16

0

+1

-2

-1

14

Muatan

D

12 C

pH

10 8 6 B

4 A

2 0 0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

Jumlah proton terdisosiasi Gambar 2-3. Titrasi 10 mmol asam glutamat hidroklorida oleh NaOH

Gambar 2-3. Titrasi 10 mmol asam glutamat hidroklorida oleh NaOH’ Berbagai gugus dalam asam amino memiliki muatan yang tergantung pada pH Berbagai gugus dalam asam amino memiliki muatan yang tergantung larutan, yakni: pada pH larutan, yakni: 1. Bentuk Bentuk terprotonasi karboksil dan dan rantai samping tirosin 1. terprotonasipada padagugus gugus karboksil rantai samping adalah adalah tak bermuatan, sedangkan bentukbentuk terdeprotonasinya memiliki tirosin tak bermuatan, sedangkan terdeprotonasinya memiliki muatan negatif (anion). muatan negatif (anion). 2. terprotonasipada padagugus gugusamino, amino, rantai samping imidazol 2. Bentuk Bentuk terprotonasi rantai samping imidazol asam asam serta gugus pada gugus guanidino asam amino amino amino histidin,histidin, serta pada guanidino asam amino arginin, arginin, semuanya memiliki muatan positif (kation). Sedangkan semuanya memiliki muatan positif (kation). Sedangkan bentuk bentuk terdeprotonasi gugus-gugus tersebut tidak memiliki terdeprotonasi gugus-gugus tersebut tidak memiliki muatan. muatan. Larutan lebih bersifat asam pada pH di bawah nilai pKa suatu gugus, dan bentuk terdeprotonasi lebih mendominasi. Seiring naiknya pH sampai di atas nilai pKa suatu gugus, maka gugus tersebut kehilangan protonnya. Misalnya, gugus –COOH menjadi –COO- dan gugus –NH3+ menjadi NH2.

54

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

Larutan lebih bersifat asam pada pH di bawah nilai pKa suatu gugus, dan bentuk terdeprotonasi lebih mendominasi. Seiring naiknya pH sampai di atas nilai pKa suatu gugus, maka gugus tersebut kehilangan protonnya. Misalnya, gugus –COOH menjadi –COO- dan gugus –NH3+ menjadi NH2. Titik isoelektrik suatu asam amino dapat dihitung dengan bantuan nilai-nilai pKa-nya. Sebagai contoh, titik isoelektrik untuk asam glutamat dapat dihitung dengan melihat nilai pKa pada Tabel 28. Pada nilai pH kurang dari 2,2, semua gugus terprotonasi. Berbagai bentuk asam glutamat yang mendominasi hadir pada titik-titik yang berbeda selama titrasi, yakni pada Tabel 2.9. Ketika pH terus naik melewati 2,2, a-karboksil terdisosiasi membentuk zwitterion di sekitar pH 3. pH terus naik melampaui 4,3, dan karboksil rantai samping terdisosiasi sehingga molekul memiliki dua muatan negatif dan satu muatan positif (total muatan menjadi 1). Pada sekitar pH 7 (yakni dalam larutan netral), baik asam glutamat maupun asam aspartat terdapat dalam bentuk glutamat dan aspartat, dengan rantai samping terionisasi. Akhirnya, ketika pH mencapai pKa2, gugus amino terdisosiasi sehingga molekul menjadi bermuatan -2. Dengan demikian, titik isoelektrik diapit oleh dua nilai pKa yakni 2,2 dan 4,3. Maka untuk asam glumatat pHI = (pKa1 + pKaR)/2 = (2,2 + 4,3)/2 = 6,5/2 = 3,25. Titik isoelektrik suatu asam amino adalah rata-rata nilai pKa yang mengapit kedua sisi keadaan isoelektrik.

bentuk glutamat dan aspartat, dengan rantai samping terionisasi.

Akhirnya,

ketika pH mencapai pKa2, gugus amino terdisosiasi sehingga molekul menjadi bermuatan -2.Amino Dengan demikian, titik isoelektrik diapit oleh dua nilai pK55 a yakni Bab 2 Asam dan Peptida 2,2 dan 4,3.

Tabel 2-9 Berbagai bentuk asam glutamat yang mendominasi hadir Tabel 2-9 pada Berbagai bentuk glutamat titik-titik yangasam berbeda selamayang titrasimendominasi hadir pada titik-titik yang berbeda selama titrasi

Titik

Bentuk Bermuatan

A (pH 1)

Besar Muatan +1

COOH CH2 CH2 NH3+

CH

COOH

COOH

B (pH 3,25)

0

CH2 CH2 NH3+

CH

COO-

COO-

C (pH 7)

-1

CH2 CH2 NH3+

CH

Asam Amino dan Peptida

COO-

COO-

D (pH 12) Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

-2 52

CH2 CH2

NH2

Maka, untuk asam glutamat,

CH

COO-

56

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

3. ANALISIS ASAM AMINO Asam-asam amino hasil hidrolisis protein dapat dipisahkan satu sama lain dengan menggunakan kromatografi penukar ion. Tiga macam larutan penyangga pH tinggi dipakai untuk mengelusi asam amino pada kolom kromatografi. Urutan pengelusian tergantung pada muatan asam amino. Asam amino basa (lisin, histidin, dan arginin) paling kuat mengikat muatan negatif resin penukar ion. Teknik ini memungkinkan penentuan asam amino apa saja yang terdapat dalam protein tertentu. Kelimpahan relatif asam-asam amino juga bisa ditentukan dengan mengukur konsentrasi tiap asam amino. Senyawa ninhidrin bereaksi dengan asam amino membentuk warna ungu. Larutan berwarna ungu ini diukur absorbansinya pada panjang gelombang 570 nm, lalu konsentrasi relatif tiap asam amino dapat ditentukan. Asam Amino dan Peptida Reaksi asam amino dengan ninhidrin: Reaksi asam amino dengan ninhidrin: O H

OH 2

R

+

COO-

C

OH

NH3

O Ninhidrin

Asam amino

O

O

C

C C

N

C

C

+ R C

C

H + CO2 + 3H2O

O -

O

O Pigmen ungu

amino prolin tidak memberikan warna ungu ketika direaksikan Asam Asam amino prolin tidak memberikan warna ungu ketika dengan ninhidrin, melainkan warna kuning muda yang juga dapat dikuantisasi. direaksikan dengan ninhidrin, melainkan warna kuning muda yang Prolin dapat langsung ditemukan dalam kromatogram selama analisis asam juga dapat dikuantisasi. Prolin dapat langsung ditemukan dalam amino karena tinggi relatif absorban pada panjang gelombang 570 nm kromatogram selama analisis asamgelombang amino karena tinggi relatif absorban merupakan kebalikan pada panjang 440 nm dibandingkan dengan asam-asam amino lainnya. 1,0 0,2 M sitrat, pH 3,3

0,2 M sitrat, pH 4,3

0,35 M sitrat, pH 5,3

Pigmen ungu

Asam amino prolin tidak memberikan warna ungu ketika direaksikan dengan ninhidrin, melainkan Bab 2 Asam Amino dan Peptida warna kuning muda yang juga dapat dikuantisasi. 57 Prolin dapat langsung ditemukan dalam kromatogram selama analisis asam amino karena tinggi relatif absorban pada panjang gelombang 570 nm

pada panjang gelombang 570 nm merupakan kebalikan pada panjang merupakan kebalikan pada panjang gelombang 440 nm dibandingkan dengan gelombang 440 nm dibandingkan dengan asam-asam amino lainnya. Asam Amino dan Peptida asam-asam amino lainnya. 1,0 4.

IKATAN PEPTIDA 0,2 M sitrat, pH 4,3

0,2 M sitrat, pH 3,3

Dalam molekul peptida, asam-asam linear. Gugus

0,35 M sitrat, pH 5,3

-amino dihubungkan secara

-karboksil pada satu asam amino dihubungkan dengan gugus Val

Gly melalui suatu ikatan amida yang dikenal -amino pada asam amino berikutnya Asp

Absorbans

Glu

Ala

Thr Ile NH3 sebagai ikatan peptida . Pembentukan unit peptida bentuk trans lebih disukai Lys

Leu

Ser

Tyr dibanding bentuk cis, karena bentuk cis memiliki efek Met sterik. Panjang-panjang His

ikatan pada unit peptida adalah sebagai berikut. Pro

Phe Arg

Cys

0

Volume eluen

Gambar 2-4 Pemisahan asam amino menggunakan kromatografi penukar ion. Luas Gambar puncak 2-4 Pemisahan asam amino menggunakan kromatografi adalah proporsional dengan jumlah asam amino dalam larutan.

penukar ion. Luas puncak adalah proporsional dengan jumlah asam amino dalam larutan. tidak disukai

lebih disukai

Struktur dan Fungsi Biomolekul 4.Biokimia: IKATAN PEPTIDA

54

Dalam molekul peptida, asam-asam a-amino dihubungkan secara linear. Gugus a-karboksil pada satu asam amino dihubungkan dengan gugus a-amino pada asam amino berikutnya melalui suatu ikatan amida yang dikenal sebagai ikatan peptida. Pembentukan unit peptida bentuk trans Bentuk lebihtrans disukai dibanding bentukBentuk cis, ciskarena bentuk cis memiliki efek sterik. Panjang-panjang ikatan pada unit peptida adalah Ikatan peptida terbentuk oleh reaksi kondensasi, yang memerlukan sebagai berikut. pemasukan energi:

CH3 NH3

+

CH2 COO- +

NH3

+

CH

H2O

COO

-

NH3 H2O

Glisin

Alanin

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

+

CH2 C

H

CH3

N

CH

COO-

O Glisilalanin

55

sebagailinear. ikatan peptida. Pembentukan unit peptida bentuk trans lebih disukai Gugus -karboksil pada satu asam amino dihubungkan dengan gugus dibanding bentuk bentuk melalui cis memiliki efek sterik. Panjang-panjang -amino padacis, asamkarena amino berikutnya suatu ikatan amida yang dikenal ikatan pada unit peptida sebagai sebagai ikatan peptidaadalah . Pembentukan unitberikut. peptida bentuk trans lebih disukai Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul 58 dibanding bentuk cis, karena bentuk cis memiliki efek sterik. Panjang-panjang ikatan pada unit peptida adalah sebagai berikut.

tidak disukai

lebih disukai

tidak disukai

lebih disukai

Bentuk trans Bentuk trans

Bentuk cisBentuk cis

Ikatan peptidaIkatan terbentuk oleholehreaksi kondensasi, yang memerlukan peptidaterbentuk terbentuk reaksi kondensasi, yang memerlukan Ikatan peptida oleh reaksi kondensasi, yang memerlukan pemasukan energi: pemasukan energi: pemasukan energi:

CH3

NH3

+

NH3

+

CH2 COO- +

CH2 COO- + Glisin

Glisin

NH3

NH3

+

+

CH3

CH COO

CH

H CH3

H2O

-

COO- H2O

Alanin

H2O+ NH 3

H

CH3

N

CH

CH2 C N CH COO+

NH3 O CH2 C H2O

Alanin

Glisilalanin

COO-

O Glisilalanin

Asam Amino dan Peptida

Pembentukan ikatan-ikatan peptida dalam membentuk suatu ikatan-ikatan peptida dalam membentuk suatu rangkaian rangkaian Pembentukan protein tertentu membentuk suatu pola sebagai berikut: Struktur dan Fungsisuatu Biomolekul proteinBiokimia: tertentu membentuk pola sebagai berikut:

55

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

55

Karakter asam danbasa basapada pada gugus gugus amino dan dan karboksil terlibat terlibat Karakter asam dan amino karboksil dalam pembentukan ikatan. Karakter-karakter ini menghilang setelah setelah dalam pembentukan ikatan. Karakter-karakter ini menghilang kondensasi. Hidrolisis Hidrolisis ikatan peptida untuk melepaskan asam-asam amino kondensasi. ikatan peptida untuk melepaskan asam-asam merupakan proses spontan, tetapi biasanya berlangsung sangat lambat dalam larutan netral. Penamaan peptida dimulai dengan asam amino yang memiliki -NH3+

Bab 2 Asam Amino dan Peptida

59

amino merupakan proses spontan, tetapi biasanya berlangsung sangat lambat dalam larutan netral. Penamaan peptida dimulai dengan asam amino yang memiliki aNH3+ bebas (ujung N) dengan menggantikan akhiran –in menjadi –il (kecuali asam amino yang terakhir). Asam amino dalam suatu peptida disebut sebagai residu, karena asam-asam amino ini adalah residu yang tertinggal setelah hilangnya air selama pembentukan ikatan peptida. Cara membedakan antara dipeptida glisilalanin dan alanilglisin adalah dengan cara penamaan peptida dimulai dari ujung amino. Dengan demikian, glisilalanin memiliki gugus a-amino bebas pada residu glisin, dan gugus karboksil bebas pada residu alanin. Glisilalanin dan alanilglisin merupakan contoh isomer urutan, yakni terdiri atas asam-asam amino yang sama tetapi tersusun dalam urutan yang berbeda. Senyawa yang terdiri atas dua molekul asam amino yang dihubungkan oleh ikatan peptida disebut sebagai dipeptida; sedangkan yang terdiri atas tiga asam amino disebut tripeptida; dan seterusnya. Oligopeptida mengandung beberapa residu asam amino, sedangkan polipeptida mengandung sejumlah besar asam amino. Polipeptida alami yang terdiri atas 50 residu atau lebih disebut sebagai protein.

5. RANTAI POLIPEPTIDA Ke-20 asam amino secara umum memiliki atom karbon pusat (Ca) yang mengikat satu atom hidrogen, gugus amino (NH2), dan gugus karboksil (COOH). Yang membedakan satu asam amino dari yang lainnya yakni rantai samping yang menempel pada Ca melalui valensinya yang ke-empat. Terdapat 20 macam rantai samping yang ditentukan oleh kode genetik; sedangkan yang lainnya terdapat sangat langka sebagai produk dari modifikasi enzimatik setelah translasi. Asam-asam amino tersambung ujung ke ujung selama sintesis protein dengan pembentukan ikatan polipeptida pada saat gugus karboksil di satu asam amino bergabung dengan gugus amino di asam amino berikutnya dengan menghilangkan air (Gambar 2.5). Proses

60

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

ini diulang-ulang seiring dengan bertambah panjangnya rantai. Salah satu akibatnya, gugus amino pada asam amino pertama di suatu rantai polipeptida dan gugus karboksil pada asam amino terakhir tetap utuh, dan rantai tersebut dikatakan memanjang dari ujung amino ke ujung karboksilnya. Pembentukan ikatan-ikatan peptida menghasilkan suatu “rantai utama” atau “tulang punggung” di mana terdapat berbagai macam rantai samping. Atom-atom rantai utama adalah atom karbon Ca tempat menempelnya rantai samping, satu gugus NH terikat pada Ca, dan satu gugus karbonil C’=O dengan atom karbon C’ menempel pada Ca. Unit atau residu ini terikat ke dalam suatu polipeptida oleh ikatan peptida antara atom C’ di satu residu dan atom nitrogen di residu berikutnya. Dengan demikian, unit pengulangan dasar sepanjang rantai utama menurut sudut pandang biokimia atau genetika yakni (NH-CaH-C’=O), yang merupakan residu dari asam amino pada umumnya setelah ikatan peptida terbentuk (lihat Gambar 2.5). Asam amino biasanya dibagi ke dalam tiga kelompok yang ditentukan oleh sifat kimiawi rantai sampingnya. Kelompok pertama terdiri atas asam-asam amino yang memiliki rantai samping hidrofob: Ala (A), Val (V), Leu (L), Ile (I), Phe (F), Pro (P), dan Met (M). Empat residu bermuatan, Asp (D), Glu (E), Lys (K), dan Arg (R), membentuk kelompok kedua. Kelompok ketiga terdiri atas asam-asam amino yang memiliki rantai samping polar: Ser (S), Thr (T), Cys (C), Asn (N), Gln (Q), His (H), Tyr (Y), and Trp (W). Asam amino glisin (G), yang rantai sampingnya hanyalah sebuah atom hidrogen sehingga merupakan asam amino yang paling sederhana, memiliki sifat-sifat khusus dan biasanya dianggap membentuk kelompok keempat atau masuk kelompok pertama. Terdapat cara mudah untuk mengingat kode satu huruf asam amino. Jika hanya satu asam amino dimulai dengan huruf tertentu, huruf itu yang digunakan: C = Cys = Sistein H = His = Histidin I = Ile = Isoleusin

Bab 2 Asam Amino dan Peptida

61

M = Met = Metionin S = Ser = Serin V = Val = Valin

Asam Amino dan Peptida

Ikatan peptida

Gambar 2-5 Protein dibangun oleh asam amino yang dihubungkan oleh ikatan peptida untuk2-5 membentuk rantai oleh polipeptida. karbon pusat (C-alpha) Gambar Protein dibangun asam aminoAtom yang dihubungkan gugus karboksil (COOH), atom menempel aminorantai (NH2),polipeptida. oleh ikatan peptidapada untukgugus membentuk Atom karbon hidrogen (H), dan rantai samping (R). Dalam rantai polipeptida gugus pusat (C-alpha) menempel pada gugus amino (NH2), gugus karboksil karboksil dari asam amino n membentuk ikatan peptida, C-N, pada gugus (COOH), atom hidrogen (H), dan rantai samping (R). Dalam rantai amino dari asam amino n + 1. Satu molekul air dihilangkan dalam proses polipeptida gugus karboksil asam aminoresidu, n membentuk ikatan atom-atom ini. Unit-unit berulang,dari yang disebut dibagi menjadi peptida, C-N, padadan gugus amino dari asam aminorantai n + 1.utama, Satu molekul rantai utama rantai samping. Bagian yang sama persis semua residu, memiliki atom C-alpha pusat menempel air dalam dihilangkan dalam proses ini. Unit-unit berulang, yang disebut pada gugus NH, gugus C’=O,atom-atom dan atom rantai H. Rantai R, samping. yang berbeda pada residu, dibagi menjadi utamasamping dan rantai residu yang berbeda pula, terikat pada atom C-alpha.

Bagian rantai utama, yang sama persis dalam semua residu, memiliki atom C-alpha pusat menempel pada gugus NH, gugus C’=O, dan atom H. Rantai samping R, yang berbeda pada residu yang berbeda pula, terikat pada atom C-alpha. Asam amino biasanya dibagi ke dalam tiga kelompok yang ditentukan

oleh sifat kimiawi sampingnya. Kelompok pertama terdiri atas asamJika lebih dari rantai satu asam amino dimulai dengan huruf tertentu, huruf

dipakai untuk asam rantai amino samping yang paling banyak Ala terdapat: asam itu amino yang memiliki hidrofob: (A), Val (V), Leu (L), Ile A = Alanin (I), Phe (F), ProAla (P),= dan Met (M). Empat residu bermuatan, Asp (D), Glu (E), G = Gly = Glisin

Lys (K), dan Arg (R),= membentuk kelompok kedua. Kelompok ketiga terdiri atas L = Leu Leusin asam-asam amino yang memiliki rantai samping polar: Ser (S), Thr (T), Cys (C), Asn (N), Gln (Q), His (H), Tyr (Y), and Trp (W). Asam amino glisin (G),

62

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

P = Pro = Prolin T = Thr = Treonin Beberapa merupakan huruf bunyi: F R Y W

= = = =

Phe Arg Tyr Trp

= = = =

Fenilalanin Arginin Tirosin Triptofan

Yang lainnya, huruf yang dekat dengan inisial digunakan. Amida memiliki huruf dari tengah alphabet. Molekul yang lebih kecil (D, N, B) di awal alphabet daripada molekul yang lebih besar (E, Q, Z). D N B E Q Z K X

= = = = = = = =

Asp Asn Asx Glu Gln Glx Lys X

= = = = = = = =

Asam aspartat Asparagin Bukan D atau N Asam Glutamat Glutamin Bukan E atau Q Lisin Asam amino yang belum ditentukan

Pada gambar 2.5 menunjukkan salah satu cara untuk memisahkan rantai-rantai polipeptida, yang merupakan cara yang digunakan para ahli biokimia. Ada juga cara lain untuk memisahkan rantai utama menjadi unit-unit berulang, yang dipilih ketika kita ingin menjelaskan sifat struktur protein. Untuk tujuan ini, lebih baik membagi rantai polipeptida menjadi unit-unit peptida yang dimulai dari satu atom Cα ke atom Cα berikutnya (lihat Gambar 2.6). Setiap atom Cα, kecuali yang pertama dan terakhir, masuk ke dalam dua unit peptida. Alasan mengapa membagi rantai dengan cara ini yakni semua atom dalam unit peptida terletak pada bidang datar dengan panjang ikatan dan sudut ikatan yang sangat mendekati serupa dalam semua unit di semua protein. Perhatikan bahwa unit-unit peptida pada rantai utama tidak mengindahkan rantai samping yang berbeda (Gambar 2.6). Kita akan

Asam Amino dan Peptida

Bab 2 Asam Amino dan Peptida yang berbeda (Gambar 2.6).

63

Kita akan menggunakan kedua alternatif

menggunakan kedua alternatif penjelasan rantai polipeptida – yakni penjelasan rantai polipeptida – yakni biokimia dan struktur – dan membahas biokimia dan struktur dan amino membahas protein urutan asam protein dalam arti urutan–asam yang berbeda dandalam urutanarti unit-unit peptida amino yang berbeda dan urutan unit-unit peptida planar. planar.

Ikatan Peptida

Gambar 2-6. Bagian dari rantai polipeptida yang dibagi menjadi unitGambar 2-6 Bagian dari rantai polipeptida yang dibagi unit-unit unit peptida, digambarkan sebagai balok dalammenjadi diagram. Tiappeptida, unit digambarkan sebagai balok dalam diagram. Tiap unit peptida peptida mengandung atom Ca dan gugus C’=Opada residu n dan gugus mengandung atom C dan gugus C’=Opada residu n dan gugus NH dan padaresidu residu n ++1.1.Setiap seperti ini adalah gugus planar NH dan atomatom Ca Cpada Setiapunitunit seperti ini adalah gugus dan kaku dengan jarak ikatan dan sudut ikatan yang diketahui. R1, R2, planar dan kaku dengan jarak ikatan dan sudut ikatan yang diketahui. dan R3 adalah rantai samping yang menempel pada atom C yang unit-unit peptida dalam rantai polipeptida. Gugus R3 adalah rantai samping yang menempel pada atom Ca R1, R2, dan menghubungkan peptida berbentuk planar karena tambahan pasangan electron dari yang menghubungkan peptida dalam rantai polipeptida. Gugus ikatan C=Ounit-unit didelokalisasi pada gugus peptida sehingga rotasi keliling ikatan C-Nplanar dicegah karena oleh suatu penghalang pasangan energi. peptida berbentuk tambahan electron dari ikatan C=O didelokalisasi pada gugus peptida sehingga rotasi keliling Karena unit-unit peptida merupakan gugus yang bersifat kaku yang ikatan C-N dicegah oleh suatu penghalang energi. terikat pada rantai oleh ikatan kovalen pada atom C , maka satu-satunya

Karena unit-unit peptida merupakan gugus yang bersifat kaku yang terikat pada rantai oleh ikatan kovalen pada atom Cα, maka dapat berotasi mengelilingi dua ikatan serupa: ikatan C -C’ dan ikatan N-C satu-satunya derajat kebebasan yang dimiliki yakni rotasi mengelilingi (Gambar 2.7). Sesuai konvensi, sudut rotasi keliling ikatan N-C disebut phi ( ) ikatan ini. Setiap unit dapat berotasi mengelilingi dua ikatan serupa: dan sudut keliling ikatan C -C’ dari atom C yang sama disebut psi ( ). ikatan Cα-C’ dan ikatan N-Cα (Gambar 2.7). Sesuai konvensi, sudut Dengan cara ini,tiap residu asam amino dihubungkan dengan dua sudut rotasi keliling ikatan N-Cαdisebut phi (α) dan sudut keliling ikatan konformasi dan . karena merupakan satu- satunya derajat kebebasan, Cα-C’ dari atom Cα yang sama disebut psi (α). derajat kebebasan yang dimiliki yakni rotasi mengelilingi ikatan ini. Setiap unit

konformasi keseluruhan rantai utama polipeptida ditentukan apabila sudut dan

untuk tiap asam amino ditentukan dengan akurasi tinggi.

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

60

64

Biokimia: Struktur danAmino Fungsi Biomolekul Asam dan Peptida

Gambar Gambar 2-7

2-7 Diagram menunjukkan rantai polipeptida di mana Diagram menunjukkan rantai polipeptida di mana atom-atom rantai utama digambarkan sebagai unit peptida kaku, dihubungkan melalui atom-atom atom-atom rantai utama digambarkan sebagai unit peptida kaku, C . Tiap unit memiliki dua derajat kebebasan; yakni bisa dihubungkanberotasi melaluimengelilingi atom-atom dua Ca. ikatan,Tiap ikatanunit C -C’memiliki dan ikatandua N-C derajat . Sudut disebut phi ( ) dan keliling ikatan C -C’ disebut rotasi keliling N-C kebebasan; yakni bisa berotasi mengelilingi dua ikatan, ikatan Ca-psi ( ). Konformasi atom-atom rantai utama ditentukan oleh nilai kedua C’ dan ikatansudut N-Ca. Sudut rotasi keliling N-Ca disebut phi (f) dan ini untuk tiap asam amino. keliling ikatan Ca-C’ disebut psi (y). Konformasi atom-atom rantai Residuditentukan glisin dapatoleh membentuk berbagai macam konformasi utama nilai kedua sudut ini untuk tiap asam amino. Kebanyakan, kombinasi sudut

dan

untuk suatu asam amino tidak

Dengan cara ini, tiaphalangan residu asam aminorantai dihubungkan diperbolehkan dikarenakan sterik antara samping dan dengan rantai duautama. sudut konformasi φ dan ψ. karena merupakan satusatunya Dengan demikian bisa langsung dihitung kombinasi yang derajat kebebasan, konformasi keseluruhan rantai utama polipeptida diperbolehkan. Karena bentuk D- dan L- asam amino mempunyai orientasi ditentukan apabila sudut φ dan ψ untuk tiap asam amino ditentukan rantai samping yang berbeda dalam kaitannya dengan gugus CO, maka dengan akurasi tinggi. Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

61

Bab 2 Asam Amino dan Peptida

65

Residu glisin dapat membentuk berbagai macam konformasi Kebanyakan, kombinasi sudut j dan y untuk suatu asam amino tidak diperbolehkan dikarenakan halangan sterik antara rantai samping dan rantai utama. Dengan demikian bisa langsung dihitung kombinasi yang diperbolehkan. Karena bentuk D- dan L- asam amino mempunyai orientasi rantai samping yang berbeda dalam kaitannya dengan gugus CO, maka keduanya memiliki perbedaan sudut j dan y yang diperbolehkan. Protein yang dibangun dari D-asam amino akan mempunyai konformasi yang berbeda dari protein yang ditemukan di alam yang terbuat dari L-asam amino. Karena bentuk L- dan Dsetiap asam amino merupakan bayangan cermin satu sama lain, apakah protein yang dibuat dari residu bentuk D- akan membentuk struktur yang merupakan bayangan cermin dari protein alami? Stephen Kent dan kawan-kawan di Scripps Institute mensintesis bentuk L- serta D- dari HIV-1 protease. Enzim D- terbukti persis sebagai bayangan cermin dari enzim L-. Lebih lanjut, enzim D- dan enzim L- memiliki spesifisitas kiral yang bertolak belakang pada substrat peptida, enzim D- hanya mengenali dan memotong peptida yang terbuat dari Dasam amino. Mungkin pemilihan bentuk L- ketika evolusi terjadi pada kehidupan di bumi adalah pemilihan secara acak dan irrevocable. Pasangan sudut j dan y biasanya diplotkan dalam suatu diagram yang disebut sebagai plot Ramachandran, yang namanya diambil dari biofisikawan India, G.N. Ramachandran, yang pertama kali membuat perhitungan daerah-daerah yang diperbolehkan secara sterik. Gambar 2.8 menunjukkan hasil perhitungan seperti ini serta plot untuk semua asam amino kecuali glisin, yang diambil dari sejumlah protein yang telah ditentukan strukturnya dengan akurat. Tampak bahwa nilai-nilai yang diamati berkelompok di daerah yang diperbolehkan secara sterik. Terdapat satu pengecualian penting. Glisin, dengan hanya satu atom hidrogen sebagai rantai sampingnya, bisa memiliki jauh lebih banyak konformasi daripada residu lainnya, seperti terlihat dalam Gambar 2.8c. Karena itu glisin memiliki peran struktur yang sangat penting; yakni memperbolehkan terjadinya konformasi-konformasi rantai

66

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

utama langka dalam protein. Inilah satu alasan utama mengapa banyak residu glisin yang ada sepanjang urutan protein homolog. Daerah-daerah dalam plot Ramachandran dinamai sesuai dengan konformasi yang dihasilkan dalam suatu peptida jika sudut j dan y yang sesuai diulang dalam asam-asam amino sepanjang rantai. Daerah utama yang diperbolehkan dalam Gambar 2.8a adalah kelompok a-heliks tangan kanan, di kuadran kiri bawah; daerah luas untuk untai beta yang dipanjangkan baik struktur beta paralel maupun antiparalel di kuadran kiri atas; serta daerah kecil yang merupakan kumpulan aheliks tangan kiri di kuadran kanan atas. a-heliks tangan kiri biasanya ditemukan di daaerah loop atau di heliks a putaran tunggal kecil. Rantai-rantai samping ke-20 macam asam amino memiliki sifat kimia yang sangat berbeda dan digunakan untuk berbagai macam fungsi biologis. Namun keragaman sifat kimia ini juga terbatas, dan untuk beberapa fungsi atom logam lebih cocok dan lebih efisien. Reaksi transfer elektron merupakan satu contoh penting. Untungnya, rantai samping histidin, sistein, asam aspartat, dan asam glutamat adalah ligan logam yang baik, dan cukup banyak jumlah protein yang memakai atom logam sebagai bagian intrinsik strukturnya; logam-logam yang sering digunakan antara lain besi, seng, magnesium, dan kalsium. Penggunaan besi yang paling penting dalam sistem biologis yakni dalam darah kita, di mana eritrosit dipenuhi oleh protein pengikat oksigen, hemoglobin. Warna merah darah disebabkan oleh atom besi yang terikat pada gugus heme dalam hemoglobin. Atom besi terikat heme yang serupa terdapat dalam sejumlah protein yang terlibat dalam reaksi transfer elektron, terutama sitokrom. Penggunaan besi juga ditemukan pada enzim ribonukleotida reduktase yang mengkatalisis konversi ribonukleotida menjadi deoksiribonukleotida, yang merupa­ kan langkah penting dalam sintesis penyusun DNA.

Asam Amino dan Peptida

Bab 2 yang Asammerupakan Amino dankumpulan Peptida -heliks tangan kiri di kuadran kanan atas. tangan kiri biasanya ditemukan di daaerah loop atau di heliks

-heliks

67

putaran tunggal

kecil.

Gambar 2-8 Plot Ramachandran menunjukkan kombinasi yang Gambar 2-8 Plot Ramachandran menunjukkan kombinasi yang diperbolehkan untuk sudut konformasi phi dan psi. Karena phi (psi. ) dan psi ( ) menunjukkan diperbolehkan untuk sudut konformasi phi dan Karena phi (f) dan rotasi dua unit peptida kaku mengelilingi atom C yang sama, psi (y) menunjukkan rotasi duamenghasilkan unit peptida kakusterik mengelilingi atom kebanyakan kombinasi halangan antara atom-atom dalam gugus peptida berbeda maupun antara unit peptida dengan rantai Ca yang sama,samping kebanyakan kombinasi menghasilkan halangan sterik yang menempel pada C . Kombinasi ini tidak diperbolehkan. (a) Daerah berwarna daerah yang diperbolehkan secara antara atom-atom dalam gugusmenunjukkan peptida berbeda maupun antara unit sterik. Area yang diberi label , , dan L menunjukkan perkiraan sudut peptida dengankonformasi rantai yang samping yang menempel pada Ca. Kombinasi ditemukan untuk heliks tangan kanan, untai , dan heliks tangan kiri. (b) Nilai-nilai yang diamati untuk semua tipedaerah residu ini tidak diperbolehkan. (a) Daerah berwarna menunjukkan kecuali glisin. Tiap titik menunjukkan nilai dan untuk satu residu yang diperbolehkan secara sterik. diberi label dan asam amino dalam strukturArea sinar-xyang yang beresolusi tinggi.a, (c)b, Nilai yangL diamati untuk glisin.konformasi Perhatikan bahwa termasuk kombinasi menunjukkan perkiraan sudut yangnilai ditemukan untuk adan heliks yang tidak diperbolehkan untuk asam amino lainnya. tangan kanan, untai b, dan a heliks tangan kiri. (b) Nilai-nilai yang diamati untuk semua tipe residu kecuali glisin. Tiap titik menunjukkan nilai fBiokimia: dan yStruktur untuk satu residu asam amino dalam struktur sinar-x63yang dan Fungsi Biomolekul beresolusi tinggi. (c) Nilai yang diamati untuk glisin. Perhatikan bahwa nilai termasuk kombinasi f dan y yang tidak diperbolehkan untuk asam amino lainnya.

68

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

Ribonukleotida reduktase dari Escherichia coli dan mamalia mengandung pusat di-besi (Gambar 2.9) yang bereaksi dengan oksigen dan mengoksidasi rantai samping tirosin di dekatnya, menghasilkan radikal bebas tirosil yang sangat penting untuk katalisis. Kedua atom besi di pusat besi terletak berdekatan satu sama lain dan dijembatani oleh atom-atom oksigen dari rantai samping asam glutamat serta juga oleh satu ion oksigen yang disebut sebagai jembatan m-okso. Sama seperti molekul air, rantai samping asam glutamat, asam aspartat, dan histidin pada protein tersebut melengkapi ruang koordinasi pada atom besi yang berkoordinasi oktahedral. Seng digunakan untuk menstabilkan daerah ikatan DNA pada kelompok faktor transkripsi yang disebut jari seng. Ion-ion seng juga terlibat langsung dalam reaksi katalisis di berbagai enzim dengan cara mengikat molekul substrat dan menyediakan muatan positif yang mempengaruhi susunan elektronik pada substrat sehingga mempermudah reaksi katalisis. Salah satu contoh seperti ini ditemukan dalam enzim alkohol dehidrogenase, yang dalam ragi memproduksi alkohol selama fermentasi dan dalam hati kita mendetoksifikasi alkohol yang telah kita konsumsi dengan cara mengoksidasinya. Enzim ini menyediakan suatu penopang yang terdiri atas tiga ligan seng – satu rantai samping histidin dan dua rantai samping sistein – yang meninggalkan satu atom seng untuk mengikat alkohol sebagai ligan keempat dalam koordinasi tetrahedral (Gambar 2.9b).

6. REAKSI SISTEIN Dua residu sistein di bagian yang berbeda pada rantai polipeptida, tetapi berdekatan dalam struktur tiga dimensi protein, bisa dioksidasi untuk membentuk suatu jembatan disulfida (Gambar 2.10). Disulfida ini biasanya merupakan produk akhir dari oksidasi udara menurut skema reaksi berikut:

Asam Amino dan Peptida

telah kita konsumsi dengan cara mengoksidasinya. Enzim ini menyediakan suatuAmino penopang terdiri atas tiga ligan seng – satu rantai samping histidin Bab 2 Asam danyang Peptida dan dua rantai samping sistein – yang meninggalkan satu atom seng untuk

69

mengikat alkohol sebagai ligan keempat dalam koordinasi tetrahedral (Gambar 2.9b). 2-CH2SH + ½ O2

-CH2-S-S-CH2- + H2O

B

A

Gambar 2-9 Contoh-contoh atom logam intrinsik fungsional penting dalam protein. (a)

Gambar 2-9 Contoh-contoh atom logam intrinsik fungsional Pusat di-besi pada enzim ribonukleotida reduktase. Dua atom besi penting membentuk pusat redoks yang menghasilkan radikal bebas dalam rantai dalam protein.samping (a) Pusat di-besi padaAtom-atom enzimbesiribonukleotida reduktase. tirosin yang berdekatan. dijembatani oleh residu asam glutamate dan atom oksigen bermuatan negatif yang disebut Dua atom besi membentuk pusat redoksatomyang menghasilkan sebagai jembatan -okso. Koordinasi besi dilengkapi oleh rantai radikal samping histidin, asam aspartat, dan asam glutamate serta molekul air. bebas dalam rantai yangkatalitik berdekatan. Atom-atom besi (b) Atomsamping seng yangtirosin aktif secara dalam enzim alkohol dehidrogenase. Atom seng berkoordinasi dengan protein oleh satu rantai dijembatani oleh residu glutamate dan katalisis, atom oksigen bermuatan samping histidinasam dan dua sistein. Selama seng mengikat molekul alcohol dalam posisi sesuai untuk transfer hidrida pada koenzim, negatif yang disebut sebagai jembatan m-okso. Koordinasi atom besi nikotinamid. dilengkapi oleh rantai samping histidin, asam aspartat, dan asam glutamate serta molekul air. (b) Atom seng yang aktif secara katalitik dalam6.enzim REAKSIalkohol SISTEIN dehidrogenase. Atom seng berkoordinasi dengan protein oleh histidin Selama Dua satu residurantai sistein disamping bagian yang berbeda dan pada dua rantai sistein. polipeptida, katalisis,tetapi sengberdekatan mengikat molekul alcohol sesuai untuk untuk transfer dalam struktur tiga dimensidalam protein, posisi bisa dioksidasi membentuk suatu jembatan disulfida (Gambar nikotinamid. 2.10). Disulfida ini biasanya hidrida pada koenzim, merupakan produk akhir dari oksidasi udara menurut skema reaksi berikut:

Reaksi ini membutuhkan suatu lingkungan oksidatif, dan jembatan -CH -S-S-CH - + H O 2-CH SH + ½ O disulfida ini biasanya tidak detemukan dalam protein intrasel, yang menghabiskan umurnya dalam lingkungan reduktif yang esensial. Akan Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul 65 tetapi, jembatan disulfida terdapat cukup banyak pada protein ekstrasel yang dikeluarkan dari sel, dan dalam eukariot, pembentukan jembatan ini terjadi di dalam lumen retikulum endoplasma, kompartemen pertama pada jalur pengeluaran. Jembatan disulfida menstabilkan struktur tiga dimensi. Pada beberapa protein, jembatan ini mengikat rantai-rantai polipeptida yang berbeda; misalnya, rantai A dan B pada insulin dihubungkan oleh dua jembatan disulfida di antara rantai-rantai tersebut. Lebih banyak jembatan disulfida 2

2

2

2

2

protein, jembatan ini mengikat rantai-rantai polipeptida yang berbeda; misalnya, rantai A dan B pada insulin dihubungkan oleh dua jembatan disulfida di antara rantai-rantai tersebut. Lebih banyak jembatan disulfida yang Biokimia: Struktur intramolekul dan Fungsi Biomolekul 70 menstabilkan lipatan suatu rantai polipeptida tunggal, maka protein tersebut makin susah untuk degradasi.

Terdapat banyak contoh hal ini, termasuk

intramolekul yang menstabilkan lipatan suatu rantai polipeptida tunggal, protein yang rantai polipeptidanya pendek, seperti racun bisa ular dan inhibitor maka protein tersebut makin susah untuk degradasi. Terdapat banyak protease, yang membutuhkan faktor penstabil tambahan untuk mendapatkan contoh hal ini, termasuk protein yang rantai polipeptidanya pendek, lipatan yang stabil. Saat ini banyak usaha yang dilakukan untuk menempatkan seperti racun bisa ular dan inhibitor protease, yang membutuhkan faktor tambahan jembatan disulfida intramolekul ke dalam enzim dengan cara sitepenstabil tambahan untuk mendapatkan lipatan yang stabil. Saat ini banyak directed mutagenesis, dalam rangka membuat enzim lebih termostabil sehingga usaha yang dilakukan untuk menempatkan tambahan jembatan disulfida lebih berguna untuk penerapan sebagai katalis. intramolekul ke dalam enzimindustri dengan cara site-directed mutagenesis, dalam samping sistein dapat dioksidasi membentuk asamberguna amino sistin rangka Rantai membuat enzim lebih termostabil sehingga lebih untuk yang memiliki jembatan disulfida: penerapan industri sebagai katalis. NH3+

NH3+

CH

CH2

SH + HS

CH2 CH

COO-

COO+ 1/2 O2 NH3+

NH3+ CH

CH2

S

S

+ H2O

CH2 CH

COO-

- Amino dan Peptida Asam COO

Sistin

sistein

sistein

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

66 reduksi

oksidasi

sistin

Ikatan disulfida

Disulfide biasanya merupakan produk akhir dariproduk oksidasi udara menurut GambarGambar 2-102-10Disulfide biasanya merupakan akhir dari oksidasi skema reaksi skematik berikut: udara menurut skema reaksi-CH skematik berikut: -S-S-CH - + H O 2-CH SH + ½ O 2

2

2

2

2

Ikatan disulfida terbentuk antara rantai-rantai samping dua residu sistein. Dua gugus SH dari residu sistein, yang bisa jadi dalam bagian yang berbeda pada urutan asam amino tetapi berdekatan dalam struktur tiga dimensi, dioksidasi untuk membentuk satu gugus S-S (disulfida).

Bab 2 Asam Amino dan Peptida

2-CH2SH + ½ O2

71

-CH2-S-S-CH2- + H2O

Ikatan disulfida terbentuk antara rantai-rantai samping dua residu sistein. Dua gugus SH dari residu sistein, yang bisa jadi dalam bagian yang berbeda pada urutan asam amino tetapi berdekatan dalam struktur tiga dimensi, dioksidasi untuk membentuk satu gugus S-S (disulfida).

Rantai samping sistein dapat dioksidasi membentuk asam amino sistin yang memiliki jembatan disulfida: Jembatan disulfida sering ditemukan dalam struktur tertier protein, yakni jika rantai samping sistein cukup dekat untuk membentuk suatu jembatan. Selain itu, oksidasi gugus –SH bebas pada permukaan protein tertentu dapat menyebabkan dua molekul berbeda menjadi berikatan kovalen karena terbentuknya jembatan disulfida. Ini merupakan proses yang tak diinginkan dalam tubuh, karenanya sel seringkali mengandung zat pereduksi yang mencegah atau membalikkan reaksi tersebut. Zat pereduksi yang paling umum adalah glutation yang mampu mereduksi disulfida teroksidasi kembali menjadi bentuk sulfidril, dengan mengorbankan dirinya sendiri untuk teroksidasi. Sel mengandung sistem pereduksi lain dalam metabolismenya, yang kemudian dapat mereduksi kembali molekul glutation. Ikatan disulfida dapat diputuskan dalam laboratorium dengan menggunakan pereaksi yang mirip seperti glutation, yakni memiliki gugus –SH bebas. Pereaksi yang paling sering dipakai adalah merkaptoetanol, HO-CH2-CH2-SH. Ada pereaksi lain yang lebih kuat dalam mereduksi disulfida (me­ miliki standar potensial redoks yang lebih rendah), misalnya ditiotreitol yang memiliki dua gugus sulfidril. Oksidasi ditiotreitol menyebabkan tertutupnya cincin lingkar sehingga menghasilkan disulfida yang sangat stabil. Karena itu, ditiotreitol merupakan pereduksi yang lebih kuat daripada merkaptoetanol.

sehingga menghasilkan disulfida yang sangat stabil. Karena itu, ditiotreitol dua gugus sulfidril. Oksidasi ditiotreitol menyebabkan tertutupnya cincin lingkar merupakan pereduksi yang lebih kuat daripada merkaptoetanol. sehingga menghasilkan disulfida yang sangat stabil. Karena itu, ditiotreitol 72

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

merupakan pereduksi lebih kuat daripada merkaptoetanol. CHyang CH2 2 HO

CH

HO HO

SH CH2 CH SH

CH

HO

CH

S CH2 CH S

+ 1/2 O2 HO + 1/2 O2

SH

CH2 HO CH SH Ditiotreitol Tereduksi CH2

HO

CH

S

+

H2O

+

CH2

H2O

HO CH S Ditiotreitol Teroksidasi CH2

Ditiotreitol Tereduksi

Ditiotreitol Teroksidasi

Adanya ikatan disulfida dapat menyebabkan protein tidak bisa melarut, juga tidak bisa ditentukan urutannya. Karena itu oksidasi gugus sulfidril perlu Adanya ikatan dapat disulfida dapat menyebabkan tidakmelarut, bisa Adanya ikatan disulfida menyebabkan protein protein tidak bisa juga dicegah.melarut, Gugusjuga –SHtidak reaktif bisa dihalangi urutannya. oleh berbagai pereaksi kimia, antara bisa ditentukan Karena itu oksidasi tidak bisa ditentukan urutannya. Karena itu oksidasi gugus sulfidril perlu gugus sulfidril perlu dicegah. Gugus –SH reaktif bisa dihalangi oleh lain: dicegah. Gugus –SH reaktif dihalangi berbagai pereaksi kimia,bisa antara lain: oleh berbagai pereaksi kimia, antara 1. Iodoasetat. Pereaksi ini membentuk suatu turunan S-karboksimetil dari lain: 1. Iodoasetat. Pereaksi ini membentuk suatu turunan S-karboksimetil darisistein: residu sistein: residu 1. Iodoasetat. Pereaksi ini membentuk suatu turunan S-karboksimetil dari residu R sistein: SH + I R SH + I 2. N-Etilmaleimida.

CH2

COO-

CH COOdengan Reaksi 2

RS

CH2

COO- + HI

RS CH2 COO- mengakibatkan N -etilmaleimida + HI

2. N-Etilmaleimida. Reaksi dengan N-etilmaleimida mengakibatkan hilangnya absorbansi pereaksi tersebut panjanggelombang gelombang 305 hilangnya absorbansi pereaksi tersebutNpada pada panjang Reaksi dengan -etilmaleimida mengakibatkan 2. N-Etilmaleimida. nm. Karakteristik bisa dimanfaatkan untuk mengukur nm. 305 Karakteristik ini bisa ini dimanfaatkan untuk mengukur jumlah reaksi Asam Amino dan Peptida hilangnya absorbansi pereaksi tersebut pada panjang gelombang 305 jumlah reaksi berikut: berikut:

nm. Karakteristik ini bisa dimanfaatkan untuk mengukur jumlah reaksi berikut:

O

H

C NCH2CH3

C

H

C

R

S

C

+ RSH

C

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul O

N-Etilmaleimida

H

O

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

NCH2CH3 C O

68 68

Bab

3

PROTEIN

1. PENGANTAR Protein merupakan urutan linier dari residu asam-asam amino yang terhubung melalui ikatan peptida. Ikatan peptida adalah ikatan kovalen antara gugus-amino dari satu asam amino dan gugus -karboksil dari asam amino dan gugus-karboksil dari asam amino yang lain. Ikatan peptida memiliki karakter ikatan rangkap parsial dan hampir selalu dalam konfigurasi trans. Ketika dua asam amino digabungkan oleh ikatan peptida, mereka membentuk suatu dipeptida. Penambahan asam amino seterusnya menghasilkan rantai panjang yang disebut oligopeptida dan polipeptida. Protein merupakan polipeptida alami yang memiliki berat molekul lebih dari 5.000. Makromolekul ini sangat berbeda-beda sifat fisiknya, mulai dari enzim yang larut dalam air sampai keratin yang tak larut seperti rambut dan tanduk. Protein memiliki berbagai fungsi biologis yang berbeda-beda pula, yaitu: 1. Katalis enzim. Enzim merupakan protein katalis yang mampu meningkatkan laju reaksi sampai 1012 kali laju awalnya. 2. Transport dan penyimpanan. Banyak ion dan molekul kecil diangkut dalam darah maupun di dalam sel dengan cara berikatan pada protein pengangkut. Contohnya, hemoglobin merupakan protein pengangkut oksigen. Zat besi disimpan dalam berbagai jaringan oleh protein ferritin.

74

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

3. Fungsi mekanik. Protein ini menjalankan peranan sebagai pem­ bentuk struktur. Misalnya, protein kolagen menguatkan kulit, gigi, serta tulang. Membran yang mengelilingi sel dan organel juga mengandung protein yang berfungsi sebagai pembentuk struktur sekaligus menjalankan fungsi biokimia lainnya. 4. Pergerakan. Kontraksi otot terjadi karena adanya interaksi antara ua tipe protein filamen, yaitu aktin dan miosin. Miosin juga memiliki aktivitas enzim yang dapat memudahkan perubahan energi kimia ATP menjadi energi mekanik. 5. Pelindung. Antibodi merupakan protein yang terlibat dalam perusakan sel asing. 6. Proses informasi. Rangsangan luar seperti sinyal hormon atau intensitas cahaya dideteksi oleh protein tertentu yang meneruskan sinyal ke dalam sel. Contoh protein seperti ini misalnya rodopsin yang terdapat dalam membran sel retina. Fungsi-fungsi protein ini berkaitan dengan struktur protein yang masing-masing dapat melakukan ikatan spesifik dengan molekulmolekul tertentu. Misalnya, hemoglobin mengikat oksigen, antibodi mengikat molekul asing tertentu, enzim mengikat molekul substrat tertentu.

2. PEMURNIAN DAN KARAKTERISASI PROTEIN Langkah pertama dalam pemurnian protein adalah memisahkan molekul protein dari zat terlarut lain yang memiliki berat molekul rendah. Kemudian dilakukan beberapa derajat pemisahan protein yang berbeda-beda, berdasarkan sifat-sifat fisik protein seperti muatan listrik, ukuran molekul, serta kelarutan dalam berbagai macam pelarut. Akhirnya, dilakukan proses kromatografi afinitas yang merupakan proses pemurnian tingkat tinggi yang berdasarkan afinitas spesifik senyawa tertentu yang berikatan dengan suatu padatan.

Bab 3 Protein

75

Molekul protein yang memiliki berat molekul lebih dari 5.000 tidak akan dapat melewati membran selofan. Permeabilitas selektif ini merupakan dasar dari proses dialisis. Proses dialisis biasanya dilakukan dengan menaruh larutan protein ke dalam kantung selofan lalu men­ celupkan kantung tersebut dalam larutan penyangga. Molekul-molekul kecil akan berdifusi melewati kantung menuju larutan penyangga, sedangkan protein tetap berada dalam kantung. Protein-protein tertentu dapat diendapkan dari campuran ber­ macam-macam protein. Pengendapan dilakukan dengan menambahkan zat kimia tertentu, yakni: garam netral seperti amonium sulfat (salting out); pelarut organik seperti etanol atau aseton; atau zat pengendap seperti asam trikloroasetat. Protein paling sedikit melarut dalam pelarut apapun bila nilai pH sama dengan titik isoelektriknya (pHI). Pada titik isoelektrik ini protein tidak bermuatan sehingga tolakan elektrostatik antara molekul protein menjadi minimal. Meskipun protein bisa saja memiliki muatan negatif sekaligus muatan positif pada titik isoelektriknya, tetapi muatan totalnya nol. Elektroforesis berarti pergerakan molekul protein bermuatan listrik dalam suatu medan listrik. Prinsip elektroforesis ini dipakai untuk memisahkan molekul-molekul protein yang berbeda. Elektro­ foresis protein menggunakan kertas atau gel poliakrilamida. Dalam elektroforesis sering digunakan istilah anoda dan katoda yang membingungkan. Perlu diingat bahwa anion adalah ion bermuatan negatif. Dalam elektroforesis, anion bergerak menuju anoda. Kromatografi penukar ion bergantung pada interaksi elektrostatik antara protein bermuatan dengan partikel resin penukar ion yang muatannya berlawanan. Kekuatan tarik menarik antara protein dan partikel resin tergantung pada besarnya muatan protein (juga pH larutan) dan pada konstanta dielektrik medium. Interaksi ini bisa dimodifikasi dengan mengatur pH larutan atau mengatur konsentrasi garam. Pemisahan protein berdasarkan ukuran bisa dilakukan mengguna­ kan teknik filtrasi gel. Teknik ini bergantung pada kemampuan molekul protein untuk berdifusi ke dalam pori-pori matriks gel dalam

76

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

suatu kolom. Bahan gel yang biasa dipakai adalah dekstran (polimer dari glukosa) yang berbentuk butiran kecil. Bahan ini dijual dengan nama komersial Sephadex, yang terdapat dalam berbagai ukuran poripori. Bila protein berukuran lebih besar daripada pori-pori matriks yang terbesar, maka difusi tidak akan terjadi sehingga protein dielusi dengan cepat. Molekul yang lebih kecil daripada pori-pori yang terkecil akan berdifusi dengan bebas ke dalam semua partikel gel dan dielusi belakangan, yakni setelah dialiri larutan penyangga yang volumenya lebih besar. Struktur dan sifat peptida maupun protein sangat tergantung pada urutan asam amino dalam rantai peptida. Insulin adalah protein yang pertama kali diurutkan susunan asam aminonya secara lengkap (51 residu asam amino), yakni oleh F. Sanger di tahun 1953. Proses pengurutan protein kini dilakukan menggunakan mesin pengurut protein otomatis (automated protein sequencers). Identifikasi asam amino dilakukan secara step-by-step pada ujung N protein, dengan menggunakan proses kimia yang dikenal sebagai degradasi Edman. Asam amino pertama dalam urutan suatu peptida (residu ujung-N) bisa ditentukan dengan cara mereaksikan peptida dengan fenilisotiosianat. Pada pH netral, senyawa fenilisotiosianat bereaksi dengan gugus a-amino. Setelah dilakukan hidrolisis asam lemah, hasil reaksi akan bersiklisasi (melingkar), dengan melepaskan residu yang paling ujung sebagai turunan feniltiohidantoin (PTH). Seluruh proses ini adalah proses degradasi Edman (Gambar 3-1). Turunan PTH lalu dianalisis untuk menentukan asam amino asalnya serta kuantitasnya. Pereaksi lain yang juga bisa digunakan untuk mengidentifikasi ujung N antara lain dansil klorida dan fluoro-2,4-dinitrobenzen. Senyawa-senyawa ini dapat bereaksi dengan residu ujung amino.

dengan melepaskan residu yang paling ujung sebagai turunan feniltiohidantoin (PTH).

Seluruh proses ini adalah proses degradasi Edman (Gambar 3-1).

Turunan PTH lalu dianalisis untuk menentukan asam amino asalnya serta Bab 3 Protein 77 kuantitasnya.

N

S + H2N

C

H

O

C

C

H NH

R1

C R2

Fenilisotiosianat

pH netral

H

S

H

H

O

N

C

N

C

C

H NH

C

R1

R2 pH asam

H

S N

C

+ H3N

C

Protein

C N H R2 O C H juga bisa R1 digunakan untuk mengidentifikasi ujung N antara Pereaksi lain yang

lain dansilFeniltiohidantoin klorida dan fluoro-2,4-dinitrobenzen. Senyawa-senyawa ini dapat bereaksi denganGambar residu ujung 3-1 amino. Reaksi

Edman Gambar 3-1 Reaksireaksi reaksi degradasi degradasi Edman H3C

N

CH3 NO2

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

73

NO2 O

S

O

F

Cl Dansil klorida

Fluoro-2,4-dinitrobenzen

Banyak protein yang mengandung ratusan residu asam amino, Banyak protein yang mengandung ratusan residu asam amino, sehingga kurang efektif bila dilakukan penentuan seluruh urutan asam

sehingga kurang efektif bila dilakukan penentuan seluruh urutan asam

aminonya sekaligus. Hal ini dikarenakan meningkatnya ketidakpastian pada tiap tahap pengurutan. Akan lebih mudah bila dilakukan pemotongan protein

sehingga kurang efektif bila dilakukan penentuan seluruh urutan asam aminonya sekaligus. Hal ini dikarenakan meningkatnya ketidakpastian pada 78

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

tiap tahap pengurutan. Akan lebih mudah bila dilakukan pemotongan protein terlebih dahulu, agar didapat potongan-potongan protein yang lebih kecil untuk

aminonya sekaligus. Hal ini dikarenakan meningkatnya ketidakpastian

diurutkan. itu, protein bisa saja mengandung jembatan disulfida yang pada Selain tiap tahap pengurutan. Akan lebih mudah bila dilakukan

pemotonganresidu-residu protein terlebih dahulu, agar didapat potongan-potongan menghubungkan sistein pada bagian-bagian rantai yang berbeda protein yang lebih kecil untuk diurutkan. Selain itu, protein bisa saja mengandung jembatan disulfida yang menghubungkan residu-residu proteinsistein dapatpada diurutkan. bagian-bagian rantai yang berbeda atau berjauhan. Ikatan disulfida terlebih dahuluuntuk sebelum protein dapat Salah ini satuharus caradiputuskan yang sering digunakan memotong polipeptida diurutkan. menjadi fragmen-fragmen lebih kecil adalah dengan hidrolisis oleh enzim Salah satu carayang yang sering digunakan untuk memotong tripsin.polipeptida Tripsin adalah pencernaanyang yang diproduksi oleh pankreas. menjadienzim fragmen-fragmen lebih kecil adalah dengan oleh enzimikatan tripsin.peptida Tripsin pada adalahsisi enzim pencernaan Enzimhidrolisis ini menghidrolisis karboksil residuyang lisin dan diproduksi oleh pankreas. Enzim ini menghidrolisis ikatan peptida argininpada (bermuatan positif): sisi karboksil residu lisin dan arginin (bermuatan positif ): atau berjauhan. Ikatan disulfida ini harus diputuskan terlebih dahulu sebelum

Tripsin

R1

Lys

Ala

R1

R2

Lys

COO- + NH3+ Ala

R2

Protein

Enzim lain yang biasa digunakan untuk pemotongan protein secara selektif kimotripsin. Enzim menghidrolisis Enzim lain adalah yang biasa digunakan untukkimotripsin pemotongan protein secaraikatan selektif peptida pada sisiEnzim karboksil residu menghidrolisis aromatik (fenilalanin, tirosin, dansisi adalah kimotripsin. kimotripsin ikatan peptida pada triptofan): karboksil residu aromatik (fenilalanin, tirosin, dan triptofan): Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul Kimotripsin

R1

Phe

Ser

74

R1

R2

Phe

COO- + NH3+ Ser

R2

Metode kimia non enzimatik untuk pemotongan polipeptida secara Metoda kimia non menggunakan enzimatik untukpereaksi pemotongan polipeptida secara spesifik spesifik yakni sianogen bromida (CNBr). Pereaksi ini bereaksi dengan residu metionin: yakni menggunakan pereaksi sianogen bromida (CNBr). Pereaksi ini bereaksi dengan residu metionin:

H R1

C O

N

H

H CH

C

CH2

O

N

R2

R1

C O

N

H CH

C

CH2

O

N

R2

Metoda kimia non enzimatik untuk pemotongan polipeptida secara spesifik yakni menggunakan pereaksi sianogen bromida (CNBr). Pereaksi ini bereaksi Bab 3 Protein 79 dengan residu metionin:

H R1

C

N

O

H

H CH

C

CH2

O

N

R1

R2

C

H

N

CH

O

C

N

R2

CH2 O CH2

CH2 S

CH3

C

S

H2O

CN

+

+ Br

CH3

N

Br-

H R1

C O

N

O CH

C

CH2

O

+ H3N

R2

CH2

protein telah dan masing-masing fragmen peptidanya BilaBilaprotein telahdipotong dipotong dan masing-masing fragmen telah ditentukan urutannya, makaurutannya, masalahnyamaka sekarang adalah bagaimana peptidanya telah ditentukan masalahnya sekarang adalah bagaimana menyusun urutan fragmen-fragmen tersebut menyusun urutan fragmen-fragmen tersebut dalam susunan yang benar. dalam Untuk susunan yangdiperlukan benar. Untuk setidaknya set urutan itu, setidaknya dua setitu, urutan fragmen diperlukan peptida, yangdua masing-masing fragmen peptida, yang masing-masing set dipotong pada sisi yang set dipotong pada sisi yang berbeda. berbeda. Sebagian protein mengandung senyawa lain selain asam amino. Sebagian protein mengandung senyawa lain selain asam amino. Protein seperti ini disebut sebagai protein konjugasi. Bagian selain asam amino Protein seperti ini disebut sebagai protein konjugasi. Bagian selain pada protein disebut sebagai gugus bagian asam amino konjugasi pada protein konjugasi disebutprostetik, sebagai sedangkan gugus prostetik, asam amino bagian pada protein sebagai apoprotein. Contohsebagai protein sedangkan asamtersebut aminodikenal pada protein tersebut dikenal apoprotein. Contoh protein konjugasi antara lain glikoprotein dan proteoglikan yang mengandung karbohidrat dalam ikatan kovalen, serta lipoprotein lipid sebagai gugus prostetiknya.75 Biokimia: Struktur danyang Fungsimengandung Biomolekul Tiap protein memiliki berat molekul yang unik. Ukuran atau berat molekul suatu protein pada kondisi tertentu dapat membedakannya dari protein-protein lain. Berat molekul (lebih tepat, berat molekul relatif ), Mr, tidak mempunyai dimensi. Mr menunjukkan massa molekul relatif terhadap 1/12 massa atom 12C. Massa molekul itu sendiri biasanya ditulis dalam satuan dalton (Da) atau kilodalton (kDa), dengan 1 Da adalah 1/12 massa atom 12C (1,66 x 10-24 g). Massa molar adalah massa

80

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

satu mol yang ditulis dalam gram. Ketiga ukuran yang disebutkan tadi memiliki nilai numerik yang sama, tetapi dengan satuan yang berbeda. Sebagai contoh, serum albumin dapat ditulis memiliki berat molekul 66.000, atau massa molekul 66 kDa, atau massa molar 66 kg mol-1. Berat molekul suatu protein ditentukan oleh urutan asam amino, modifikasi post-translasi (misalnya glikosilasi), serta gugus nonpeptida (misalnya logam dan kofaktor). Berat sebenarnya dari suatu rantai polipeptida dapat dihitung dari urutan asam aminonya, tetapi ada perhitungan yang lebih mudah untuk memperkirakan berat kasar polipeptida, yakni perhitungan rule-of-thumb (aturan ibu jari). Perhitungan rule-of-thumb berdasarkan pada proporsi asam-asam amino yang ditemukan dalam sebagian besar protein; sehingga berat molekul didapat dengan mengalikan jumlah residu dengan 110. Protein yang memiliki struktur kuaterner disusun oleh beberapa rantai polipeptida terpisah yang ditahan oleh interaksi non kovalen. Berat molekul komponen rantai polipeptida dalam protein seperti ini dapat ditentukan dalam kondisi disosiasi, yakni 8 M urea untuk melemahkan ikatan hidrogen dan interaksi hidrofob, dan 1 mM merkaptoetanol untuk memutuskan ikatan disulfida. Dari perbandingan dengan berat molekul keseluruhan, dapat ditentukan jumlah rantai polipeptida yang terlibat dalam struktur awalnya (struktur kuarterner). Berat molekul suatu protein dapat ditentukan menggunakan metode termodinamika, misalnya pengukuran tekanan osmosis, dan juga analisis sedimentasi dalam ultrasentrifuga. Tekan osmosis sensitif terhadap jumlah molekul dalam larutan, sehingga bila massa protein total dalam larutan telah diketahui maka berat molar dapat dihitung. Sedimentasi molekul protein dalam sentrifuga tergantung pada massa molekul. Berat molekul suatu protein juga bisa diperkirakan dengan menggunakan filtrasi gel, atau dari pengukuran kecepatan migrasi molekul melalui gel elektroforesis; hasil pengukuran-pengukuran ini kemudian dibandingkan dengan sejumlah berat molekul standar yang telah diketahui. Untuk menentukan berat molekul protein secara akurat dapat digunakan teknik spektrometri massa.

Bab 3 Protein

81

Massa molar (M) suatu zat terlarut bisa ditentukan dari pengukuran koefisien sedimentasi (s) dan koefisien difusi (D) menurut persamaan Svedberg: RTs M= D(1 − vρ) dengan R adalah tetapan gas, T adalah suhu mutlak, volume spesifik parsial dari zat terlarut, dan r adalah kerapatan pelarut. Koefisien sedimentasi tergantung pada ukuran, bentuk, dan berat molar zat terlarut. Koefisien sedimentasi ini ditentukan dari kecepatan sedimentasi zat terlarut dalam medan gravitasi suatu ultrasentrifuga. Koefisien difusi tergantung pada ukuran dan bentuk zat terlarut, dan ditentukan dari kecepatan terbentuknya perbatasan antara larutan dan pelarut murni. Koefisian sedimentasi sering ditulis dalam satuan Svedberg (S), yang namanya diambil dari Thé Svedberg, penemu sentrifuga: Koefisien sedimentasi beberapa protein dapat dilihat pada daftar berikut. Protein

Mr

s

Lisozim

14.000

1,9 S

Hemoglobin

64.500

4,5 S

Katalase

248.000

11,3 S

Urease

480.000

18,6 S

Volume yang dibutuhkan untuk mengelusi protein globular dari kolom filtrasi gel merupakan fungsi penurunan dari berat molekul. Bila hasil elusi protein sampel dibandingkan dengan serangkaian berat molekul standar yang telah diketahui, maka perkiraan berat molekul protein sampel dapat diinterpolasi (Gambar 3-2).

Protein Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

82

200

160

120

80 4

5

6

Log Mr Gambar 3-2

Gel filtrasi protein. Serangkaian protein yang Mr-nya berbeda dianalisis dalam kolom Sephadex G-200 untuk mengetahui volume elusi Vel masing-masing. Volume elusi ini diplotkan dalam grafik, dengan dua titik data yang ditunjukkan oleh lingkaran putih tidak dipakai untuk membentuk kurva kalibrasi.

Gambar 3-2 Gel filtrasi protein. Serangkaian protein yang Mr-nya berbeda dianalisis dalam kolom Sephadex G-200 untuk mengetahui volume elusi Vel masing-masing. Volume elusi ini diplotkan dalam grafik, dengan dua titik data yang ditunjukkan oleh lingkaran putih tidak dipakai untuk membentuk Protein Mr Vel (mL) kurva kalibrasi. Dekstran biru* 106 85 Lisozim 14.000 Kimptripsinogen Mr 25.000 Ovalbumin 45.000 Serum albumin 106 65.000 Aldolase 150.000 14.000 Urease 500.000 25.000 Ferritin** 700.000 Ovomukoid** 45.00028.000 Sampel enzim –

* **

200 190 170 150 125 90 92 160 130

Protein Vel (mL) Dekstran biru* 85 Lisozim 200 Kimptripsinogen 190 Ovalbumin 170 Serum albumin *Dekstran biru merupakan 65.000karbohidrat yang berat 150 molekulnya besar yang mengandung molekul Aldolase 150.000 125 pewarna yang terikat secara kovalen. **Tidak digunakan dalam kurva kalibrasi. Urease 500.000 90 Ferritin** 700.000 92 Dalam deterjen natrium dodesil Ovomukoid** 28.000sulfat (SDS), banyak protein 160 yang terpisahkan dan terbuka lipatannya. – Sama seperti volume elusi,130 mobilitas Sampel enzim elektroforesis rantai-rantai polipeptida yang terdenaturasi oleh SDS juga

Dekstran biru merupakan karbohidrat yang berat molekulnya besar yang mengandung molekul pewarna yang terikat secara kovalen.

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

Tidak digunakan dalam kurva kalibrasi.

78

Bab 3 Protein

83

Dalam deterjen natrium dodesil sulfat (SDS), banyak protein yang terpisahkan dan terbuka lipatannya. Sama seperti volume elusi, mobilitas elektroforesis rantai-rantai polipeptida yang terdenaturasi oleh SDS juga merupakan fungsi penurunan dari berat molekul. Dengan demikian, berat molekul protein sampel dapat disimpulkan dari mobilitas-mobilitas standar. Dalam teknik filtrasi gel maupun teknik gel elektroforesis, sifat hidrodinamik tergantung pada bentuk molekul. Karena itu harus dianggap bahwa bentuk protein sampel adalah sama dengan bentuk proteinprotein standar (misalnya berbentuk bola, elips, dan sebagainya). Filtrasi gel sangat tergantung pada ukuran efektif, bukan massa. Karena itu, jika kerapatan protein sampel berbeda dengan standar, maka perkiraan berat molekulnya akan tidak tepat. Protein mengikat SDS, dan dianggap bahwa jumlah SDS yang terikat per gram adalah sama untuk semua protein. Perbedaan jumlah ikatan per molekul akan menghasilkan perbedaan muatan total dan mobilitas elektroforesis, sehingga akan didapat besar berat molekul yang salah. Dahulu, penggunaan spektrometri massa untuk menentukan berat molekul makromolekul biologis sangat terbatas. Hal ini dikarenakan penguapan sampel dapat menyebabkan dekomposisi termal. Selama bertahun-tahun telah dikembangkan berbagai teknik untuk mengatasi masalah tersebut, dan sekarang spektrometri massa merupakan alat yang digunakan secara rutin dalam sebagian besar laboratorium biokimia. Metode yang kini digunakan untuk menganalisa sampel antara lain: matrix assisted laser desorption (MALDI), yakni sampel dibungkus dalam matriks organik yang memiliki berat molekul rendah kemudian disinari laser UV; electrospray, yakni protein sampel dibuat larutan asam encer kemudian disemprotkan dari jarum bermuatan positif ke dalam kamar vakum (pelarut yang mengelilingi protein menguap dengan cepat meninggalkan molekul protein yang bermuatan positif ); serta plasma desorption, yakni menggunakan partikel bermuatan yang berenergi tinggi untuk membebaskan sampel dari suatu pendukung logam. Spektrometri massa memiliki ketepatan sampai sekitar 0,01

84

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

% dengan hanya membutuhkan beberapa pikomol sampel, dan dapat digunakan untuk menentukan berat molekul dalam berbagai ukuran, mulai dari asam amino tunggal sampai protein yang lebih besar dari 100 kDa.

3. PELIPATAN PROTEIN Protein biasanya melipat membentuk struktur tiga dimensi yang teratur dan kompak. Untuk memahami fungsi protein, perlu diketahui mengenai konformasi atau pola lipatan tiga dimensi yang dimiliki rantai polipeptida. Banyak poli asam amino buatan tidak memiliki konformasi yang baik sehingga terlihat seperti random coils dalam larutan. Akan tetapi kebanyakan protein biologis alami memiliki struktur lipat yang baik. Beberapa protein seperti keratin rambut serta bulu memiliki bentuk serat dan tersusun dalam struktur linear atau lembaran yang polanya berulang-ulang secara teratur. Protein lainnya seperti enzim, terlipat dalam konformasi globular (bulat) seperti bola yang kompak. Pelipatan protein menjadi struktur kompak berlangsung dengan diiringi penurunan entropi konformasi protein. Konformasi lipat ini dipertahankan oleh sejumlah interaksi nonkovalen lemah yang meredam penurunan entropi. Interaksi-interaksi nonkovalen ini antara lain ikatan hidrogen, interaksi elektrostatik, interaksi hidrofob, dan interaksi van der Waals. Semua interaksi tersebut membuat protein lipat lebih stabil daripada bentuk tak terlipat. Partikel-partikel bermuatan saling berinteraksi satu sama lain menurut hukum Coulomb: Z AZ Bε 2 ∆E = DrAB dengan DE adalah energi interaksi elektrostatik, ZA dan ZB adalah jumlah muatan kedua partikel yang berinteraksi, rAB adalah jarak antara kedua partikel, e adalah muatan elektron, dan D adalah tetapan dielektrik medium. Bila kedua muatan saling berlawanan, energi inter-

Bab 3 Protein

85

aksi menurun saat keduanya saling mendekati, sehingga interaksi terjadi dengan baik. Separuh muatan negatif pada protein (seperti rantai samping Protein karboksilat dalam residu Asp dan Glu) seringkali berinteraksi dengan rantai samping bermuatan positif pada residu Lys, Arg, atau His. Interaksiyang elektrostatik membentuk hidrogen memperkuat ini tarikan elektrostatik jembatan (perhatikangaram, gambar dengan 3.3 berikut beberapa derajat ikatan hidrogen yang memperkuat tarikan elektrostatik ini). (perhatikan gambar 3.3 berikut ini). Glutamat

C O

O Ikatan hidrogen

H H

H

N

N

H

C Arginin

N

H

Gambar 3-3 Jembatan garamantara antara rantai-rantai samping Gambar 3-3 Jembatan garam rantai-rantai samping residu residu Arg danArg Glu. dan Glu. Energi yang menyertaipasangan pasangan dalamsuatu suatuprotein proteinyakni yakni0,5 0,5 – Energi yang menyertai ioniondalam -1 -1 -1 – 1,5 kJ mol untuk interaksi di permukaan, sampai kJ-1 mol 1,5 kJ mol untuk interaksi di permukaan, sampai 15 kJ15 mol untukuntuk interaksi interaksi elektrostatik antara residu-residu yang berada di bagian dalam elektrostatik antara residu-residu yang berada di bagian dalam protein. Dalam protein. Dalam hal ini tetapan dielektriknya lebih rendah daripada air hal ini tetapan dielektriknya lebih rendah daripada air (tetapan dielektrik air (tetapan dielektrik air sebesar 80). sebesar 80). atom maupun molekul saling tarik menarik satu sama Semua Semuaadanya atom maupun salingSuatu tarik menarik lain karena interaksi molekul dipol-dipol. molekul satu tidaksama perlulain memiliki muatan total untuk dapat melakukan interaksi dipolar. karena adanya interaksi dipol-dipol. Suatu molekul tidak perlu memiliki muatan Kerapatan elektron dapat menjadi sangat tidak merata bila atom-atom total untuk dapat melakukan interaksi dipolar. Kerapatan elektron dapat yang berinteraksi mempunyai keelektronegatifan yang berbeda. menjadi sangat tidak merata bila atom-atom yang berinteraksi mempunyai Atom-atom yang paling elektronegatif mempunyai “kelebihan” keelektronegatifan yang berbeda. muatan negatif yang paling besar, yakni atom O (keelektronegatifan Atom-atom yang N paling elektronegatif “kelebihan” muatan negatif sebesar 3,44); (3,04); C (2,55); mempunyai dan H (2,20); seluruhnya dalam skalapaling keelektronegatifan 0,8O– (keelektronegatifan 4. yang besar, yakni atom sebesar 3,44); N (3,04); C (2,55); dan H (2,20); seluruhnya dalam skala keelektronegatifan 0,8 – 4. Interaksi dipolar ini dikenal sebagai interaksi van der Waals. Interaksi

86

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

Interaksi dipolar ini dikenal sebagai interaksi van der Waals. Interaksi ini bersifat lemah dan berjarak dekat. Apabila atom-atom dalam interaksi van der Waals berada terlalu dekat satu sama lain, akan terjadi tolakan yang kuat. Energi interaksi van der Waals (Evdw) biasanya diberikan oleh persamaan berikut:

Protein

dengan d adalah jarak interatom, a dan b adalah tetapan positif. Persamaan di

a b E = − vdw Lennard-Jones atas seringkali disebut potensial 6,12 . d 12 d 6 Jarakd optimal untukinteratom, interaksi van derbWaals atom-atom dengan adalah jarak a dan adalahadalah tetapanketika positif. di atas seringkali 6,12daripada Lennard-Jones. yang Persamaan berinteraksi terpisah 0,3 –disebut 0,5 Å potensial lebih besar jumlah jari-jari van Jarak optimal untuk interaksi van der Waals adalah ketika atomder Waals-nya sebagai yang teramati atom yang (didefinisikan berinteraksi terpisah 0,3 jarak – 0,5kontak Å lebihminimum besar daripada jari-jari van der Waals-nya (didefinisikan jarak van kontak antarajumlah atom-atom dalam suatu kristal). Energisebagai interaksi der Waals minimum yang antara atom-atom dalamdihasilkan suatu kristal). Energi -1 biasanya kurang dariteramati 1 kJ mol . Ikatan hidrogen dari suatu interaksi interaksi van der Waals biasanya kurang dari 1 kJ mol-1. Ikatan hidrogen elektrostatik antara atominteraksi hidrogen yang terikat kovalenyang pada atom dihasilkan dari suatu elektrostatik antara secara atom hidrogen terikat secara kovalen atom elektronegatif (sepertielektronegatif O, N, atau S),lain yang elektronegatif (seperti O,pada N, atau S), dengan atom dengan atom elektronegatif lain yang mempunyai pasangan elektron mempunyai pasangan elektron tak berikatan: tak berikatan: O Donor

H

O

C

Akseptor

Meskipun atom hidrogen terikat pada gugus donor, tetapi sebenarnya

Meskipun atom hidrogen terikat pada gugus donor, tetapi

atom sebenarnya tersebut dipakai bersamadipakai baik oleh donorbaik maupun akseptor. Kebanyakan atom tersebut bersama oleh donor maupun

ikatan hidrogen yang terdapat dalam tulang proteinpunggung ikatanakseptor. hidrogenKebanyakan yang terdapat dalam protein berada di antara berada di antara tulang punggung gugus C=O dan N–H, dengan jarak H∙∙∙O sebesar 1,9 – 2,0 Å. Ikatan hidrogen jenis ini diperkirakan jenis menyumbang ini diperkirakan menyumbang sekitar ~5 kJprotein mol-1 pada sekitar ~5 kJ mol-1 pada stabilitas dalamstabilitas larutan protein -1 Ikatan hidrogen ituhidrogen sendiri besarnya bervariasi antara 2 kJ molantara dalamencer. larutan encer. Ikatan itu sendiri besarnya bervariasi 2 kJ -1 sampai 7,5 kJ mol . -1 -1 gugus C=O dan N–H, dengan jarak H···O sebesar 1,9 – 2,0 Å. Ikatan hidrogen

mol sampai 7,5 kJ mol .

Tabel 3-1 Jenis-jenis Interaksi Nonkovalen yang Terlibat dalam Stabilitas Struktur Protein

Energi ikatan

Bab 3 Protein

87

Tabel 3-1 Jenis-jenis Interaksi Nonkovalen yang Terlibat dalam Stabilitas Struktur Protein Interaksi

Contoh

Energi ikatan (kJ mol-1)*

van der Waals

C–H∙∙∙H–C

0,4 – 2,0

Elektrostatik

–COO-∙∙∙H3N+–

0,5 – 15

–N–H∙∙∙O=C–

2,0 – 7,5

–CH2–

~3

Ikatan hidrogen Hidrofob**

* Energi ikatan adalah energi yang dibutuhkan untuk memutuskan interaksi. ** Nilai ini menggambarkan energi bebas yang dibutuhkan untuk memindahkan gugus –CH2– dari rantai samping nonpolar di bagian dalam protein menuju ke dalam air.

Adanya gugus nonpolar di dalam air akan menurunkan entropi larutan. Karena itu, pemindahan gugus nonpolar dari air ke dalam suatu lingkungan nonpolar akan disertai dengan peningkatan entropi molekul air, yang prosesnya berlangsung secara spontan. Pelipatan rantai protein membentuk konformasi globular yang kompak dapat menghilangkan kontak antara gugus nonpolar dengan air. Molekul air yang dibebaskan akan meningkatkan entropi, sedangkan rantai polipeptida yang terlipat akan mengalami penurunan entropi. Pembungkusan gugus metilen (–CH2–) ke bagian interior protein memiliki energi ~3 kJ mol-1 yang sama kuatnya seperti ikatan hidrogen. Interaksi hidrofob merupakan suatu gaya yang penting dalam pelipatan protein globular yang larut dalam air, sehingga dapat dirumuskan aturan umum: residu hidrofob cenderung terbungkus di bagian interior protein sehingga meminimalisasikan kontaknya dengan air. Bila total energi lipatan suatu protein hanya 40 kJ mol-1, berapa ikatan H yang harus diputuskan untuk dapat merusak strukturnya? Tiap ikatan H rata-rata menyumbang ~5 kJ mol-1 untuk energi stabilisasi, sehingga pemutusan sekitar delapan ikatan seperti itu akan cukup untuk merusak struktur aslinya. Energi stabilisasi kebanyakan protein sangatlah kecil, sehingga pada suhu normal banyak protein yang mengalami fluktuasi kecil yang cepat dalam strukturnya. Hal ini menyebabkan molekul protein cukup mudah dibuka lipatannya atau terdenaturasi. Pendenaturasi protein

Energi stabilisasi kebanyakan protein sangatlah kecil, sehingga pada suhu normal banyak protein yang mengalami fluktuasi kecil yang cepat dalam strukturnya. 88

Hal ini menyebabkan molekulBiokimia: protein Struktur cukup dan mudah Fungsi dibuka Biomolekul

lipatannya atau terdenaturasi.

Pendenaturasi protein yang umum dipakai

antara lain:

yang umum dipakai antara lain: (a) Suhu tinggi (a) Suhu tinggi (b)pH pH ekstrim ekstrim (b) (c)Konsentrasi Konsentrasi tinggi tinggi senyawa-senyawa (c) senyawa-senyawa seperti sepertiurea ureaatau atauguanidin guanidin hidroklorida: hidroklorida: NH2

C

NH2

O Urea

(d) Larutan deterjen seperti + (d)CH Larutan deterjen seperti (CH2)10CH OSO3-Na 3 2

NH2

C

NH2

+

NH2Cl-

Guanidin hidroklorida

natrium natrium

dodesil dodesil

sulfat, sulfat,

CH3(CH2)10CH2OSO3-Na+

Beberapa protein dan enzim yang terdenaturasi telah terdenaturasi sempurna Beberapa protein dan enzim yang telah sempurna oleh

oleh urea dengan jembatan disulfida yang telah tereduksi, dapat melipat kembali seperti keadaan awalnya bila urea dihilangkan. Hal ini menunjukkan bahwa informasi untuk pola lipatan yang tepat terdapat dalam urutan asam amino. Ribonuklease (enzim yang menghidrolisis asam ribonukleat) meBiokimia: miliki Struktur empat dan Fungsi Biomolekul 83 ikatan disulfida yang membantu stabilisasi konformasinya. Pada enzim ini ditambahkan 6 M guanidin hidroklorida untuk melemahkan ikatan hidrogen dan interaksi hidrofobnya, serta 1 mM merkaptoetanol untuk mereduksi ikatan disulfida. Hasilnya, seluruh aktivitas enzim menghilang, dan tak ada tanda-tanda residu struktur sekunder. Kemudian guanidin hidroklorida dihilangkan dengan cara dialisis atau filtrasi gel. Hasilnya, aktivitas enzim pulih kembali, konformasi aslinya terbentuk, serta terbentuk pula ikatan disulfida yang tepat seperti asalnya. Banyak protein besar yang membutuhkan bantuan chaperonin untuk dapat melipat dengan tepat. Chaperonin itu sendiri juga merupakan protein. Chaperonin diperkirakan bekerja dengan cara menjerat intermediet-intermediet yang salah melipat, lalu membuka lipatannya sehingga ada kesempatan untuk melipat kembali dengan tepat.

urea dengan jembatan disulfida yang telah tereduksi, dapat melipat kembali

Bab 3 Protein

89

4. STRUKTUR PROTEIN Struktur tiga dimensi protein dapat digambarkan dalam sistem koordinat Cartesian dan menyebutkan koordinat (x, y, z) untuk tiap atom dalam protein. Struktur protein ini bisa digambarkan lebih jelas lagi dengan menyebutkan sudut rotasi (sudut torsi) setiap ikatan dalam protein (Gambar 3-4). Contohnya, konformasi tulang punggung suatu residu asam amino bisa dispesifikasikan dengan menyebutkan sudut torsi f (rotasi mengelilingi ikatan N–Ca), y (rotasi mengelilingi ikatan Ca–C’), dan w (rotasi mengelilingi ikatan N–C’). Posisi nol untuk f yakni bila gugus –N–H trans terhadap ikatan Ca–C’. Sedangkan posisi nol untuk y adalah ketika ikatan Ca–N trans terhadap ikatan –C=O (Gambar 3-4). Sudut torsi ikatan peptida (w) biasanya sebesar 1800. Penggambaran lengkap struktur tiga dimensi suatu protein juga memerlukan pengetahuan mengenai sudut torsi Protein rantai samping c. C

2

Bidang amida 2 H N

C’

0

H1

C

1

R1 H N

’

C

0

C

0

Bidang amida 1

Gambar 3-4 Definisi suduttorsi torsi protein dan f, . Konformasi Gambar 3-4 Definisi sudut protein w, y, danyang c. ditunjukkan Konformasi diperoleh ketika dan semuanya diset pada 180 . yang ditunjukkan diperoleh ketika w, f, dan y semuanya diset pada 1800. Gugus peptida berbentuk planar, hal ini disebabkan ikatan C–N 0

memiliki karakter ikatan rangkap parsial yang beresonansi antara dua bentuk berikut: O

O-

Gambar 3-4

90

Definisi sudut torsi protein dan . Konformasi yang ditunjukkan diperoleh ketika dan semuanya diset pada 1800. Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

Gugus peptida berbentuk planar, hal ini disebabkan ikatan C–N

memiliki Gugus karakter ikatanberbentuk rangkap planar, parsialhal yang beresonansi antara dua bentuk peptida ini disebabkan ikatan C–N

memiliki karakter ikatan rangkap parsial yang beresonansi antara dua berikut: bentuk berikut: O-

O C

N

C

H

N H

Panjang ikatan C–N (0,132 nm) merupakan pertengahan antara Protein ikatan tunggal C–N (0,149 nm) dan ikatan pertengahan rangkap C=N antara (0,129 nm). Panjang ikatan C–N (0,132 nm) merupakan ikatan tunggal Karakter ikatan rangkap parsial ini membatasi rotasi yang mengelilingi C–N (0,149 nm) dantrans ikatan rangkap C=N 0ikatan rangkap dan ikatan H dalam posisi ;penataan dalam hal ini sudut 180berada . Konformasi C–N, sehingga atom O,(0,129 C,torsi N, nm). danadalah HKarakter adalah parsial ini suatu membatasi rotasi yang C–N, sehingga pada bidang datar,terdapat denganmengelilingi atom ikatan O danikatan H dalam posisi trans; penataan cis yang biasanya hanya pada peptida X-Pro dalam protein, dalam hal ini sudut torsi w adalah 1800. Konformasi cis yang biasanya atom O, C, sebesar N, dan H adalah berada pada suatu bidang datar, dengan atom O memiliki 00. ikatan peptida X-Pro dalam protein, memiliki w hanya terdapat pada sebesar 00. dipeptida glisilalanin, ikatan mana pada tulang punggung yang Dalam Dalam dipeptida glisilalanin, ikatan mana pada tulang punggung gugus-gugusnya dapat berotasi dengan bebas? Biokimia: dan Fungsidapat Biomolekul 85 yangStruktur gugus-gugusnya berotasi dengan bebas? H +

NH3

CH

C

H

CH3

N

CH2 COO-

O Glisilalanin

Dalam struktur di atas, gugus peptida ditandai dengan garis putusputus. Gugusdipeptida sendiri kaku dan datar,dengan sehinggagaris tidak putus-putus. ada Dalam struktur atas, itu gugus peptida ditandai rotasi yang mengelilingi ikatan antara atom karbon karbonil dengan Gugus peptida itu sendiri kaku dan datar, sehingga tidak ada rotasi yang atom nitrogen (ikatan C’–N). Akan tetapi, rotasi bebas dapat terjadi mengelilingi ikatan antara atomkarbon karbona karbonil dengan atom karbonil nitrogen (ikatan mengelilingi ikatan antara dengan atom karbon (ikatan Ca–C’) di sekitar atom nitrogen dengan atom karbon C’–N). Akan tetapi,dan rotasi bebasikatan dapatantara terjadi mengelilingi ikatan antara karbon a pada alanil (ikatan N–Ca). Dengan demikian, untuk semua dengan atom karbon karbonil (ikatan C –C’) dan di sekitar ikatan antara atom gugus peptida dalam protein terdapat dua ikatan yang dapat berotasi. nitrogen dengan atom karbon

pada alanil (ikatan N–C ). Dengan demikian,

untuk semua gugus peptida dalam protein terdapat dua ikatan yang dapat berotasi.

Bab 3 Protein

91

Tidak semua kombinasi sudut f dan y dapat terbentuk. Banyak yang menimbulkan benturan antara atom-atom dalam residu yang berdekatan. Untuk semua residu kecuali glisin, adanya halangan sterik dari atom-atom rantai samping sangat menurunkan jumlah konformasi yang mungkin terbentuk. Konformasi sudut-sudut f dan y yang tidak menimbulkan benturan dapat diplotkan pada peta konformasi (dikenal juga sebagai plot Ramachandran, yang namanya diambil dari nama ahli kimia yang memulai pekerjaan di bidang ini). Gambar 3-5 memperlihatkan plot Ramachandran untuk alanilalanin. Daerah berarsir ganda menandakan konformasi (kombinasi f dan y) yang tidak terhalang sama sekali. Daerah berarsir tunggal menandakan konformasi dengan sedikit halangan, tetapi masih mungkin terjadi bila distorsiProtein tersebut ditutupi oleh interaksi-interaksi di tempat lain dalam protein. 1800 a p

L

0 R

X

-1800 -1800

0

1800

Gambar Ramachandran Gambar3-5 3-5Plot Plot Ramachandranuntuk untuk alanilalanin. alanilalanin. Jika

Heliks right-handed memiliki nilai

= –570 dan

= –470.

92

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

Jika a Heliks right-handed memiliki nilai f = –570 dan y = –470. Apakah a heliks dapat menjadi struktur yang stabil? Ya, Nilai-nilai tersebut termasuk ke dalam daerah yang mungkin terjadi dalam plot Ramachandran, yang ditandai dengan simbol aR dalam Gambar 3-5. Bila sudut torsi tulang punggung suatu polipeptida tetap konstan dari satu residu ke residu berikutnya, maka akan terbentuk struktur berulang yang teratur. Struktur jenis ini bisa berbentuk a-heliks atau b sheet. Melihat dari jari-jari van der Waals pada atom, sudut ikatan, dan bentuk planar ikatan peptida, maka hanya ada dua struktur berulang yang dapat terbentuk tanpa distorsi dan dengan pembentukan ikatan hidrogen yang maksimum. Struktur-struktur tersebut yaitu: 1. a Heliks, ditemukan dalam a-keratin 2. b Sheet (paralel dan antiparalel), contohnya yakni bentuk b pada keratin yang diregangkan serta pada protein sutera Struktur berulang yang teratur seperti ini juga ditemukan dalam pola lipatan protein globular. Banyak protein globular yang rantai polipeptidanya sebagian besar tidak menunjukkan keteraturan dalam lipatan. Daerah-daerah ini mungkin memiliki bagian pendek di mana ditemukan struktur seperti reverse turns, yang seringkali menghubungkan untai-untai b sheet. Daerah-daerah tanpa struktur sekunder yang berulang teratur (daerah tak teratur) sering disebut sebagai daerah yang memiliki konformasi random-coil. Dalam a heliks, tulang punggung polipeptida terlipat sedemikian rupa sehingga gugus –C=O pada tiap residu asam amino berikatan hidrogen dengan gugus –N–H pada residu keempat setelahnya. Sebagai contoh, gugus –C=O residu pertama berikatan dengan gugus –N–H pada residu kelima pada rantai. Tulang punggung a heliks berkeliling memutari sumbu yang panjang, seperti diperlihatkan dalam Gambar 3-6. Ikatan-ikatan hidrogen berbaris hampir paralel terhadap sumbu ini, dengan rantairantai samping menjulur keluar. Tiap residu berjarak 0,15 nm dari residu berikutnya di sepanjang sumbu. Dibutuhkan 3,6 residu untuk membuat satu putaran lengkap heliks. Meskipun kaidah tangah kiri

Bab 3 Protein

93 Protein

dan kaidah tangan kanan keduanya dapat terjadi, tetapi kaidah tangan kanan lebih disukai secara energetika dengan asam L-amino. H N C-3

H H C-1 N C-2 C C O O H N

H

C-6

N

O

C C-7

C-5 C

O H N

C-9 C

C-10 O

Gambar Gambar 3-6 Kaidah tangan kanan a-heliks. Diagram ini menunjukkan 3-6 Kaidah tangan kanan -heliks. Diagram ini menunjukkan gugus peptida pada bidang dengan karbon pada gugus peptida pada bidang datar, datar, dengan atomatom karbon a pada sambungan antarbidang. sambungan antarbidang. Tiap gugus –C=O dan –N–H berikatan hidrogen (kecuali pada empat Tiap gugus –C=O dan –N–H berikatan hidrogen (kecuali pada residu di tiap ujung rantai), sehingga heliks menjadi sangat stabil. Akan empat residu di tiap ujung rantai), sehingga a heliks menjadi sangat tetapi, pada beberapa asam amino terdapat interaksi rantai samping bisa stabil. Akan tetapi, pada beberapa asam amino terdapatyanginteraksi melemahkan heliks. bisa Hal ini menjadikan konformasi kurang disukai rantai samping yang melemahkan a heliks. heliks Hal ini menjadikan dalam rantai yang mengandung amino seperti itu. yang konformasi a polipeptida heliks kurang disukai banyak dalam asam rantai polipeptida mengandung banyak asam amino seperti itu. Tabel 3-2

Kecenderungan residu-residu asam amino untuk membentuk

heliks

Tabel 3-2heliks Kecenderungan asam untuk Pembentuk Glu, Ala, Leu,residu-residu His, Met, Gln, Trp, Val,amino Phe, Lys, Ile Perusak heliks Pro, membentuk Gly, Tyr, Asn a-heliks Residu yang tak Asp, Thr, Ser, Arg, Cys berpengaruh Pembentuk heliks Glu, Ala, Leu, His, Met, Gln, Trp, Val, Phe, Lys, Ile Perusak heliks

Pro, Gly, Tyr, Asn

berbeda Asp, dengan heliks, Residu yangStruktur tak Thr, Ser, Arg,yakni Cys rantai polipeptida dalam sheet terbentang hampir sempurna (Gambar 3-7(a)). Ikatan hidrogen terdapat berpengaruh di antara untai-untai polipeptida, bukan di dalam untai tunggal (Gambar 3-7(c)).

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

89

Gambar 3-7(c). Struktur-struktur ini sering membentuk lembaran seperti pada Gambar 3-7(b). Kadangkala beberapa lembaran saling menumpuk satu sama

94

lain. Rantai-rantai samping cenderung untuk menjulur ke atas dan ke bawah

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

lembaran seperti pada Gambar 3-7(b), sehingga struktur

sheet lebih disukai

untuk asam-asam amino yang rantai sampingnya relatif kecil seperti alanin dan Rantai samping yang besar dapat menimbulkan halangan sterik di Struktur b berbeda dengan a heliks, yakni rantai polipeptida antara berbagai bagian dari rantai protein. dalam b sheet terbentang hampir sempurna (Gambar 3-7(a)). Ikatan hidrogen terdapat di antara untai-untai polipeptida, bukan di dalam untai tunggal (Gambar 3-7(c)). glisin.

R

Ikatan peptida

R

R

R

R

R

R

(a)

R R

R R

R

R

R R

R R R R

Protein (b)

R O C

C R

ujung C

C

ujung C

N H

C C

O C R Biomolekul Biokimia: Struktur dan Fungsi

O

N

90

H C R

(c)

Gambar 3-7

Struktur

sheet:

(a) segmen polipeptida dalam konformasi

terbentang; (b) lembaran oleh susunan rantai-rantai dalam Gambar 3-7 Struktur b sheet:terbentuk (a) segmen polipeptida polipeptida yang terbentang saling bersebelahan; (c) detail yang menunjukkan ikatan H di antara rantai-rantai polipeptida konformasi terbentang; (b) lembaran terbentuk oleh susunan rantaiyang bersebelahan dalam sheet antiparalel. rantai polipeptida yang terbentang saling bersebelahan; (c) detail yang menunjukkan ikatan Hyang di antara rantai-rantai polipeptida yang Banyak protein globular strukturnya terdiri atas heliks, struktur dalam3-8, b sheet antiparalel. , dan daerah takbersebelahan teratur. Dalam Gambar heliks digambarkan seperti

pita yang melilit, dan struktur arah N

C.

digambarkan oleh panah yang menunjukkan

Sheet paralel memiliki panah-panah yang menunjuk ke arah

yang sama, sedangkan

sheet antiparalel memiliki panah-panah yang saling

Bab 3 Protein

95

Rantai-rantai yang bersebelahan dapat tersusun berjajar ke arah yang sama (ujung N ke ujung C) seperti dalam b sheet paralel, atau berjajar ke arah yang berlawanan seperti dalam b sheet antiparalael, seperti yang diperlihatkan Gambar 3-7(c). Struktur-struktur ini sering membentuk lembaran seperti pada Gambar 3-7(b). Kadangkala beberapa lembaran saling menumpuk satu sama lain. Rantai-rantai samping cenderung untuk menjulur ke atas dan ke bawah lembaran seperti pada Gambar 3-7(b), sehingga struktur b sheet lebih disukai untuk asam-asam amino yang rantai sampingnya relatif kecil seperti alanin dan glisin. Rantai samping yang besar dapat menimbulkan halangan sterik di antara berbagai bagian dari rantai protein. Banyak protein globular yang strukturnya terdiri atas a heliks, struktur b, dan daerah tak teratur. Dalam Gambar 3-8, a heliks digambarkan seperti pita yang melilit, dan struktur b digambarkan oleh panah yang menunjukkan arah N à C. b Sheet paralel memiliki panah-panah yang menunjuk ke arah yang sama, sedangkan b sheet antiparalel memiliki panah-panah yang saling bertolak belakang. Protein b (protein pengikat retinol (gambar a) dan fragmen pengikat antigen (gambar b)) mengandung lebih banyak struktur sekunder b sheet, sedangkan protein a (myoglobin (gambar c)) lebih banyak tersusun oleh a heliks. Protein a/b (triosefosfat isomerase (gambar d)) mengandung campuran a heliks dan b sheet. Protein kolagen (terdapat dalam kulit dan tendon) tersusun oleh sekitar 30 persen prolin dan hidroksiprolin, serta 30 persen glisin. Protein ini memiliki struktur unik, yakni tiga rantainya berkonformasi sangat mirip poliprolin, yang saling teranyam satu sama lain membentuk suatu triple heliks. Ketiga untai ini berikatan hidrogen satu sama lain, yakni –NH dari residu glisin berikatan hidrogen dengan gugus –C=O dari asam amino yang lain. Prolin jarang ditemukan di dalam segmen s heliks. Gugus aamino pada prolin merupakan gugus amino sekunder. Ketika prolin membentuk ikatan peptida melalui gugus aminonya, maka tidak ada lagi hidrogen amida yang dapat membentuk ikatan hidrogen. Selain itu, rantai samping prolin menempel pada gugus a-aminonya, sehingga

96

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

tidak ada rotasi bebas pada ikatan N–Ca, yang membuat prolin tidak Protein bisa membentuk konformasi a heliks yang benar.

(a) Protein Pengikat retinol

(c) Mioglobin

(b) Fragmen Pengikat antigen

(d) Triosefosfat isomerase

Gambar 3-8 Representasi model struktur protein dimana a-heliks

Gambar 3-8 Representasi model struktur protein dimana -heliks digambarkan dengan digambarkan dengan pita bergulung dan untai b digambarkan dengan pita bergulung dan untai digambarkan dengan panah dengan arah N panah dengan arah Nmengandung → C. Protein b mengandung lebih banyak C. Protein lebih banyak struktur -sheet (contohnya: Protein pengikat retinol dan fragmen pengikat antigen pada struktur b-sheet (contohnya: Protein pengikat retinol dan fragmen antibodi sementara protein yang mengandung -heliks yang dominan pengikat antigen pada antibodi sementara protein a yang mengandung contohnya: mioglobin. Protein / mengandung campuran -heliks dan a-heliks yang-sheet dominan contohnya: mioglobin. Protein a/b mengandung (misalnya triosefosfat isomerase).

campuran a-heliks dan b-sheet (misalnya triosefosfat isomerase).

Protein kolagen (terdapat dalam kulit dan tendon) tersusun oleh sekitar

Meskipun tidak dapat membentuk konformasi a heliks, tetapi polipeptida yang hanya tersusun oleh prolin dapat membentuk

30 persen prolin dan hidroksiprolin, serta 30 persen glisin. Protein ini memiliki struktur unik, yakni tiga rantainya berkonformasi sangat mirip poliprolin, yang saling teranyam satu sama lain membentuk suatu triple heliks. Ketiga untai ini berikatan hidrogen satu sama lain, yakni –NH dari residu glisin berikatan

Bab 3 Protein

97

konformasi heliks jenis lain. Heliks poliprolin tidak distabilkan oleh ikatan hidrogen, melainkan oleh efek tolakan sterik timbal balik dari rantai-rantai samping prolil. Residu-residu yang bersebelahan dalam Protein heliks poliprolin terpisahkan dalam jarak 0,31 nm sepanjang sumbu. 80

60

-heliks x 10-3

40

20

0

- 20 200

220

240

Panjang Gelombang (nm)

Gambar 3-9 Spektrum ORD untuk poli-D-lisin yang menunjukkan spektrum Gambar 3-9 Spektrum ORD untuk poli-D-lisin yang menunjukkan konformasi -heliks dan konformasi tak teratur. (Satuan [ ] -1 .) adalah a-heliks derajat mL dan dm-1 gkonformasi spektrum konformasi tak teratur. (Satuan [a] adalah derajat mL dm-1 g-1.)

Struktur protein terbagi dalam beberapa tingkat (menurut ahli kimia protein

Molekul seperti Denmark, Kai asimetris Linderstrøm-Lang):

karbohidrat, asam amino, dan protein dapat(a)memutar bidang polarisasi suatu sinar polarisasi bidang. Besar Struktur primer : urutan asam amino. Struktur tingkat primer dalam suatu protein yakni urutan linear asamasam amino yang digabungkan satu sama lain oleh ikatan peptida. Urutan ini ditentukan oleh urutan basa nukleotida dalam gen yang

98

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

rotasi tergantung pada konsentrasi zat serta panjang jalur sinar dalam sampel, mirip seperti dalam absorbansi optik. Besar rotasi (serta arah rotasi) juga tergantung pada panjang gelombang cahaya. Ketergantungan rotasi spesifik [a] (ukuran rotasi per unit konsentrasi dan panjang jalur) pada panjang gelombang cahaya dikenal sebagai dispersi perputaran optik (ORD, optical rotatory dispersion). Konformasi suatu protein menambahkan keasimetrisan yang mempengaruhi spektrum ORD. Daerah heliks pada protein terlarut menaikkan spektrum ORD tertentu (Gambar 3-9) yang berlainan dengan daerah tak teratur. Proporsi struktur-struktur yang berbeda dalam suatu protein dapat diperkirakan dengan cara membandingkan spektrum ORD protein sampel dengan standar-standar yang konformasinya telah diketahui. Struktur protein terbagi dalam beberapa tingkat (menurut ahli kimia protein Denmark, Kai Linderstrøm-Lang): (a) Struktur primer: urutan asam amino. Struktur tingkat primer dalam suatu protein yakni urutan linear asam-asam amino yang digabungkan satu sama lain oleh ikatan peptida. Urutan ini ditentukan oleh urutan basa nukleotida dalam gen yang mengkode protein. Termasuk juga dalam struktur primer adalah lokasi ikatan kovalen yang lain. Ikatan ini terutama yakni ikatan disulfida antara residu-residu sistein yang berdekatan dalam ruang tapi bukan dalam urutan asam amino linear. Ikatan silang kovalen ini antara rantai-rantai polipeptida terpisah atau antara bagian-bagian yang berbeda dari rantai yang sama, terbentuk oleh oksidasi gugus SH pada residu sistein yang juga terekspos dalam ruang. Disulfida yang dihasilkan disebut sebagai residu sistin. Ikatan disulfida sering terdapat dalam protein ekstrasel, namun jarang ditemukan dalam protein intrasel. (b) Struktur sekunder : pola lipatan teratur (seperti struktur a heliks dan b sheet) yang distabilkan oleh ikatan hidrogen di antara gugus-gugus peptida yang saling berdekatan dalam rantai. Struktur sekunder dalam protein dapat digambarkan dalam bentuk diagram

sheet) yang distabilkan oleh ikatan hidrogen di antara gugus-gugus peptida yang saling berdekatan dalam rantai. Struktur sekunder dalam

Bab 3 Protein

99

protein dapat digambarkan dalam bentuk diagram topologi (Gambar 310), yang melukiskan orientasi relatif serta kadarnya dalam dua dimensi.

topologi (Gambar 3-10), yang melukiskan orientasi relatif serta Diagram sering digunakan untuk menunjukkan hubungan kadarnyainidalam dua dimensi. Diagram ini sering digunakan untuk menunjukkan hubungan kekerabatan protein. kekerabatan protein. C (a)

1

(b)

1

2

3

2

4

3

5

6

4

8

7

5

6

7

N

8 C

Gambar 3-10 Diagram topologi untuk (a) protein pengikat retinol

Gambar 3-10 Diagram topologi untuk (a) protein pengikat retinol (RBP, retinol (RBP, retinol binding protein) dan (b) triosefosfat isomerase (TPI). Panah binding protein) dan (b) triosefosfat isomerase (TPI). Panah menggambarkan untai b (dinomori dari N kedari C) N dankekotak hitam menggambarkan untai (dinomori C) dan kotak hitam menggambarkan a heliks. Kedua protein tersebut membentuk struktur menggambarkan heliks. Kedua protein tersebut membentuk silinder struktur yang terdiri atas delapan untaiatas b, untai pertama silinder yang terdiri delapan untaiberikatan , untai pertama berikatan hidrogen untai terakhir dalam rangka “menutup” hidrogen dengan untai terakhirdengan dalam rangka “menutup” silinder. Untai Untai dalam RBP, paralel dalam b tersusun silinder. antiparalel dalamtersusun RBP, danantiparalel paralel dalam TPI dandan dikelilingi TPI luar dan a dikelilingi olehmenghubungkan lapisan luar heliks yangb menghubungkan oleh lapisan heliks yang tiap untai dengan tiap untai dengan kepada untai berikutnya dalam silinder.

kepada untai berikutnya dalam silinder.

Struktur tingkat sekunder dalam suatu protein yakni lipatan teratur

Struktur tingkat sekunder dalam suatu protein yakni lipatan

daerah-daerah rantai polipeptida. Tipe lipatan paling teratur daerah-daerah rantai polipeptida. Tipeyang lipatan yangumum palingadalah -heliks -heliks yang miripyang tongkat, umumdan adalah-sheet. a-heliksDalam dan b-sheet. Dalam -heliks mirip asam-asam tong-

kat, asam-asam amino menata dirinya sendiri dalam konformasi heliks teratur. Oksigen karbonil dari tiap ikatan peptida berikatan hidrogen, dengan hidrogen pada gugus amino dari asam amino Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul keempat, dengan ikatan hidrogen yang terletak hamper paralel tehadap sumbu heliks. Dalam suatu -heliks terdapat 3,6 asam amino perputaran heliks yang melingkupi jarak 0,54 nm, dan setiap residu asam amino memiliki panjang 0,15 nm sepanjang sumbu he-

95

100

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

liks. Rantai-rantai samping asam amino semuanya berada di luar silinder heliks, asam-asam amino tertentu lebih sering ditemukan dalam a-heliks daripada yang lainnya. Terutama, Prolin jarang ditemukan dalam daerah a-heliks karena tidak dapat membentuk pola ikatan hidrogen yang tepat karena tidak adanya atom hidrogen pada atom nitrogennya. Karena alasan inilah, asam amino prolin sering ditemukan di ujung a-heliks, dimana ia mengubah arah rantai polipeptida dan mengakhiri heliks. Protein yang berbeda memiliki jumlah rantai polipeptida tunggal pada mioglobin mempunyai delapan a-heliks. Dalam b-sheet, ikatan terbentuk antara ikatan-ikatan peptida baik dalam rantai polipeptida yang berbeda atau dalam daerah yang berbeda dari rantai polipeptida yang sama. Rantai-rantai polipeptida yang berdekatan dalam b-sheet bisa berupa paralel ataupun antiparalel tergantung paa apakah mereka berada dalam arah yang sama atau dalam arah berlawanan. Rantai polipeptida di dalam suatu b-sheet terbentang penuh, dengan ajrak 0,35 nm dari satu atom C ke yang berikutnya. b-sheet selalu sedikit melengkung dan jika beberapa polipeptida termasuk di dalamnya, maka lembaran bisa mendekat untuk membentuk kekakuan dalam banyak protein struktur, misalnya serat sutra, yang hampir seluruhnya terdiri atas tumpukan b-sheet antiparalel. Untuk dapat melipat rapat ke dalam bentuk kompak suatu protein globular, rantai polireptida sering berbalik arah, membuat suatu hairpin atau b-turn. Dalam b-turn ini oksigen karbonil dari satu asam amino berikatan hidrogen dengan hidrogen pada gugus amino dari asam amino keempat. b-turn sering ditemukan menghubungkan ujung-ujung b-sheet antiparalel. Daerah rantai polireptida yang tidak berada dalam struktur sekunder biasa dikatakan memiliki konformasi coil atau loop. Kira-kira setengah bagian rantai polireptida dari suatu protein globular umum memiliki konformasi seperti itu. (c) Struktur supersekunder: pola berulang struktur sekunder yang biasa terdapat pada banyak protein. Contohnya motif b-a-b,

Kira-kira setengah bagian rantai polireptida dari suatu protein globular umum memiliki konformasi seperti itu. Bab(c) 3 Struktur Protein supersekunder : pola berulang struktur sekunder yang biasa 101

terdapat pada banyak protein. Contohnya motif

- - , yang memiliki

yang memiliki segmen sheet, diikuti dengan a heliks, sheet dan suatu segmen suatu sheet, diikutibdengan heliks, dan segmen segmen b sheet keduahidrogen yang berikatan hidrogen dengan b sheet kedua yang berikatan dengan sheet pertama (Gambar 3-11). pertama (Gambar 3-11). Motif-motif lainnya yakni: b hairpin, Motif-motif lainnya yakni: hairpin, yang terdiri atas dua untai yang terdiri atas dua untai b antiparalel; motif aa, terdiri atas dua a antiparalel; motif , terdiri atas dua heliks yang tersusun antiparalel; heliks yang tersusun antiparalel; dan b barrel, dengan b sheet yang dan barrel,suatu dengan sheet yang membentuk suatu silinder. membentuk silinder. COO-

H3+N

Gambar 3-11 Representasi diagram unit lipatan supersekunder b-a-

Gambar 3-11suatu Representasi diagram unit lipatan supersekunder - - panah, dari suatu b dari protein. Daerah-daerah b ditunjukkan dengan protein. Daerah-daerah ditunjukkan dengan panah, sementara sementarasegmen segmen a-heliks ditunjukkan dengan struktur coiled. Posisi -heliks ditunjukkan dengan struktur coiled. Posisi ikatanikatan hidrogen ditunjukkan dengan garis terputus – putus. ikatan-ikatan hidrogen ditunjukkan dengan garis terputus – putus.

(d) (d)Struktur proteinglobular, globular, struktur tertier meStruktur tertier: tertier : untuk untuk protein struktur tertier yakniyakni melipatnya lipatnya segmen-segmen strukturdalam sekunder dalam yang tiga distabilkan dimensi segmen-segmen struktur sekunder tiga dimensi yang distabilkan oleh interaksi antara urutan-urutan yang jauh. Sedangkan untuk protein yang hanya memiliki sedikit a heliks Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul atau struktur b (atau tak terdeteksi sama sekali), struktur tertier97 berarti melipatnya protein dalam tiga dimensi yang distabilkan

102

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

oleh interaksi antara bagian-bagian yang jauh urutannya. Struktur tertier adalah penataan spasial asam amino yang terpisah jauh dalam urutan linearnya serta juga residu-residu yang berdekatan. Selain itu, yang merupakan urutan asam amino yang menentukan struktur tiga dimensi akhir. Dalam protein globular yang larut dalam air seperti mioglobin, gaya dorong utama dibalik kelipatan rantai polipeptida yakni kebutuhan energitika untuk mengubur asam amino non-polar dalam interior hidrofob jauh dari lingkungan air di sekelilingnya, medium hidrofil. Rantai polipeptida melipat dengan spontan sehingga mayoritas rantai samping hidrofobnya terkubur dalam interior, dan mayoritas rantai sampingnya yang bermuatan dan polar berada pada permukaan. Setelah terlipat, konformasi tiga dimensi protein yang aktif biologis (asli) ini dipertahankan tidak hanya oleh interaksi hidrofob, namun juga oleh gaya elektrostatik, ikatan hidrogen, dan jika ada, ikatan disulfida kovalen. Gaya elektrostatik antara lain jembatan garam antara gugus-gugus bermuatan berlawanan dan banyaknya interaksi van der waals yang lemah antara rantai-rantai samping alifatik yang tersusun rapat dalam interior protein. (e) Struktur domain: domain banyak terdapat pada protein globular, terutama yang memiliki massa molekul lebih dari 20 kDa. Protein besar seringkali melipat sedemikian rupa sehingga setiap domain berukuran ~17 kDa. Sebagai contoh, enzim gliseraldehid 3-fosfat dehidrogenase terlipat membentuk dua domain yang masing-masing memiliki fungsi berbeda, yakni salah satu domain berukuran ~16 kDa mengikat kofaktor NAD+, sedangkan domain yang lain merupakan domain katalis berukuran ~21 kDa mengikat substrat gliseraldehid 3-fosfat. (f ) Struktur kuaterner: interaksi antara rantai-rantai polipeptida yang berbeda membentuk suatu struktur oligomer, yang distabilkan hanya oleh ikatan-ikatan nonkovalen.

Bab 3 Protein

103

Protein yang mengandung lebih dari satu rantai polipeptida, misalnya hemoglobin, memunculkan tingkat keempat struktur protein yang disebut struktur kuatner. Struktur tingkat ini yakni penataan spasial sub unit-sub unit ini bisa merupakan ikatan kovalen (misalnya ikatan disulfida) atau interaksi nonkovalen (gaya elektrostatik, ikatan hidrogen, interaksi hidrofob). Protein-protein globular dapat dikelompokkan menurut penyusun­an strukturnya. Kelompok a/b memiliki motif b-a-b yang berulang, contohnya antara lain semua enzim glikolisis. Kelompok a + b memiliki b sheet dan a heliks yang tidak saling berhubungan. Kelompok a dan kelompok b hampir seluruhnya terdiri atas a heliks maupun b sheet. Sebagian besar protein toksin termasuk ke dalam kelompok protein jembatan S–S, dengan pusat hidrofob yang kecil dijaga oleh sejumlah besar ikatan disulfida. Contoh kelompok ini antara lain racun kalajengking dan serangga yang hanya tersusun oleh 38 – 40 residu tetapi masing-masing memiliki tiga ikatan disulfida. Volume protein yang berbentuk bola akan meningkat seiring dengan meningkatnya berat molekul, lebih cepat daripada peningkatan luas permukaan. Untuk menyesuaikan semua gugus bermuatan pada permukaan dengan semua gugus nonpolar dalam interior, terdapat tiga strategi yang mungkin terjadi: 1. Protein besar bisa menunjukkan perubahan komposisi, dengan meningkatnya proporsi rantai samping asam amino nonpolar yang memenuhi volume interior yang membesar. 2. Protein besar bisa melipat membentuk domain-domain yang terpisah, tiap domain menjadi unit lipatan globular yang memiliki interior dan permukaannya sendiri, dan suatu untai yang menghubungkan tulang punggung antar domain. 3. Protein besar bisa melipat menjadi bentuk yang lebih panjang atau bentuk seperti batang.

104

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

5. MOTIF-MOTIF STRUKTUR PROTEIN Penelitian struktur dengan sinar-x memainkan peran utama dalam mengubah ilmu kimia yang pada awal abad ke-20 merupakan ilmu deskriptif menjadi suatu ilmu yang di dalamnya sifat-sifat senyawa baru bisa diprediksi secara teoritis. Ketika W.L. Bragg menyelesaikan struktur kristal yang pertama kalinya, yakni batu garam NaCl, hasilnya mengubah total konsep awal gaya ikatan dalam senyawa-senyawa ion. Struktur hasil kristalografi sinar-x yang pertama untuk molekul protein globular adalah pada mioglobin pada tahun 1958, dan mengejutkan mereka yang mengharapkan struktur dan fungsi protein yang umum dan sederhana seperti struktur DNA untai ganda (double helix) yang sederhana dan indah yang telah ditentukan lima tahun sebelumnya oleh James D. Watson dan Francis Crick. Pada tahun 1958, John Kendrew dari Medical Research Council Laboratory of Molecular Biology, Cambridge, Inggris, yang menentukan struktur mioglobin dengan resolusi rendah, mengekspresikan kekecewaannya akan kompleksitas struktur tersebut dalam kata-kata berikut: “Mungkin hal yang paling menakjubkan dari molekul tersebut adalah kompleksitasnya dan tidak adanya simetri. Susunan ini tampaknya hampir sama sekali tidak memiliki keteraturan yang mengantisipasi secara instingtif, dan molekul ini lebih rumit daripada yang telah diperkirakan oleh teori struktur protein manapun.” Di sisi lain, mudah untuk memahami bahwa ketidakteraturan struktur seperti itu sebenarnya dibutuhkan oleh protein untuk memenuhi keberagaman fungsinya. Penyimpanan dan transfer informasi dari DNA adalah linear, dan dengan demikian molekul DNA untuk informasi yang sangat berbeda bisa saja mempunyai struktur yang sebenarnya sama. Sebaliknya, protein harus mengenali beribu-ribu macam molekul dalam sel melalui interaksi tiga dimensi mendetail, yang memerlukan struktur molekul protein yang berbeda-beda dan tak teratur. Selain kebutuhan ini, terdapat keteraturan dalam struktur protein, yang paling penting di antaranya yakni struktur sekunder.

Bab 3 Protein

105

Interior molekul protein berisi sebagian besar oleh rantai samping hidrofob. Rantai utama dalam interior disusun dalam struktur sekunder untuk menetralkan atom-atom polarnya melalui ikatan hidrogen. Terdapat dua tipe utama struktur sekunder, α-heliks dan b-sheet. Beta sheet bisa memiliki untai yang paralel, antiparalel, atau campuran. Struktur protein dibangun oleh kombinasi elemen struktur sekunder, α heliks, dan untai β. Elemen-elemen ini membentuk daerah inti yakni interior molekul dan dihubungkan oleh daerah loop pada permukaan. Diagram topologi skematik dan sederhana di mana elemen-elemen struktur sekunder ini ditandai warna terang sangatlah berguna dan sering digunakan. α-heliks atau untai β yang bersebelahan dalam urutan asam amino biasanya juga berdekatan dalam struktur tiga dimensi. Kombinasi tertentu, yang disebut motif, muncul sangat sering, termasuk motif heliks-loop-heliks dan motif hairpin. Suatu motif heliks-loop-heliks pengikat DNA dan motif heliks-loop-heliks pengikat kalsium, masing-masing dengan kebutuhan urutan asam amino dan geometri spesifiknya, digunakan dalam banyak protein berbeda. Motif β-α-β, yang terdiri atas dua untai β paralel digabungkan oleh satu α-heliks, ada dalam hampir semua struktur yang memiliki β-sheet paralel. Empat untai β antiparalel yang disusun dengan cara spesifik membentuk motif kunci Yunani, yang sering ditemukan dalam struktur dengan β-sheet antiparalel. Rantai polipeptida melipat menjadi satu atau beberapa unit terpisah, domain, yang merupakan unit fungsional dasar dan struktur tiga dimensi. Inti domain dibangun dari kombinasi motif kecil dari struktur sekunder, seperti motif α-loop-α, β-loop-β, atau β-α-β. Domain dikelompokkan ke dalam tiga kelompok struktur utama: struktur α, di mana inti dibangun hanya dari α-heliks; struktur β, yang membentuk β sheet antiparalel; dan struktur α/β, di mana kombinasi motif β-α-β membentuk dominasi β sheet paralel dikelilingi oleh α-heliks.

106

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

Interior protein bersifat hidrofob Pada saat penelitian resolusi tinggi pada mioglobin telah ada, John Kendrew memperhatikan bahwa asam amino dalam interior protein memiliki rantai samping yang hampir seluruhnya hidrofob. Ini adalah salah satu prinsip dasar penting yang pertama kali muncul dari penelitian struktur protein. Gaya dorong utama untuk melipat molekul protein globular terlarut dalam air adalah dengan memasang rantai-rantai samping hidrofob di dalam interior molekul, sehingga menciptakan inti hidrofob dan permukaan hidrofil. Inti hidrofob ternyata penuh dengan rantai-rantai samping dalam interior protein. Rantai-rantai samping hidrofob yang bentuknya berbeda-beda ini posisinya harus sesuai dengan struktur sekunder dalam interior protein, sehingga memenuhi inti. Dalam beberapa kasus terdapat lubang dalam interior, yang biasanya diisi oleh satu atau lebih molekul air yang berikatan hidrogen dengan gugus polar internal. Molekul-molekul air internal yang terikat ini bisa dikatakan sebagai bagian integral dari struktur protein. Akan tetapi, terdapat masalah besar dengan menciptakan suatu inti hidrofob dari rantai protein. Untuk membawa rantai samping ke dalam inti, rantai utama juga harus melipat ke dalam interior. Rantai utama sangatlah polar dan hidrofil, dengan satu donor ikatan hidrogen, NH, dan satu akseptor ikatan hidrogen, C’=O, pada setiap unit peptida. Dalam lingkungan hidrofob, gugus-gugus polar rantai utama ini harus dinetralkan oleh pembentukan ikatan hidrogen. Masalah ini dipecahkan dengan pembentukan struktur sekunder biasa di dalam interior molekul protein. Struktur sekunder seperti ini biasanya merupakan salah satu dari dua tipe: alpha heliks (a-Heliks) atau beta sheet (β- sheet). Kedua tipe ini dikarakterisasi oleh ikatan hidrogen antara gugus NH dan C’=O rantai utama, yang terbentuk ketika sejumlah residu memiliki sudut phi (f) dan psi (y) yang sama. Elemen struktur sekunder dibentuk dengan cara ini dan dipertahankan oleh inti hidrofob sehingga membentuk rangka yang kaku (rigid) dan stabil. Rangka ini hanya memiliki fleksibilitas yang relatif kecil satu sama lainnya, dan merupakan bagian dari struktur

Bab 3 Protein

107

protein yang paling jelas ditentukan oleh teknik sinar-x maupun NMR. Gugus-gugus fungsi pada protein menempel pada rangka ini, baik secara langsung oleh rantai sampingnya, atau lebih sering dalam daerah loop yang menghubungkan elemen-elemen struktur sekunder yang berdekatan. Kini kita akan melihat lebih dekat pada elemenelemen struktur ini. Alpha (a) heliks adalah elemen penting dari struktur sekunder a-Heliks adalah elemen klasik dari struktur protein. a-Heliks pertama kali dijelaskan pada tahun 1951 oleh Linus Pauling yang bekerja dan meneliti pada California Institute of Technology (Caltech). Ia memperkirakan bahwa struktur ini stabil dan disukai secara energetika dalam protein. Ia membuat prediksi menakjubkan ini atas dasar parameter geometris akurat yang diturunkan untuk unit peptida dari hasil analisis kristalografi struktur pada serangkaian molekul kecil. Prediksi ini segera mendapat dukungan eksperimen kuat dari pola difraksi yang diperoleh oleh Max Perutz di Cambridge, Inggris, dari kristal hemoglobin dan serat keratin. Semuanya ini diverifikasi dari struktur mioglobin resolusi tinggi milik John Kendrew, yang semua struktur sekundernya adalah heliks. a-heliks dalam protein ditemukan ketika suatu bentangan residu berurutan semuanya memiliki pasangan sudut f, y sekitar -600 dan 500, sesuai dengan daerah yang diperbolehkan di kuadran kiri bawah plot Ramachandran. a-Heliks memiliki 3,6 residu per putaran dengan ikatan hydrogen antara C’=O dari residu n dan NH dari residu n + 4 (Gambar 3.12). Dengan demikian semua gugus NH dan C’O diikat oleh ikatan hidrogen kecuali gugus NH pertama dan gugus C’O terakhir pada ujung a heliks. Akibatnya, ujung-ujung a-heliks bersifat polar dan hampir selalu berada pada permukaan molekul protein.

-Heliks memiliki 3,6 residu per putaran dengan ikatan hydrogen antara C’=O dari residu n dan NH dari residu n + 4 (Gambar 3.12). Dengan demikian semua gugus NH dan C’O diikat oleh ikatan hidrogen kecuali gugus NH pertama dan

108

gugus C’O terakhir pada ujung

heliks.

Akibatnya, ujung-ujung -heliks Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

bersifat polar dan hampir selalu berada pada permukaan molekul protein.

3,6 residu

Protein A

C

B

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

D

103

E

Gambar 3-12 a-Heliks adalah salah satu elemen utama struktur Gambar 3-12 elemen utama struktur hidrogen sekunder dalam sekunder dalam-Heliks protein.adalah Atom salah N dansatu O rantai utama berikatan protein. Atom N dan O rantai utama berikatan hidrogen satu sama lain satu sama lain di dalam a heliks. (a) Diagram ideal jalur rantai utama di dalam heliks. (a) Diagram ideal jalur rantai utama dalam heliks. dalam a heliks. Alpha heliks seringkali diilustrasikan dengan Alpha heliks seringkali diilustrasikan dengan cara cara ini. ini. Terdapat 3,6 yang berarti sepanjang 5,4 Å (1,5 Å Terdapat 3,6residu residuper perputaran putarandalam dalam heliks, a heliks, yang berarti sepanjang per residu). (b) Sama seperti (a) tetapi dengan perkiraan posisi untuk 5,4 Å (1,5 Å per residu). (b) Sama seperti (a) tetapi dengan perkiraan atom-atom rantai utama dan ikatan hidrogen. Anak panah menunjukkan posisi untuk atom-atom rantai utama dan ikatan hidrogen. Anak panah arah dari ujung-N ke ujung-C. (c) Diagram skematik suatu heliks. menunjukkan arah dari ujung-N ujung-C. Diagram skematik Atom oksigen berwarnakemerah, dan(c)atom N berwarna biru. Ikatan hidrogen antara O dan N merah Rantai samping ditunjukkan suatu a heliks. Atom oksigen berwarna merah,garis. dan atom N berwarna dengan lingkaran ungu. (d) Model ball-and-stick salah satu -heliks biru. Ikatandalam hidrogen antara O dan N merah garis. Rantai samping mioglobin. Jalur rantai utama berwarna kuning; rantai samping ditunjukkan dengan lingkaran ungu. (d) Model ball-and-stick salah satu(e) Satu berwarna ungu. Atom-atom rantai utama tidak berwarna. putaran -heliksJalur dilihat dari sumbu a-heliks dalam mioglobin. rantai utamaheliks. berwarna kuning; rantai samping berwarna ungu. Atom-atom rantai utama tidak berwarna. (e) Satu putaran a-heliks dilihat dari sumbu heliks. Variasi pada

-heliks di mana rantai bergulung lebih longgar atau lebih

kuat, dengan ikatan hidrogen pada residu n + 5 atau n + 3 dan bukan pada n +

Bab 3 Protein

109

Variasi pada s-heliks di mana rantai bergulung lebih longgar atau lebih kuat, dengan ikatan hidrogen pada residu n + 5 atau n + 3 dan bukan pada n + 4 disebut sebagai p heliks atau 310 heliks. 310 Heliks memiliki 3 residu per putaran dan 10 atom di antara donor dan akseptor ikatan hidrogen. Baik p heliks maupun 310 heliks langka terdapat dan biasanya hanya pada ujung a-heliks atau sebagai heliks putaran tunggal. Bentuk-bentuk ini secara energetika tidaklah disukai, karena atom-atom tulang punggungnya dikemas terlalu ketat dalam 310 heliks dan terlalu longgar dalam p heliks sehingga terdapat lubang di tengahnya. Hanya dalam a-heliks-lah atom-atom tulang punggungnya dikemas sedemikian rupa membentuk struktur yang stabil. Dalam protein globular, a-heliks bervariasi panjangnya mulai dari empat atau lima asam amino sampai lebih dari empat puluh residu. Panjang rata-ratanya sekitar sepuluh residu atau tiga putaran. Jarak per residu pada a-heliks yakni 1,5 Å sepanjang sumbu heliks, atau sekitar 15 Å dari satu ujung ke ujung lainnya pada a-heliks rata-rata. Secara teori suatu a-heliks bisa berupa tangan kanan atau tangan kiri tergantung pada arah perputaran rantai. Akan tetapi, a-heliks tangan kiri tidak diperbolehkan untuk asam amino L- karena kedekatan rantai-rantai samping dan gugus C’O. Maka, a-heliks yang diamati pada protein hampir selalu merupakan tangan kanan. Daerah pendek a-heliks tangan kiri ( 3-5 residu) hanya kadang-kadang terdapat. a-Heliks memiliki momen dipol Semua ikatan hidrogen dalam suatu titik a-heliks berada dalam arah yang sama karena unit-unit peptida berjajar dalam orientasi yang sama sepanjang sumbu heliks. Karena satu unit peptida memiliki momen dipol yang muncul dari perbedaan polaritas gugus NH dan C’O, momen-momen dipol ini juga berjajar di sepanjang sumbu heliks (Gambar 3.13). Efek keseluruhannya yakni total dipol besar untuk a-heliks yang memberikan muatan positif parsial pada ujung amino dan muatan negatif parsial pada ujung karboksi dari a-heliks tersebut. Besarnya momen dipol ini yakni sekitar 0,5 – 0,7 unit muatan pada

110

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

tiap ujung heliks. Muatan-muatan ini diharapkan dapat menarik ligan dengan muatan berlawanan dan ligan bermuatan negatif, terutama jika ligan tersebut memiliki gugus fosfat dan seringkali berikatan pada ujung-N a-heliks. Sebaliknya, ligan bermuatan positif jarang berikatan pada ujung-C. Hal ini mungkin karena selain efek dipol, ujung-N suatu a-heliks memiliki gugus NH bebas dengan geometri yang disukai untuk posisi gugus fosfat oleh ikatan hidrogen tertentu (lihat Gambar 3.13). Pengikatan ligan seperti ini sering terjadi dalam protein; yang memberikan contoh ikatan tertentu melalui konformasi rantai utama di mana rantai samping tidak terlibat. Beberapa asam amino lebih disukai dalam α-heliks Rantai samping asam amino diproyeksikan keluar dari a-heliks (lihat Gambar 3.12e) dan tidak memasukinya, kecuali untuk prolin. Atom terakhir pada rantai samping prolin terikat pada atom N rantai utama, yang membentuk struktur linear Ca-CH2-CH2-CH2-N. Hal ini mencegah atom N untuk berpartisipasi dalam pembentukan ikatan hidrogen dan juga memberikan suatu halangan sterik kepada konformasi a-heliks. Prolin sangat cocok dalam putaran pertama suatu a-heliks, tetapi biasanya menghasilkan bengkokan tajam jika berada di tempat lain dalam heliks tersebut. Bengkokan seperti itu terjadi dalam banyak a-heliks, bukan hanya dalam beberapa yang mengandung prolin di tengahnya. Karena itu, meskipun kita bisa memperkirakan bahwa residu prolin dapat menyebabkan suatu belokan dalam a-heliks, tetapi bukan berarti bahwa semua belokan merupakan akibat dari adanya prolin. Beberapa macam rantai samping ternyata memiliki sifat terpilih yang lemah tetapi pasti untuk berada dalam a-heliks atau tidak. Ala (A), Glu (E), Leu (L), dan Met (M) adalah pembentuk a-heliks yang baik, sedangkan Pro (P), Gly (G), Tyr (Y), dan Ser (S) sangat jelek untuk a-heliks. Pemilihan seperti ini adalah inti bagi seluruh usaha awal untuk memperkirakan struktur sekunder dari urutan asam amino, tetapi tidak cukup kuat untuk memberikan prediksi yang akurat.

Bab 3 Protein

Protein 111

-

Momen dipol

fosfa

A

C

B

Gambar 3-13 Gugus bermuatan negatif seperti ion fosfat seringkali

Gambar 3-13 Gugus bermuatan negatif seperti ion fosfat terikat sama pada ujung terikat pada ujung amino a-heliks. Momen dipol seringkali suatu a-heliks amino -heliks. Momen dipol suatu -heliks sama seperti posibilitas seperti posibilitas ikatan pada hidrogen pada bebas pada ujung ikatan hidrogen gugus NHgugus bebasNH pada ujung heliks menyukai ikatan seperti Dipol Nilai dalam heliks menyukai ikatan ini. seperti(a)ini. (a) satu Dipolunit satupeptida. unit peptida. Nilai kotak memberikan pendekatan muatan fraksional atom-atom dalam unit dalam kotak memberikan pendekatan muatan fraksional atom-atom peptida. (b) Dipol unit peptida dijajarkan sepanjang sumbu -heliks, dalam unityang peptida. (b) Dipolmomen unit peptida dijajarkan sepanjang sumbupositif menciptakan dipol total untuk -heliks tersebut, a-heliks, yang dipol total untuk a-heliks padamenciptakan ujung amino momen dan negatif pada ujung karboksi. (c)tersebut, Gugus fosfat berikatan hidrogen pada ujung NH suatu -heliks. positif pada ujung amino dan negatif pada ujung karboksi. (c) Gugus

fosfat berikatan hidrogen pada ujung NH suatu a-heliks.

Beberapa asam amino lebih disukai dalam -heliks Lokasi yang paling banyak terdapat a-heliks dalam

suatu struktur protein yaknisamping di sepanjang protein, dengan satu sisi heliks Rantai asam bagian amino luar diproyeksikan keluar dari -heliks (lihat berhadapan dengan larutan dan sisi lainnya berhadapan dengan Gambar 3.12e) dan tidak memasukinya, kecuali untuk prolin. Atom terakhir interior hidrofob protein tersebut. Karena itu, dengan 3,6 residu pada rantai samping prolin terikat pada atom N rantai utama, yang membentuk per putaran, ada kecenderungan rantai samping untuk berubah dari struktur C -CH Hal ini atom residu. N untuk 2-CH2-CH 2-N. hidrofoblinear menjadi hidrofil dengan jarak tigamencegah sampai empat Meskipun kecenderungan ini terkadang bisa dan terlihat dalam urutan berpartisipasi dalam pembentukan ikatan hidrogen juga memberikan suatu asam amino, cukup -heliks. kuat untuk struktur, karena halangan sterik tetapi kepadatidak konformasi Prolinprediksi sangat cocok dalam putaran residu yang menghadap larutan bisa bersifat hidrofob sehingga a-heliks pertama suatu -heliks, tetapi biasanya menghasilkan bengkokan tajam jika bisa saja tenggelam seluruhnya dalam protein atau terlihat seluruhnya. berada di tempat lain dalam heliks tersebut.

Bengkokan seperti itu terjadi

dalam banyak -heliks, bukan hanya dalam beberapa yang mengandung prolin di tengahnya. Karena itu, meskipun kita bisa memperkirakan bahwa residu

112

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

Urutan berikut menunjukkan contoh-contoh urutan asam amino yang a-heliksnya tenggelam total, tenggelam sebagian, dan terlihat seluruhnya. Urutan asam amino dari tiga a-heliks 1. –Leu-Ser-Phe-Ala-Ala-Ala-Met-Asn-Gly-Leu-Ala2. –Ile-Asn-Glu-Gly-Phe-Asp-Leu-Leu-Arg-Ser-Gly3. –Lys-Glu-Asp-Ala-Lys-Gly-Lys-Ser-Glu-Glu-GluUrutan pertama berasal dari enzim sitrat sintase, 260-270 residu, yang membentuk heliks tenggelam; urutan kedua berasal dari enzim alkohol dehidrogenase, 355-365 residu, yang membentuk heliks yang terbuka sebagian; dan urutan ketiga dari troponin-C, 87-97 residu, yang membentuk heliks terbuka seluruhnya. Residu bermuatan berwarna merah, residu polar biru, dan residu hidrofob hijau. Beta (β) sheet biasanya memiliki untai β yang paralel atau antiparalel Unsur struktur utama yang kedua ditemukan dalam protein globular yakni β-sheet. Struktur ini dibangun dari kombinasi beberapa daerah rantai polipeptida, kebalikan dengan β-heliks, yang dibangun dari satu daerah kontinu. Daerah ini, untai β, biasanya sepanjang 5 sampai 10 residu dan dalam konformasi yang hampir terbentang penuh dengan sudut φ, ψ di dalam daerah struktur luas yang diperbolehkan di kuadran kiri atas pada plot Ramachandran. Untai β ini berjajar berdekatan satu sama lain (lihat gambar 3.14 dan 3.15) sehingga ikatan hidrogen bisa terbentuk antara gugus C’=O di satu untai β dan gugus NH di untai β sebelahnya dan sebaliknya. β Sheet yang terbentuk dari beberapa untai βseperti ini “berlipat-lipat” dengan atom Cα yang sedikit di atas dan di bawah bidang β sheet. Rantai-rantai samping mengikuti pola ini sehingga di dalam untai β mereka juga mengarah ke atas atau ke bawah β sheet. Untai β bisa berinteraksi dalam dua cara untuk membentuk lembaran berlipat-lipat. Yang pertama, asam amino dalam jajaran untai β bisa semuanya ke arah biokimia yang sama, ujung amino ke ujung karboksi, yang lembarannya disebut paralel. Yang kedua, asam amino

gugus NH di untai

sebelahnya dan sebaliknya.

Sheet yang terbentuk dari

seperti ini “berlipat-lipat” dengan atom C yang sedikit di atas

beberapa untai

dan di bawah bidang

Bab 3 Protein

sehingga di dalam untai

sheet.

Rantai-rantai samping mengikuti pola ini

mereka juga mengarah ke atas atau ke bawah

113

sheet.

A

C

B

D

Gambar 3-14 Ilustrasi skematik sheet antiparalel. Sheet adalah unsur utama kedua dari struktur sekunder dalam protein. Untai bisa semuanya antiparalel seperti dalam gambar ini atau semuanya paralel atau campuran seperti digambarkan dalam gambar berikutnya. (a) Konformasi terbentang suatu untai . Rantai samping ditunjukkan sebagai lingkaran ungu. Orientasi untai adalah pada sudut kanan pada (b) dan (c). Untai secara skematik digambarkan sebagai anak

Gambar 3-14 Ilustrasi skematik b sheet antiparalel. b Sheet adalah unsur utama kedua dari struktur sekunder dalam protein. Untai b bisa semuanya antiparalel seperti dalam gambar ini atau semuanya paralel atau campuran seperti digambarkan dalam gambar berikutnya. (a) Konformasi terbentang suatuBiokimia: untaiStruktur b . Rantai samping dan Fungsi Biomolekul ditunjukkan sebagai lingkaran 108ungu. Orientasi untai b adalah pada sudut kanan pada (b) dan (c). Untai b secara skematik digambarkan sebagai anak panah, dari ujung N ke C. (b) Ilustrasi skematik pola ikatan hidrogen dalam b sheet antiparalel. NH dan atom O rantai utama di dalam b sheet berikatan hidrogen satu sama lain. (c) Versi ball-and-stick dari (b). Atom oksigen berwarna merah; atom nitrogen berwarna biru. Atom hidrogen dalam N-H…O berwarna putih. Atom karbon dalam rantai utama, Ca, berwarna hitam. Rantai samping digambarkan oleh satu atom ungu. Orientasi untai b berbeda daripada dalam (a). (d) Ilustrasi lipatan b sheet. Dua untai b antiparalel dilihat dari sisi b sheet. Perhatikan bahwa arah rantai samping, R

114

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

di untai yang berdekatan memiliki arah berlawanan, ujung amino ke ujung karboksi diikuti oleh ujung karboksi ke ujung amino, diikuti oleh ujung amino ke ujung karboksi, dan seterusnya, yang lembarannya disebut antiparalel. Masing-masing bentuk ini memiliki pola ikatan hidrogen yang berbeda. β Sheet antiparalel (Gambar 3.14) memiliki ruang antara pasangan ikatan hidrogen yang sempit serta ruang antar pasangan yang lebar. β-Sheet paralel (Gambar 3.15) memiliki ruang antara ikatan hidrogen berukuran rata-rata yang menjembatani untai b di satu sudut. Di dalam kedua tipe b sheet semua kemungkinan ikatan hidrogen rantai utama terbentuk, kecuali untuk dua untai b sheet yang hanya memiliki satu untai β sebelahnya. Untai-untai b bisa juga berkombinasi menjadi β-sheet Proteincampuran dengan sebagian pasangan untai b paralel dan sebagian antiparalel. panah, dari ujung N ke C. (b) Ilustrasi skematik pola ikatan hidrogen Terdapat ketidakjelasan terhadap b -sheet campuran; hanya sekitar dalam sheet antiparalel. NH dan atom O rantai utama di dalam sheet berikatan hidrogen satu sama lain. (c) Versi ball-and-stick dari 20% untai di dalam b -sheet dari struktur protein yang telah diketahui (b). Atom oksigen berwarna merah; atom nitrogen berwarna biru. Atom hidrogen dalam N-H…O berwarna putih. Atom karbon dalam rantai yang memiliki ikatan paralel di satu sisi dan ikatan antiparalel di sisi utama, C , berwarna hitam. Rantai samping digambarkan oleh satu ungu.mengilustrasikan Orientasi untai berbeda daripada dalam (a). (d) Ilustrasi hidrogen lainnya. Gambar atom 3.16 bagaimana ikatan lipatan sheet. Dua untai antiparalel dilihat dari sisi sheet. bahwa dalam arah rantai suatu samping, R lipatanyang ditekankan. antara untai-untaiPerhatikan b disusun b diikuti -sheet campuran.

A

B

C

Gambar 3-15 b -Sheet paralel. (a) Diagram skematik menunjukkan pola Gambar 3-15 -Sheet paralel. (a) Diagram skematik menunjukkan pola ikatan hidrogen dalam -sheet paralel. (b) Versi ball-and-stick dari (a). ikatan hidrogen dalam b -sheet paralel. (b) Versi ball-and-stick dari (a). Skema warna yang sama digunakan dalam Gambar 3.15c. (c) Diagram menggambarkan lipatan -sheet paralel. Skema warna yang sama skematik digunakan dalam Gambar 3.15c. (c) Diagram skematik menggambarkan lipatan b-sheet paralel. Untai

bisa berinteraksi dalam dua cara untuk membentuk lembaran

berlipat-lipat. Yang pertama, asam amino dalam jajaran untai

bisa semuanya

ke arah biokimia yang sama, ujung amino ke ujung karboksi, yang lembarannya disebut paralel. Yang kedua, asam amino di untai yang berdekatan memiliki arah berlawanan, ujung amino ke ujung karboksi diikuti oleh ujung karboksi ke ujung amino, diikuti oleh ujung amino ke ujung karboksi, dan seterusnya, yang lembarannya disebut antiparalel. Masing-masing bentuk ini memiliki pola ikatan hidrogen yang berbeda.

Sheet antiparalel (Gambar 3.14) memiliki ruang

Untai-untai

bisa juga berkombinasi menjadi -sheet campuran dengan

sebagian pasangan untai

paralel dan sebagian antiparalel.

Terdapat

ketidakjelasan terhadap -sheet campuran; hanya sekitar 20% untai di dalam sheet dari struktur protein yang telah diketahui yang memiliki ikatan paralel di

Bab 3 Protein

115

satu sisi dan ikatan antiparalel di sisi lainnya. Gambar 3.16 mengilustrasikan bagaimana ikatan hidrogen antara untai-untai

disusun dalam suatu

-sheet

campuran.

Protein

Gambaran skematik struktur sekunder protein B

A

Semua penggambaran molekul adalah versi yang disederhanakan dari merupakan atom-atom mekanik, Gambarmolekul (a)sebenarnya, Ilustrasi pilinanyang -sheet. Untai digambar sebagaikuantum panah Gambar 3-16model (a) 3-16 Ilustrasi Untai banakdigambar sebagai dari ujung pilinan amino ke ujung b-sheet. karboksi dari untai dalam penggambaran kumpulan probabilitas sama seperti partikel maupun gelombang. Hal ini sulit skematik ini dari protein tioredoksin dari E. coli pada resolusi 2,8 Å. -Sheet campuran dilihat salah satu ujungnya. (b) Ikatan anak panah dari ujung amino ujung karboksi dari untaitipeb dalam untuk digambarkan. Karenake itu kitadarimenggunakan bermacam-macam hidrogen antara untai dalam -sheet campuran dari protein yang penggambaransama. sederhana, termasuk model space-filling; model ball-and-stick, penggambaran skematik ini dari protein tioredoksin dari E. coli pada dengan atom berbentuk bola dan ikatan berbentuk batang; dan model yang Dalam struktur protein yangdilihat telah diketahui, hampir semuasatu -sheetujungnya. (b) resolusi 2,8 Å.menggambarkan b -Sheet campuran dari salah sifat-sifat permukaan. Penggambaran yang paling mendetil paralel, antiparalel, dan campuran – memiliki untai yang berpilin. Pilinan ini adalah model ball-and-stick. tetapi, struktur protein dengan Ikatan hidrogen untai bAkan dalam b-sheet campuran dari protein selaluantara memiliki putaran tangan yang sama model seperti yang ditunjukkan dalam semua atom digambarkan membingungkan karena sedikitnya informasi yang tersedia Gambar 3.16, yang didefinisikan sebagai pilinan tangan kanan. yang sama. (Gambar 3.17a).

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

A

110

A

B

C

D

Gambar 3-17 (a) Struktur mioglobin memperlihatkan semua atom sebagai lingkaran Gambar 3-17 (a) Struktur mioglobin memperlihatkan atom kecil yang dihubungkan oleh garis lurus. Meskipun hanyasemua rantai samping di permukaan molekul yang diperlihatkan, gambar ini memiliki banyak atom dihubungkan sehingga penggambaranoleh dua dimensi ini sangat sebagai lingkaran kecil yang garisseperti lurus. Meskipun membingungkan dan sangat sedikit informasi yang bisa didapat darinya. hanya rantai samping di permukaan molekul yang diperlihatkan, gambar ini memiliki banyak atom sehingga penggambaran dua dimensi seperti Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul 111 ini sangat membingungkan dan sangat sedikit informasi yang bisa didapat darinya. (b-d) Diagram skematik yang dibuat komputer dengan derajat penyederhanaan berbeda untuk struktur mioglobin.

116

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

Dalam struktur protein yang telah diketahui, hampir semua b-sheet paralel, antiparalel, dan campuran – memiliki untai yang berpilin. Pilinan ini selalu memiliki putaran tangan yang sama seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 3.16, yang didefinisikan sebagai pilinan tangan kanan. Gambaran skematik struktur sekunder protein Semua penggambaran molekul adalah versi yang disederhanakan dari model molekul sebenarnya, yang merupakan atom-atom kuantum mekanik, kumpulan probabilitas sama seperti partikel maupun gelombang. Hal ini sulit untuk digambarkan. Karena itu kita menggunakan bermacam-macam tipe penggambaran sederhana, termasuk model space-filling; model ball-and-stick, dengan atom berbentuk bola dan ikatan berbentuk batang; dan model yang menggambarkan sifat-sifat permukaan. Penggambaran yang paling mendetil adalah model ball-and-stick. Akan tetapi, model struktur protein dengan semua atom digambarkan membingungkan karena sedikitnya informasi yang tersedia (Gambar 3.17a). Gambar dua dimensi model seperti ini tidak mungkin diinterpretasikan. Bahkan jika atom-atom rantai samping dilepaskan, masih sulit untuk mendapat informasi berarti dari gambar datar model seperti itu, terutama karena sulit untuk melihat hubungan antara unsur-unsur struktur sekunder. Karena elemen-elemen ini mendominasi struktur, gambar akan menjadi lebih jelas jika disederhanakan dan ditandai dengan suatu cara. Hal ini biasanya dilakukan dengan menggambarkan jalur rantai polipeptida dengan tiga macam simbol: silinder untuk b -heliks; panah untuk untai β, yang memberikan arah untai dari ujung amino ke ujung karboksi; dan pita untuk bagian sisanya. Diagram skematik seperti ini memberikan gambar yang bagus dan sangat berguna akan struktur protein, tetapi tanpa informasi detil. Detilnya paling baik dipelajari dengan sistem grafik yang bisa dimanipulasi modelnya yang dibuat oleh komputer pada layar; dengan cara ini kekuatan alat grafik membuatnya mungkin untuk mempelajari lebih banyak detail.

dengan sistem grafik yang bisa dimanipulasi modelnya yang dibuat oleh komputer pada layar; dengan cara ini kekuatan alat grafik membuatnya mungkin mempelajari lebih banyak detail. Bab 3 untuk Protein

A

117

B

3-18 Contoh skematik tipe yang dipelopori GambarGambar 3-18 Contoh diagram diagram skematik untuk untuk tipe yang dipelopori oleh Jane oleh JaneRichardson. Richardson. Diagram (a) mengilustrasikan struktur mioglobin Diagram (a) mengilustrasikan struktur mioglobin dalam orientasi yang diagram buatan buatan komputer komputer pada pada Gambar dalam orientasi yangsama sama seperti seperti diagram 2.9b-d. Diagram (b), yang diambil dari J. Richardson, mengilustrasikan Gambar 2.9b-d. Diagram (b), yang diambil dari J. Richardson, struktur enzim triosefosfat isomerase, yang ditentukan pada resolusi 2,5 mengilustrasikan struktur enzim triosefosfat isomerase, yang ditentukan Å dalam laboratorium David Phillips, Oxford University. Diagram seperti bisa dengan mudahlaboratorium didapat dari David database struktur protein, seperti padainiresolusi 2,5 Å dalam Phillips, Oxford PDB, SCOPseperti atau CATH. University. Diagram ini bisa dengan mudah didapat dari database struktur protein, seperti PDB, SCOP atau CATH. Diagram topologi berguna untuk klasifikasi struktur protein Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

Untuk tujuan tertentu lebih enak jika melihat penggambaran skematik yang lebih sederhana untuk elemen struktur sekunder, terutama untuk b -sheet. Fitur paling karakteristik dari β-sheet adalah jumlah untai, arah relatif (paralel atau antiparalel), dan bagaimana untaiuntai dihubungkan sepanjang rantai polipeptida. Informasi ini bisa dengan mudah didapat melalui diagram sederhana panah-panah yang berhubungan seperti dalam Gambar 3.19, yang diagram topologi sederhana seperti itu dibandingkan dengan diagram Richardson yang lebih lengkap. Pilinan β-sheet tidak digambarkan dalam diagram topologi ini. Namun demikian, diagram ini sangat membantu jika digunakan untuk membandingkan struktur β dan untuk analisa dan menampilkan data dalam pencarian database komputer untuk strukturstruktur serupa.

112

118

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul Protein

Gambar 3-19 b -Sheet biasanya digambarkan hanya dengan panah Gambar 3-19 -Sheettopologi biasanya digambarkan hanyaarah dengan dalam diagram yang menunjukkan tiap panah untai bdalam dan diagram topologi yang menunjukkan arah tiap untai dan bagaimana untai bagaimana untai tersebut dihubungkan satu sama lain sepanjang tersebut dihubungkan satu sama lain sepanjang rantai polipeptida. rantai polipeptida. topologiiniseperti inidibandingkan di sini dibandingkan Diagram Diagram topologi seperti di sini dengan diagram skematik yang lebih untuk berbagai tipe -sheet. dengan diagram skematik yanglengkap lebih lengkap untuk berbagai tipe b(a)- Empat untai. -Sheet antiparalel dalam satu domain dari enzim sheet. (a) Empat untai. b -Sheet antiparalel dalam satu domain dariaspartat transkarbamoilase. Struktur enzim ini telah ditentukan pada resolusi 2,8 enzim aspartat Struktur telahredoks ditentukan Å. transkarbamoilase. (b) Lima untai. -Sheet paralelenzim dalamini protein flavodoksin, yang2,8 strukturnya telahuntai. ditentukan pada resolusi 1,8 Å. (c) Delapan pada resolusi Å. (b) Lima b -Sheet paralel dalam protein untai. Dinding antiparalel dalam pembawa elektron plastosianin. redoks flavodoksin, yang strukturnya telah ditentukan pada resolusi 1,8 Å. (c) Delapan untai. Dinding antiparalel dalam pembawa elektron plastosianin. Motif hairpin

sering muncul dalam struktur protein

Motif paling sederhana yang melibatkan untai daripada motif pengikat kalsium

, lebih sederhana

-heliks, yakni dua untai antiparalel

Protein

Bab 3 Protein

antiparalel baik sebagai pita terisolasi maupun sebagai bagian dari

yang lebih kompleks.

Terdapat pemilihan kuat untuk untai-untai

-sheet

119

untuk

bersebelahan dalam -sheet ketika bersebelahan dalam urutan asam amino Motif hairpin b sering muncul dalam struktur protein dan untuk membentuk motif hairpin

(atau

hairpin). Panjang daerah loop

antara sederhana untai bervariasi tetapi biasanya sepanjang lima sederhana residu. Motif paling yang melibatkan untaiduabsampai , lebih Tidak ada fungsi khusus yang berkaitan dengan yakni motif ini.dua untai antiparalel daripada motif pengikat kalsium α-heliks, Gambar 3.20 menunjukkan kedua kasus, pita bersebelahan dihubungkan oleh contoh satu dari loop. Motif ini,terisolasi yangdandisebut sheet. Pita terisolasi diilustrasikan oleh struktur inhibitor bovine tripsin (Gambar hairpin atau unit b-b, muncul cukup sering; yang terdapat dalam 3.20a), suatu polipeptida kecil yang sangat stabil sepanjang 58 asam amino kebanyakan struktur b antiparalel baik sebagai pita terisolasi maupun yang menginhibisi aktivitas tripsin protease pencernaan. Struktur ini telah sebagai bagian dari b -sheet yang lebih kompleks. Terdapat pemilihan ditentukan pada resolusi 1,0 Å dalam laboratorium Robert Huber di Munich, kuat untuk untai-untaib untuk bersebelahan dalam β-sheet ketika Jerman. Motif hairpin sebagai bagian dari sheet diperlihatkan oleh struktur bersebelahan dalam urutan asam amino dan untuk membentuk motif bisa ular, erabutoxin (Gambar 3.20b), yang mengikat dan menginhibisi reseptor hairpin b (atau b hairpin). Panjang daerah loop antara untai b bervariasi asetilkolin dalam sel syaraf. Strukturnya telah ditentukan pada resolusi 1,4 Å. tetapi biasanya sepanjang residu. Tidak ada fungsi Inti struktur ini adalah dua sheet sampai yang terdirilima atas lima untai yang mengandung dua motif hairpin dan satu untai tambahan. khusus yang berkaitan dengan motif ini.

A

B

Gambar 3-20 Motif hairpin sangat sering dalam -sheet dan dibangun dari dua untai bersebelahan yang dihubungkan oleh daerah loop. Dua contoh motif seperti ini diperlihatkan. (a) Diagram skematik struktur inhibitor bovine tripsin. Motif hairpin (b) Diagram skematik struktur bisa ular erabutoksin. Dua motif hairpin di dalam -sheet.

Gambar 3-20 Motif hairpin sangat sering dalam b -sheet dan dibangun dari dua untai b bersebelahan yang dihubungkan oleh daerah loop. Dua contoh motif seperti ini diperlihatkan. (a) Diagram skematik struktur inhibitor bovine tripsin. Motif hairpin (b) Diagram skematik struktur bisa ular erabutoksin. Dua motif hairpin di dalam b -sheet. Gambar 3.20 menunjukkan contoh dari kedua kasus, pita terisolasi Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul 115 dan b sheet. Pita terisolasi diilustrasikan oleh struktur inhibitor bovine tripsin (Gambar 3.20a), suatu polipeptida kecil yang sangat stabil sepanjang 58 asam amino yang menginhibisi aktivitas tripsin protease pencernaan. Struktur ini telah ditentukan pada resolusi 1,0 Å dalam laboratorium Robert Huber di Munich, Jerman. Motif hairpin sebagai

120

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

bagian dari b sheet diperlihatkan oleh struktur bisa ular, erabutoxin (Gambar 3.20b), yang mengikat dan menginhibisi reseptor asetilkolin dalam sel syaraf. Strukturnya telah ditentukan pada resolusi 1,4 Å. Inti struktur ini adalah b sheet yang terdiri atas lima untai yang mengandung dua motif hairpin dan satu untai b tambahan. Motif β-α-β terdiri atas dua untai b paralel Motif hairpin adalah cara sederhana dan sering digunakan untuk menghubungkan dua untai b antiparalel, karena ujung-ujung yang terhubung dalam untai b terletak berdekatan pada ujung yang sama dari b -sheet. Bagaimana untai b paralel terhubung? Jika dua untai bersebelahan dalam urutan asam amino, kedua ujungnya yang harus terhubung berada pada ujung berlawanan dari b -sheet. Rantai polipeptida harus melintasi b -sheet dari satu ujung ke ujung lainnya dan menghubungkan untai β berikutnya dekat dengan titik di mana untai b pertama dimulai. Koneksi crossover seperti ini seringkali dibuat oleh α -heliks. Rantai polipeptida harus berputar dua kali menggunakan daerah loop, dan motif yang terbentk yakni untai β diikuti oleh loop, b -heliks, loop lagi, dan, akhirnya, untai β kedua. Motif ini disebut motif beta-alpha-beta, β-α-β (Gambar 3.21) dan ditemukan sebagai bagian dari hampir semua struktur protein yang memiliki β-sheet paralel. Sebagai contoh, molekul yang diperlihatkan dalam triosefosfat isomerase, seluruhnya dibangun oleh perulangan kombinasi motif ini, dengan dua motif membagi satu untai β. Ini bisa juga disebut sebagai dibangun dari empat motif β-α-β-α berurutan. α-Heliks dalam motif β-α-β menghubungkan ujung karboksi dari satu untai β dengan ujung amino dari untai β berikutnya (lihat Gambar 3.21) dan biasanya terorientasi sedemikian rupa sehingga sumbu heliks kira-kira paralel terhadap untai β. α-Heliks terkemas terhadap untai β sehingga melindungi residu hidrofob pada untai β dari larutan. Maka motif β-α-β terdiri atas dua untai β paralel, satu α-heliks, dan dua daerah loop (kecuali dalam beberapa kasus hubungan antara dua untai β-paralel bukan α-heliks melainkan rantai polipeptida dengan struktur tak beraturan). Daerah loop bisa memiliki panjang

titik di mana untai

pertama dimulai. Koneksi crossover seperti ini seringkali

dibuat oleh -heliks. Rantai polipeptida harus berputar dua kali menggunakan daerah loop, dan motif yang terbentk yakni untai Bab 3 Protein loop lagi, dan, akhirnya, untai

diikuti oleh loop, -heliks, 121

kedua.

Motif ini disebut motif beta-alpha-beta,

- -

(Gambar 3.21) dan

yang sangat berbeda, dari satu atau dua residu sampai lebih dari seratus. ditemukan sebagai bagianfungsi dari hampir semua struktur yang memiliki Kedua loop memiliki yang berbeda. Loop protein (Gambar 3.21) yang sheet paralel. Sebagai contoh, molekul dalam triosefosfat menghubungkan ujung karboksi dari yang untaidiperlihatkan β dengan ujung amino dari α-heliks sering terlibat dalam pembentukan sisikombinasi ikatan fungsional, atau isomerase, seluruhnya dibangun oleh perulangan motif ini, dengan sisimotif aktif,membagi dari struktur-struktur loop ini biasanya dua satu untai . Iniini. bisaDaerah-daerah juga disebut sebagai dibangun dari memiliki urutan asam amino tertentu dalam protein homolog. empat motif - - - berurutan. Sebaliknya, loop lainnya belum diketahui terlibat dalam sisi aktif.

A

B

GambarGambar 3-21 Dua3-21 untai Dua paralel yang bersebelahan biasanya dihubungkan oleh satu untai β paralel yang bersebelahan biasanya -heliks dari ujung-C untai 1 kepada ujung-N untai 2. Kebanyakan dari ujung-C-sheet untai paralel 1 kepada ujung- dari dihubungkan olehprotein satu α-heliks struktur yang mengandung dibangun motif -struktur - seperti ini. Anak menunjukkan untai , β-sheet N untai kombinasi 2. Kebanyakan protein yang panah mengandung dan silinder menunjukkan heliks. (a) Diagram skematik jalur rantai paralel dibangun dari kombinasi motif β-α-β seperti ini. Anak panah utama. (b) Diagram topologi motif - - .

menunjukkan untai β, dan silinder menunjukkan heliks. (a) Diagram β-α-β. skematik (b) Diagram topologi -Heliks jalur dalamrantai motifutama. - - menghubungkan ujungmotif karboksi dari satu

untai

dengan ujung amino dari untai

berikutnya (lihat Gambar 3.21) dan

Motif β-α-β bisa dikatakan sebagai putaran heliks longgar dari satu untai β, mengelilingi ikatan, dan masuk ke untai β berikutnya. Maka motif ini pada prinsipnya bisa mempunyai dua macam “tangan” Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul 116 (Gambar 3.22). Intinya, tiap motif β-α-β dalam struktur protein yang diketahui ternyata memiliki tangan yang sama sebagai α-heliks tangan kanan sehingga disebut tangan kanan. Tidak ada penjelasan meyakinkan untuk keteraturan ini, meskipun itulah satu-satunya aturan umum yang menjelaskan bagaimana tiga elemen struktur sekunder disusun relatif satu dengan lainnya. Aturan tangan ini memiliki akibat fungsional dan struktural penting ketika beberapa motif ini dihubungkan menjadi struktur domain.

aturan umum yang menjelaskan bagaimana tiga elemen struktur sekunder disusun relatif satu dengan lainnya.

Aturan tangan ini memiliki akibat

122 Biokimia: Struktur Fungsi Biomolekul fungsional dan struktural penting ketika beberapa motif inidan dihubungkan menjadi

struktur domain.

A

B

GambarGambar 3-22 Motif - -Motif padaβ-α-β prinsipnya bisa memiliki dua 3-22 pada prinsipnya bisa“tangan”. memiliki(a) duaHubungan ini Hubungan dengan heliks atas sheet ditemukan dalamditemukan hampir semua protein “tangan”. (a) inididengan heliks di atas sheet dalam dan disebut tangan kanan karena memiliki tangan yang sama seperti -

hampir semua protein dan disebut tangan kanan karena memiliki tangan yang sama seperti α-heliks tangan kanan. (b) Hubungan tangan kiri dengan heliks di bawah sheet.

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

Molekul protein diorganisasikan dalam hierarki struktur Biokimiawan Denmark Kai Linderstrøm-Lang memberikan istilah struktur “primer”, “sekunder”, dan “tertier” untuk menekankan hierarki struktur dalam protein. Struktur primer adalah urutan asam amino, atau dengan kata lain, susunan asam amino sepanjang rantai polipeptida linier. Dua macam protein yang memiliki banyak persamaan dalam struktur primernya dikatakan homolog satu sama lain, dan karena urutan DNAnya juga sangat mirip, biasanya diasumsikan bahwa kedua protein tersebut berkaitan secara evolusionaritas, bahwa keduanya telah berevolusi dari suatu gen leluhur yang sama. Struktur sekunder terdapat sebagian besar sebagai α-heliks dan untai β. Pembentukan struktur sekunder dalam daerah lokal pada rantai polipeptida untuk tujuan tertentu ditentukan oleh struktur primer. Urutan asam amino tertentu memilih α-heliks atau untai β; yang lainnya memilih pembentukan daerah loop. Elemen-elemen struktur sekunder biasanya menata dirinya sendiri dalam motif sederhana, seperti yang telah dijelaskan sebelumnya. Motif dibentuk dengan mengemas rantai samping dari b-heliks atau untai β berdekatan satu sama lain.

117

Bab 3 Protein

123

Beberapa motif biasanya bergabung untuk membentuk struktur globular kompak, yang disebut domain. Dalam buku ini kita akan menggunakan istilah struktur tertier sebagai istilah umum baik untuk cara motif disusun menjadi struktur domain maupun untuk cara suatu rantai polipeptida tunggal melipat menjadi satu atau beberapa domain. Dalam penelitian telah ditemukan bahwa jika terdapat homologi urutan asam amino yang besar dalam dua domain di protein yang berbeda, domain-domain ini memiliki struktur tertier serupa. Molekul protein yang hanya memiliki satu rantai disebut protein monomer. Namun sejumlah besar protein memiliki struktur kuaterner, yang terdiri atas beberapa rantai polipeptida identik (subunit) yang bergabung menjadi molekul multimer dengan cara tertentu. Subunitsubunit ini bisa berfungsi secara independen satu sama lain maupun secara kerjasama sehingga fungsi satu subunit tergantung pada keadaan fungsional subunit lain. Molekul protein lain disusun dari beberapa macam subunit dengan fungsi yang berbeda; sebagai contoh, RNA polymerase dari E. coli mengandung lima macam rantai polipeptida. Domain dibangun dari motif struktur Domain dibentuk oleh bermacam kombinasi elemen struktur sekunder dan motif. a-Heliks dan untai β dari motif berdekatan satu sama lain dalam struktur tiga dimensi dan dihubungkan oleh daerah loop. Motif bersebelahan, atau motif yang dibentuk dari daerah struktur primer berurutan dari suatu rantai polipeptida, biasanya saling berdekatan dalam struktur tiga dimensinya (Gambar 3.23). Maka untuk pendekatan pertama suatu rantai polipeptida bisa dianggap sebagai penataan berurutan dari motif-motif sederhana ini. Jumlah kombinasi seperti ini yang ditemukan dalam protein terbatas, dan sebagian kombinasi tampak disukai secara struktural. Maka struktur domain serupa sering muncul dalam protein berbeda dengan fungsi yang berbeda pula dan dengan urutan asam amino yang sama sekali berbeda.

kombinasi tampak disukai secara struktural.

Maka struktur domain serupa

sering muncul dalam protein berbeda dengan fungsi yang berbeda pula dan sekali berbeda. 124 dengan urutan asam amino yang sama Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

A

B

Gambar 3-23 Motif yang bersebelahan dalam urutan asam amino juga biasanya Gambar 3-23 Motif yang bersebelahan dalam urutan asam amino juga bersebelahan dalam struktur tiga dimensi. Triosefosfat isomerase biasanya bersebelahan struktur isomerase dibangundalam dari empat motiftiga- dimensi. - - yang Triosefosfat berurutan baik dalam urutan asam amino (a) maupun dalam struktur tiga dimensi (b). dibangun dari empat motif β-α-β-α yang berurutan baik dalam urutan asam amino (a) maupun dalam struktur tiga dimensi (b). Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

Struktur protein bisa dibagi ke dalam tiga kelompok utama Atas dasar pertimbangan sederhana motif yang berhubungan, Michael Levitt dan Cyrus Chothia dari MRC Laboratory of Molecular Biology menurunkan taksonomi struktur protein dan mengelompokkan struktur domain ke dalam tiga kelompok utama: domain α, domain β, dan domain α/β. Dalam struktur α, inti dibangun hanya dari α heliks; dalam struktur β, inti terdiri atas β sheet antiparalel dan biasanya merupakan dua β sheet dikemas berhadapan satu sama lain. Struktur α/β dibuat dari kombinasi motif β-α-β yang membentuk dominasi β sheet paralel dikelilingi oleh α-heliks. Sebagian protein dibangun dari kombinasi motif α dan β yang terpisah dan biasanya membentuk satu β sheet antiparalel kecil di satu bagian domain yang dikemas terhadap sejumlah α heliks. Struktur ini bisa dianggap termasuk dalam kelompok keempat yang kecil yang

119

Bab 3 Protein

125

disebut α + β. Selain kelompok-kelompok ini, terdapat sejumlah protein kecil yang kaya akan ikatan disulfida atau atom logam dan membentuk kelompok khusus. Struktur protein ini tampak sangat dipengaruhi oleh adanya logam atau disulfida dan seringkali seperti versi distorsi dari protein yang lebih umum. Dalam buku ini domain dengan struktur protein yang diketahui dikelompokkan menurut skema Levitt dan Chothia. Pengelompokkan Cyrus Chothia telah membuat suatu database di mana semua struktur protein yang tersedia disusun menurut hierarki ini. Di dalam tiap kelompok, struktur disusun dalam superfamili menurut struktur tertiernya dan, di dalam superfamili, dalam famili menurut fungsi dan homologi urutan.

6. HOMOLOGI URUTAN DAN EVOLUSI PROTEIN Protein myoglobin berfungsi sebagai pengikat oksigen dalam otot. Protein ini termasuk yang pertama kali dipelajari dengan bantuan kristalografi sinar-x, yang menunjukkan struktur globular yang kompak yang terdiri atas delapan segmen a heliks dihubungkan melalui segmen nonheliks pendek. Hemoglobin adalah protein pembawa oksigen dalam darah vertebrata. Struktur hemoglobin serupa dengan struktur myoglobin. Bedanya, hemoglobin tersusun oleh empat rantai dengan struktur kuaterner. Keempat rantai tersebut ditahan oleh interaksi-interaksi nonkovalen dalam suatu penataan geometris tertentu. Terdapat dua tipe utama rantai polipeptida hemoglobin, yaitu rantai a dan rantai b. Rantai polipeptida myoglobin dan kedua tipe rantai hemoglobin sangatlah mirip baik dalam struktur primer maupun struktur tertiernya. Kedua protein tersebut dikatakan homolog. Myoglobin memiliki 153 residu, rantai a hemoglobin memiliki 141 residu, dan rantai b hemoglobin memiliki146 residu. Urutan ini identik di 24 dari 141 posisi dalam protein manusia, dengan banyak perbedaan yang menunjukkan conservative replacement. Hal ini berarti suatu residu asam amino dalam salah satu rantai telah diganti oleh residu yang

126

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

mirip pada posisi yang sesuai dalam rantai lain, misalnya penggantian glutamat oleh aspartat. Perbandingan urutan asam amino rantai hemoglobin dan myoglobin dari berbagai spesies hewan menunjukkan bahwa rantai-rantai yang berasal dari spesies yang berkerabat adalah serupa. Jumlah perbedaan meningkat seiring makin terpisahnya spesies menurut filogenetik. Dengan asumsi bahwa protein berkembang dengan laju konstan, maka jumlah perbedaan antara dua protein homolog akan sebanding dengan waktu penyimpangan dalam evolusi spesies tersebut.

7. PREDIKSI, REKAYASA, DAN RANCANGAN STRUKTUR PROTEIN Dalam waktu lebih dari 3 milyar tahun, berbagai macam molekul protein telah berevolusi menjadi mesin kompleks dari sel dan organisme. Molekul-molekul ini telah berkembang dengan perubahan acak pada gen oleh mutasi titik, exon shuffling, rekombinasi dan transfer gen antar spesies, dalam kombinasi dengan seleksi alam untuk produk gen yang telah memiliki keuntungan fungsional yang membantu dalam keselamatan organisme individu. Jauh sebelum Darwin dan Wallace mengajukan teori evolusi dan Mendel menemukan hukum genetika, petani dan peternak telah mulai mencampuri proses evolusi dalam spesies yang menghasilkan hewan ternak dan tanaman pangan. Dengan kurangnya pengetahuan mengenai teori evolusi dan genetika, pencapaian mereka, dengan mendorong kecepatan dan menggulingkan seleksi alam, adalah hasil mengesankan. Dengan munculnya genetika molekul dan dalam teknik-teknik tertentu untuk manipulasi gen, kini kita telah memasuki era eksploitasi genetik pada organisme yang tidak pernah dibayangkan 50 tahun yang lalu. Kini kita dapat merancang gen-gen untuk memproduksi, dalam organisme peliharaan, produk gen baru untuk keuntungan manusia; kita tidak lagi terbatas untuk menyeleksi gen-gen yang berguna dari mutasi. Akan tetapi, kita hanya pada awal era baru ini, dan sejauh ini kita baru menggores permukaan pengetahuan yang diperlukan untuk rekayasa sebenarnya dan rancangan molekul protein. Kita membedakan

Bab 3 Protein

127

rekayasa protein, yang diartikan memutasikan gen suatu protein yang ada sebagai usaha untuk mengubah fungsinya dengan cara yang bisa diperkirakan, dari rancangan protein, yang mempunyai tujuan lebih ambisius untuk merancang de novo suatu protein untuk memenuhi fungsi yang diinginkan. Proyek genom kini telah menyediakan penjelasan urutan lengkap semua gen dalam lebih dari selusin organisme, dan akan menyediakan lebih banyak lagi urutan genom lengkap dalam dekade berikutnya, termasuk genom manusia. Database ini memberian kesempatan besar untuk analisis dan eksploitasi gen serta proteinnya. Inti dari keuntungan komersil dan intelektual dari informasi genetika ini adalah kemampuan untuk menentukan fungsi produk gen individu. Hampir semua peranan fungsional kini didasarkan atas persamaan urutan dengan protein yang fungsinya telah diketahui. Pengetahuan akan struktur tertier protein adalah penting untuk mengerti dan merekayasa fungsinya. Sayangnya, selain dari keuntungan teknologi tinggi masa kini, penentuan secara eksperimen suatu struktur tertier masih berlangsung lambat dibanding dengan laju akumulasi data urutan asam amino. Hal ini membuat masalah pelipatan, prediksi tepat struktur tertier protein dari urutan asam aminonya, menjadi inti bagi kecepatan progres dalam post-genomic biologi. Karena itu, dalam pembahasan ini kita pertama-tama akan menjelaskan implikasi homologi protein dan metode untuk prediksi struktur sekunder dan tertier sebelum memberikan contoh-contoh rekayasa protein dan rancangan protein. Protein homolog memiliki struktur dan fungsi serupa Istilah homologi seperti digunakan dalam konteks biologi didefinisikan sebagai kesamaan struktur, fisiologi, perkembangan, dan evolusi organisme berdasarkan atas faktor-faktor genetika yang sama. Pernyataan bahwa dua protein merupakan homolog menandakan bahwa gen keduanya telah berevolusi dari satu gen leluhur yang sama. Protein-protein homolog sebagian besar dikenali oleh kesamaan yang begitu banyak dalam urutan asam aminonya. Biasanya, mereka

128

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

juga memiliki fungsi yang serupa meskipun terdapat beberapa penge­ cualian, yang mana gen untuk enzim-enzim leluhur telah diambil pada tahap akhir dalam evolusi untuk menghasilkan protein dengan fungsi yang berbeda. Suatu contoh diberikan oleh salah satu komponen struktur dalam lensa mata yang homolog dengan enzim glikolisis leluhur laktat dehidrogenase. Sekali gen baru telah dikloning dan diurutkan, pencarian kesamaan urutan asam amino di antara protein yang sesuai dan urutan protein lain harus dilakukan. Biasanya, hal ini dilakukan dengan membandingkan dengan database urutan protein yang diketahui menggunakan salah satu program komputer pengurutan standar. Dua protein dianggap homolog jika memiliki residu asam amino identik dalam sejumlah besar posisi berurutan sepanjang rantai polipeptida. Menggunakan metode statistik berdasar atas perbandingan urutan acak yang dihasilkan komputer, relatif langsung bisa mengetahui berapa posisi yang harus identik untuk identitas statistik antara dua urutan. Akan tetapi, sering ditemukan dua protein dengan identitas urutan di bawah level statistik memiliki fungsi serupa dan struktur tiga dimensi juga serupa. Dalam hal ini, residu-residu yang penting secara fungsional adalah identik dan biasanya residu-residu seperti ini membentuk pola urutan atau motif yang bisa digunakan untuk mengidentifikasi protein lain yang termasuk dalam famili fungsional yang sama. Seringkali, anggota famili seperti ini juga dianggap homolog, meskipun identitasnya tidak statistik, hanya fungsional. Database untuk famili seperti ini, berdasarkan pada motif urutan identik atau serupa, tersedia dalam World Wide Web dan sangat berguna untuk menentukan fungsi protein baru. Jika urutan asam amino identitas ditemukan dalam protein yang struktur kristalnya diketahui, model tiga dimensi untuk protein baru bisa disusun, menggunakan pemodelan komputer, atas dasar urutan dan struktur tiga dimensi yang diketahui. Model ini lalu dapat berperan sebagai dasar yang bagus untuk identifikasi residu asam amino yang terlibat dalam sisi aktif atau dalam epitop antigen, dan model ini bisa digunakan untuk rekayasa protein, rancangan obat, atau penelitian imunologi.

Bab 3 Protein

129

Karena database urutan berukuran besar dan tumbuh secara eksponensial, saat ini memiliki lebih dari 500.000 urutan protein, maka program pengurutan standar telah dirancang untuk memberikan pilihan antara kecepatan dan ketepatan pencarian. Hasilnya, hanya bekerja dengan baik ketika terdapat identitas urutan derajat tinggi, biasanya 30% atau lebih. Program yang jauh lebih sensitif yang telah dibuat dapat mencari identitas maupun sifat struktur serta untuk keterkaitan dalam sifat fisik berbeda, namun membutuhkan jauh lebih banyak waktu di depan komputer. Penggunaan hati-hati, program seperti ini dapat mengidentifikasi kesamaan struktur dan fungsi yang gagal dilakukan oleh program standar. Pengetahuan mengenai struktur sekunder diperlukan untuk prediksi struktur tertier Apa yang bisa dilakukan oleh metode prediktif jika pencarian urutan gagal untuk mengungkapkan homologi apapun dalam suatu protein dengan struktur tertier yang sudah diketahui? Mungkinkah untuk memodelkan struktur tertier dari urutan asam amino saja? Tidak ada metode masa kini untuk melakukan hal ini dan memperoleh model yang cukup detil untuk bisa digunakan, sebagai contoh, dalam rancangan obat dan rekayasa protein. Akan tetapi, hal ini merupakan area yang sangat aktif dalam penelitian dan hasil yang cukup menjanjikan sedang diperoleh; dalam beberapa kasus dimungkinkan untuk memprediksi tepat tipe protein, α, β, atau α/β, dan bahkan untuk menurunkan perkiraan lipatan yang tepat. Metode prediktif saat ini bergantung pada prediksi struktur sekunder: dengan kata lain, yang mana residu asam amino α-heliks dan mana yang merupakan untai β. Struktur sekunder secara umum tidak bisa diprediksi dengan derajat keyakinan tinggi dengan pengecualian yang mungkin pada heliks transmembran dan kumparan α-heliks. Hal ini menimbulkan keterbatasan dasar dalam prediksi struktur tertier. Sekali struktur sekunder tepat diketahui, kita cukup mengetahui tentang aturan untuk mengemas elemen-elemen struktur sekunder

130

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

satu sama lain untuk menurunkan dengan jumlah yang sangat terbatas kemungkinan lipatan globular stabil. Akibatnya, prediksi struktur sekunder terdapat pada jantung prediksi struktur tertier dari urutan asam amino. Sayangnya untuk metode prediktif, struktur sekunder dan tertier berkaitan erat dalam hal bahwa struktur tertier global mempengaruhi struktur sekunder lokal setidaknya di sebagian daerah rantai polipeptida. Kemampuan urutan pendek tertentu asam amino untuk membentuk α heliks, untai β, atau daerah loop tergantung bukan hanya pada urutan daerah tersebut tetapi juga pada lingkungannya dalam struktur tiga dimensi. Sebagai contoh, dengan menganalisis semua struktur tertier yang telah diketahui, terlihat bahwa daerah peptida sampai sepanjang lima residu dengan urutan asam amino identik merupakan α-heliks dalam satu struktur dan untai β atau loop dalam struktur yang lain. Meskipun saling ketergantungan antara struktur sekunder dan tertier ini menyulitkan prediksi struktur sekunder, namun kadangkala bisa digunakan untuk mengembangkan prediksi seperti itu, dengan suatu skema di mana penentuan awal struktur sekunder digunakan untuk memprediksi tipe struktur domain, sebagai contoh, kumpulan empat heliks atau lapisan α/β. Tipe struktur domain menyebabkan tambahan kecocokan pada kemungkinan struktur sekunder, yang bisa digunakan untuk memperbaiki prediksi struktur sekunder. Metode prediksi untuk keuntungan struktur sekunder dari jajaran protein homolog Lebih dari 20 macam metode telah diajukan untuk prediksi struktur sekunder; yang bisa dikategorikan dalam dua kelompok besar. Metode statistik empiris menggunakan parameter yang diperoleh dari analisis struktur tertier dan urutan yang diketahui. Semua metode seperti ini berdasarkan atas asumsi bahwa urutan lokal dalam daerah pendek pada rantai polipeptida menentukan struktur lokal; seperti yang telah kita lihat, ini bukanlah asumsi yang bisa diterapkan secara universal. Kelompok metode kedua berdasarkan atas kriteria stereokimia, seperti

Bab 3 Protein

131

kekompakan bentuk dengan inti hidrofob yang dikemas rapat dan permukaan polar. Meskipun ketiga metode ini menggunakan pendekatan yang cukup berbeda pada masalah tersebut, namun keakuratan prediksi struktur sekundernya kurang lebih sama. Ketiga metode bisa digunakan untuk menentukan salah satu dari tiga keadaan pada tiap residu: α heliks, untai β, atau loop. Penentuan acak ketiga keadaan ini pada residu dalam rantai polipeptida akan menghasilkan nilai rata-rata 33% keadaan yang diprediksi tepat. Metode-metode ini telah digunakan dalam analisis urutan tunggal dari sejumlah besar struktur sinar-x yang diketahui yang terdiri atas lebih dari 10.000 residu. Untuk definisi tiga keadaan struktur sekunder, keakuratan keseluruhan prediksi adalah sekitar 55%. Penentuan objektif lain juga memberikan hasil yang sama. Akan tetapi, ketika metode prediktif ini digunakan pada serangkaian protein homolog, kekuatan prediktifnya jadi lebih tinggi. Asumsi yang mendasari yakni bahwa struktur sekunder dan tertier lebih dipertahankan selama evolusi daripada urutan asam amino; dengan kata lain, hanya perubahan seperti itu yang tersisa selama evolusi yang mempertahankan struktur tersebut. Akibatnya, pola perubahan residu di dalam protein homolog mengandung informasi spesifik mengenai struktur tersebut. Residu hidrofob yang dipertahankan biasanya berada dalam interior protein dengan probabilitas tinggi sebagai heliks atau untai sheet. Insersi dan delesi hampir selalu terjadi dalam daerah loop dan bukan dalam lipatan yang dibangun dari heliks dan untai. Beberapa program kini tersedia menggunakan jajaran protein homolog untuk prediksi struktur sekunder. Salah satu program, yang disebut PHD, yang dikembangkan oleh Chris Sander dan kawankawan, EMBL, Heidelberg, telah mencapai rata-rata akurasi prediksi sebesar 72% untuk struktur baru. Bagian besar kesalahan (error) yang tersisa berada pada ujung αheliks untai β dan sebagai tambahan, sebagian error muncul karena kesulitan dalam membedakan antara α-heliks dan untai β. Error seperti ini bisa dikoreksi jika kelompok struktur, α, β, atau α/β, bisa didapat dari kombinasi penelitian fisik, sebagai contoh, spektra

132

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

dikroisme sirkular, dan fitur umum prediksi struktur sekunder. Sebagai contoh, jika skema prediksi menetapkan satu atau dua α- heliks pendek di antara banyak untai β dalam suatu protein dari kelompok β, maka terdapat probabilitas tinggi bahwa daerah struktur sekunder tersebut intinya diprediksi dengan tepat namun seharusnya semuanya merupakan untai b. Metode-metode prediktif ini sangat berguna dalam banyak konteks; sebagai contoh, dalam perancangan polipeptida baru untuk identifikasi kemungkinan epitop antigen, dalam analisis motif yang sama dalam urutan yang mengarahkan protein menjadi organel tertentu (misalnya, mitokondria), dan untuk menyediakan model awal untuk prediksi struktur tertier. Banyak urutan asam amino berbeda membentuk struktur tiga dimensi yang serupa Berapa banyak urutan asam amino yang sama sekali berbeda yang dapat membentuk struktur tiga dimensi serupa untuk domain berukuran rata-rata dari 150 residu asam amino? Perhitungan kombinasi sederhana menunjukkan bahwa terdapat total 20150 atau kasarnya 10200 kemungkinan urutan asam amino untuk domain seperti itu, dari 20 macam asam amino dalam protein alami. Jumlah ini jauh lebih besar daripada jumlah atom dalam alam semesta yang diketahui. Perhitungan lebih luas menunjukkan bahwa dari 10200 kemungkinan kombinasi ini kita bisa mengambil sekitar 1038 anggotanya yang memiliki kurang dari 20% identitas urutan asam amino satu sama lain sehingga bisa dianggap memiliki urutan yang berbeda. Dengan kata lain, terdapat 1038 macam cara untuk membangun suatu domain dari 150 asam amino menggunakan 20 asam amino standar sebagai penyusunnya (building blocks). Kita tidak tahu berapa banyak dari jumlah ini yang bisa membentuk struktur tiga dimensi stabil, namun dengan asumsi bahwa satu dari semilyar (109) itu bisa, maka tinggal 1029 kemungkinan lipatan protein. Pada bagian sebelumnya kita telah melihat bahwa motif struktur sederhana menata dirinya sendiri menjadi

Bab 3 Protein

133

sejumlah terbatas struktur domain yang berbeda secara topologi. Telah diperkirakan dengan alasan yang masuk akal bahwa terdapat sekitar 1000 struktur domain yang berbeda secara topologi. Karena terdapat 1029 kemungkinan urutan berbeda yang dapat melipat menjadi 103 macam struktur, maka terdapat 1026 macam penataan rantai samping dengan kurang dari 20% identitas urutan asam amino yang bisa membentuk lipatan polipeptida serupa. Hanya bagian kecil dari kemungkinan protein ini yang akan ditemukan di alam. Untuk setiap 500 atau lebih macam struktur domain yang sejauh ini telah diamati, kita bisa mengetahui sekitar selusin dari kemungkinan urutan berbeda ini. Bukanlah trivial untuk mengenali pola urutan umum yang sama untuk struktur domain tertentu dari dasar pengetahuan yang terbatas seperti ini. Prediksi struktur protein dari urutan adalah masalah tak terpecahkan Bagaimana memprediksi struktur tiga dimensi suatu protein dari urutan asam aminonya adalah masalah utama yang tak terpecahkan dalam struktur biologi molekul. Kita akan menggunakan program komputer yang bisa memberikan simulasi proses yang berjalan dalam tabung reaksi atau sel hidup ketika suatu rantai polipeptida dengan urutan asam amino tertentu melipat menjadi struktur tiga dimensi yang tepat. Mengapa prediksi pelipatan protein ini begitu sulit? Jawabannya biasanya diformulasikan dalam istilah kompleksitas pencarian melalui semua kemungkinan konformasi rantai polipeptida untuk menemukan yang berenergi rendah. Membutuhkan begitu banyak waktu di depan komputer, selain dari kesulitan yang dibahas dalam perbedaan energi antara molekul terlipat yang stabil dan keadaan tak terlipatnya adalah angka yang kecil tetapi mengandung error yang besar. Dengan realisasi bahwa hanya terdapat jumlah terbatas lipatan stabil dan banyak urutan tak berkaitan yang memiliki lipatan yang sama, para ilmuwan komputasi yang berorientasi biologi mulai melirik apa yang disebut masalah pelipatan kebalikan; pola urutan mana yang cocok dengan lipatan tertentu? Jika pertanyaan ini bisa dijawab, pola

134

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

seperti ini bisa digunakan untuk mencari melalui database urutan genom dan mengambil urutan-urutan yang memiliki lipatan tertentu, seperti lapisan α/β atau lipatan imunoglobulin. Akan tetapi, dengan sejumlah besar kemungkinan urutan yang tak berkaitan untuk tiap lipatan dan jumlah terbatas urutan yang diketahui, variasi dari masalah ini kini dialami oleh banyak kelompok; misalnya, yang mana dari lipatan yang telah diketahui, jika ada, yang paling cocok dengan urutan tertentu? Metodologi yang digunakan disebut sebagai threading karena melibatkan pengaluran urutan tertentu melalui semua lipatan yang diketahui dan untuk tiap lipatan memperkirakan probabilitas bahwa urutan tersebut mempunyai lipatan itu. Progres besar kini telah diraih dalam threading, dan dalam blind test beberapa struktur telah diprediksikan dengan tepat oleh kelompok-kelompok yang berbeda. Metode threading bisa menentukan urutan asam amino kepada lipatan tiga dimensi yang diketahui Metode threading, yang juga disebut sebagai penentuan lipatan protein atau pengenalan lipatan, merupakan area yang menjanjikan dan berkembang dengan cepat dalam komputasi struktur biologi. Tujuannya yakni untuk menentukan bagi tiap urutan protein yang diturunkan dari genom untuk melipat menjadi lipatan yang paling cocok, atau untuk menentukan ada tidaknya lipatan yang diketahui yang cocok dengan urutan tersebut. Tujuan selanjutnya yakni untuk menjajarkan urutan baru dengan tepat pada struktur tiga dimensi lipatan yang cocok untuk menghasilkan model resolusi rendah. Untuk menguji berbagai metode threading, blind test disiapkan, yang disebut sebagai Critical Assessment of Structure Prediction (CASP), di mana partisipan diberikan urutan dan diundang untuk memprediksi lipatan dan membuat penjajaran sebelum struktur tersebut ditentukan secara eksperimen. Di sini kita akan menjelaskan metode yang digunakan oleh salah satu partisipan yang berhasil dalam uji ini, kelompok David Eisenberg dari University of California, Los Angeles.

Bab 3 Protein

135

Kebutuhan yang pertama untuk threading adalah memiliki database semua macam lipatan protein yang telah diketahui. Eisenberg telah menggunakan pustakanya sendiri yang berisi sekitar 800 lipatan, yang merepresentasikan setidaknya lebih dari 6000 simpanan struktur di Protein Data Bank. Kelompok lain menggunakan database yang tersedia di World Wide Web, di mana lipatan disusun secara hierarki menurut kesamaan struktur dan fungsi, seperti SCOP, yang dirancang oleh Alexey Murzin dan Cyrus Chothia di Cambridge, Inggris. Untuk tiap lipatan dicari penjajaran terbaik dari urutan target yang cocok dengan lipatan tersebut; inti harus memiliki residu hidrofob dan residu polar harus berada di luar, daerah heliks dan untai yang diprediksi harus dijajarkan sesuai dengan elemen-elemen struktur sekunder dalam lipatan, dan seterusnya. Untuk mencocokkan penjajaran urutan dengan lipatan, Eisenberg mengembangkan metode cepat yang disebut sebagai metode 3D profil. Lingkungan tiap posisi residu dalam struktur 3D yang diketahui dikarakterisasi atas dasar tiga sifat: (1) Area rantai samping yang ditutupi oleh atom-atom protein lain, (2) Bagian dari area rantai samping yang ditutupi oleh atom-atom polar, dan (3) Struktur sekunder, yang dikelompokkan dalam tiga keadaan: heliks, sheet, dan coil. Posisi residu kemudian dapat dibagi menjadi enam kelompok oleh sifat 1 dan 2, yang berkombinasi dengan sifat 3 menghasilkan 18 kelompok lingkungan. Klasifikasi lingkungan ini memungkinkan struktur protein untuk dikode oleh urutan dalam 18 huruf alfabet, yang tiap hurufnya melambangkan kelompok lingkungan dari suatu posisi residu. Masing-masing dari 20 macam asam amino memiliki pemilihan yang berbeda untuk masing-masing dari 18 kelompok lingkungan; misalnya Leu lebih memilih berada dalam kelompok heliks dengan bagian besar area rantai samping terkubur, sedangkan Asp sangat tidak memilih posisi tersebut. Nilai numerik untuk pemilihan ini, disebut nilai 3D-1D, diturunkan dari serangkaian struktur protein

136

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

resolusi tinggi, bersama dengan rangkaian urutan yang serupa dengan urutan struktur 3D. Ini menghasilkan tabel penilaian yang untuk tiap kelompok lingkungan suatu nilai numerik pemilihan dikaitkan dengan masing-masing dari 20 asam amino. Tabel ini digunakan untuk membuat tabel 3D profil dari struktur protein, di mana tiap posisi residu berada dalam kelompok lingkungan dengan nilai numeriknya untuk pemilihan untuk tiap tipe asam amino. Inti dari metode ini yakni struktur tiga dimensi direduksi menjadi susunan satu dimensi, yang memfasilitasi pencocokan pada urutan satu dimensi. Urutan asam amino target dijajarkan terhadap profil struktur ini sedemikian rupa sehingga pasangan yang paling mungkin – nilai total tertinggi – diperoleh, memungkinkan gaps dan insersi. Penjajaran seperti ini secara konseptual serupa dengan penjajaran dua urutan dan metode serupa telah digunakan. Pencocokan urutan dengan profil struktur 3D untuk lipatan tertentu diekspresikan secara kuantitatif oleh suatu nilai yang disebut sebagai Z-score, yang merupakan angka standar deviasi di atas rata-rata nilai penjajaran untuk urutan lain yang panjangnya sama. Nilai Z-score tinggi berarti terdapat probabilitas tinggi bahwa urutan tersebut memiliki lipatan itu. Metode-metode yang dijelaskan di sini selanjutnya telah dikembangkan dan diperluas oleh Eisenberg, namun pada prinsipnya tetap sama. Kelompok lain menggunakan metode berbeda untuk screening penjajaran urutan-urutan dan kriteria berbeda untuk menilai kecocokan. Manfred Sippl dari University of Salzburg, Austria, telah mengembangkan serangkaian potensial untuk screening dan penilaian penjajaran, intinya yakni untuk memaksimalkan jumlah interaksi hidrofob dan untuk meminimalkan jumlah atom polar terkubur yang tidak berpartisipasi dalam ikatan hidrogen. Potensial ini dan potensial yang serupa kini digunakan oleh banyak kelompok dalam program threading mereka. Lipatan yang tepat dapat diprediksi dengan probabilitas cukup tinggi untuk protein berukuran kecil dan sedang. Namun penjajaran yang tepat suatu urutan pada lipatan yang terpilih kurang akurat.

Bab 3 Protein

137

Protein bisa dibuat lebih stabil melalui rekayasa Rekayasa protein, melalui site-directed mutagenesis DNA, bisa digunakan untuk menjawab pertanyaan yang sangat spesifik tentang stabilitas protein, dan hasil dari penelitian ini kini sedang digunakan untuk meningkatkan stabilitas enzim yang penting dalam industri. Untuk mengilustrasikan sebagian faktor yang penting untuk stabilitas protein yang telah diungkapkan dalam penelitian rekayasa protein. Lisozim dari bakteriofag T4 merupakan rantai polipeptida sepanjang 164 asam amino yang melipat menjadi dua domain. Tidak ada jembatan disulfida; dua residu sistein dalam urutan asam amino, Cys 54 dan Cys 97, jauh terpisah dalam struktur terlipat. Stabilitas protein wild-type maupun protein mutan diekspresikan sebagai titik leleh, Tm, yang merupakan suhu ketika 50% enzim terinaktivasi selama denaturasi panas reversibel. Untuk lisozim T4 wild-type Tm-nya yakni 41,90 C. Kita akan membahas tiga macam pendekatan untuk merekayasa protein yang lebih termostabil daripada lisozim T4 wild-type, yakni (1) mengurangi perbedaan entropi antara protein terlipat dan tak terlipat, yang dalam prakteknya berarti mengurangi jumlah konformasi dalam keadaan tak terlipat, (2) menstabilkan α-heliks, dan (3) meningkatkan jumlah interaksi hidrofob dalam inti interior. Jembatan disulfida meningkatkan stabilitas protein Semakin besar jumlah konformasi tak terlipat dari suatu protein, maka makin tinggi energi entropi pelipatan protein itu menjadi keadaan dasar tunggalnya. Dengan demikian, mengurangi jumlah konformasi tak terlipat meningkatkan stabilitas keadaan dasar. Cara yang paling jelas untuk menurunkan jumlah konformasi tak terlipat adalah dengan memasukkan ikatan disulfida baru atas dasar pengetahuan akan struktur tertier protein terlipat. Semakin panjang loop di antara residuresidu sistein, maka makin terbatas rantai polipeptida tak terlipat, memberikan lebih banyak stabilisasi struktur terlipat. Namun untuk merancang jembatan seperti itu bukanlah pekerjaan sederhana, karena

138

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

geometri jembatan –CH2-S-S-CH2- dalam protein memiliki batasan konformasi yang cukup sempit, dan deviasi dari geometri ini akan menyebabkan untai menjadi struktur terlipat sehingga mengurangi stabilitas dan bukan meningkatkannya. Karena itu, tidak cukup untuk memilih acak dua residu yang berdekatan dalam ruang untuk membuat jembatan, namun perekayasa protein harus hati-hati memilih pasangan residu dengan konformasi rantai utama yang memenuhi kondisi yang dibutuhkan untuk jembatan disulfida. Mathews membuat perbandingan yang sangat hati-hati antara geometri 295 jembatan disulfida dalam struktur sinar-x yang sudah diketahui dengan kemungkinan pasangan residu asam amino yang cukup dekat satu sama lain dalam struktur lisozim T4 untuk mempermudah jembatan disulfida. Hal ini diikuti dengan minimalisasi energi pada kandidat jembatan disulfida yang paling baik serta analisis stabilisasi interaksi yang terdapat dalam struktur wild-type yang akan hilang oleh mutasi pada residu Cys. Kehilangan seperti ini harus diminimalkan. Tiga kandidat jembatan disulfida tersisa setelah penyaringan ini, salah satunya, Cys 3 – Cys 97, memiliki salah satu residu sistein (Cys 97) yang terdapat dalam wild type. Lima residu asam amino – Ile 3, Ile 9, Thr 21, Thr 142, dan Leu 164 (lihat Gambar 3.24 berikut) – dimutasi menjadi residu Cys dalam eksperimen terpisah sehingga semua jembatan disulfida tunggal (3-97, 9-164, dan 21-142) dan juga kombinasi ikatan disulfida double dan triple dapat terbentuk. Selain itu, residu Cys kedua dari enzim wild-type, Cys 54, dimutasi menjadi Thr untuk menghindari pembentukan jembatan disulfida yang salah selama pelipatan.

terbentuk. Selain itu, residu Cys kedua dari enzim wild-type, Cys 54, dimutasi menjadi Thr untuk menghindari pembentukan jembatan disulfida yang salah

Bab 3 selama Proteinpelipatan.

139

Gambar 3-24. peptidalisozim lisozim bakteriofage T4melipat yang menjadi melipat2 Gambar 3-24.Rantai Rantai peptida dari dari bakteriofage T4 yang domain. Domain terminal N merupakan tipe + . tipe α + β. menjadi 2 domain. Domain terminal N merupakan Glisin dan prolin memiliki efek berlawanan pada stabilitas

Glisin dan prolin memiliki efek berlawanan pada stabilitas

Residu glisin memiliki lebih banyak kebebasan konformasi daripada Residu glisin memiliki lebih banyak kebebasan konformasi daripada asam amino yang lain. Residu glisin pada posisi tertentu dalam protein asam amino yang lain. Residu glisin pada posisi tertentu dalam protein biasanya hanya memiliki satu konformasi dalam struktur terlipat biasanya hanya memiliki satu konformasi dalam struktur terlipat namun bisa namun bisa memilii banyak konformasi berbeda dalam struktur tak memilii konformasi berbeda dalamyang struktur tak sehingga terlipat yang berbeda terlipat yangbanyak berbeda pula dari protein sama berperan dalam keanekaragaman konformasi tak terlipat. Di sisi lain, residu prolin memiliki lebih sedikit kebebasan konformasi dalam struktur tak Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul 133 terlipat daripada residu lainnya karena rantai samping prolin kaku oleh adanya tambahan ikatan kovalen pada rantai utama. Cara lain untuk menurunkan jumlah kemungkinan struktur tak terlipat suatu protein, sehingga menstabilkan struktur awal yakni dengan mutasi residu glisin menjadi residu lain dan meningkatkan jumlah residu prolin. Mutasi seperti ini hanya dapat dibuat pada posisi yang tidak mengubah konformasi rantai utama struktur terlipat maupun menyebabkan kontak tak disukai, atau menyebabkan hilangnya kontak yang disukai dengan rantai samping yang bersebelahan.

140

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

Kedua tipe mutasi telah dibuat dalam lisozim T4. Mutasi terpilih yakni Gly 77 – Ala, yang menyebabkan meningkatnya Tm sebesar 10 C, dan Ala 82 – Pro, yang meningkatkan Tm sebesar 20 C. Struktur tiga dimensi enzim mutan ini juga ditentukan: mutan Ala 82 – Pro memiliki struktur yang pada dasarnya identik dengan wild type kecuali untuk rantai samping residu 82; hal ini sangat mengindikasikan bahwa efek pada Tm dari Ala 82 – Pro adalah dikarenakan perubahan entropi. Efek seperti ini diharapkan bersifat aditif, sehingga meskipun tiap mutasi hanya memberikan sedikit kontribusi untuk meningkatkan stabilitas, tetapi efek gabungan dari sejumlah mutasi seperti ini akan sangat meningkatkan stabilitas protein. Menstabilkan dipol-dipol pada α-heliks meningkatkan stabilitas Dalam pembahasan sebelumnya kita telah dijelaskan α-heliks sebagai dipol dengan muatan positif pada ujung N dan muatan negatif pada ujung C. Ion negatif, seperti gugus fosfat dalam koenzim atau substrat, biasanya terikat pada ujung positif dipol heliks. α-Heliks yang bukan bagian dari sisi ikatan sering memiliki rantai samping bermuatan negatif pada ujung N atau residu bermuatan positif pada ujung C yang berinteraksi dengan dipole heliks tersebut. Residu dengan dipol menstabilkan bentuk heliks pada peptida sintetik kecil dalam larutan. Apakah residu penstabil heliks ini juga berperan dalam keseluruhan stabilitas protein globular? Dari 11 α-heliks pada lisozim T4, 7 heliks memiliki residu bermuatan negatif dekat dengan ujung N; dua dari empat α-heliks sisanya dipilih untuk penelitian rekayasa untuk menjawab pertanyaan ini (Gambar 3.25). Dua macam protein mutan dengan substitusi tunggal pada ujung N dari masing-masing heliks Ser 38 – Asp dan Asn 144 – Asp, dibuat seperti juga mutan double. Mutan tunggal keduanya menunjukkan peningkatan Tm sekitar 2 0C; efeknya aditif karena mutan double memiliki Tm kira-kira 4 0C lebih tinggi daripada wild type. Nilai ini sebanding dengan 1,6 kcal/mol energi stabilisasi. Dari struktur sinar-x mutan-mutan ini tampak bahwa stabilisasi tersebut dikarenakan in-

Bab 3 Protein

141

teraksi elektrostatik dan bukan karena ikatan hidrogen spesifik antara asam amino tersubstitusi dan ujung heliks. Alan Fersht di Cambridge, Inggris, telah menunjukkan, menggunakan sistem yang berbeda, ribonuklease bakteri kecil, barnase, bahwa residu histidin pada ujungProtein C heliks menstabilkan struktur barnase sebesar sekitar 2,1 kca/mol. Dengan demikian, stabilisasi tinggi pada struktur α-heliks mungkinpertanyaan diperoleh -heliks sisanya dipilih untuk penelitian rekayasa untuk menjawab denganinimenggabungkan beberapa mutasi penstabil heliks seperti ini. (Gambar 3.25).

Gambar 3-25 Struktur lisozim T4 yang menunjukkan lokasi terjadinya Gambar 3-25 Struktur lisozim T4 yang menunjukkan lokasi terjadinya 2 mutasi yang strukturstruktur protein melalui interaksi elektrostatik dengan 2 mutasi yangmenstabilkan menstabilkan protein melalui interaksi dipol-dipol pada -heliks. elektrostatik dengan dipol-dipol pada a-heliks. macam protein mutan dengan substitusi tunggal pada ujung N dari LipatanDua struktur bisa dikurangi ukurannya dengan fungsi tetap masing-masing heliks Ser 38 – Asp dan Asn 144 – Asp, dibuat seperti juga sama. mutan double. Mutan tunggal keduanya menunjukkan peningkatan Tm sekitar Dalam sebagian besar protein, hanya sedikit residu yang 2 0C; efeknya aditif karena mutan double memiliki Tm kira-kira 4 0C lebih tinggi langsung terlibat dalam ikatan ligan atau reseptor; sisa dari proteinnya daripada wild type. Nilai ini sebanding dengan 1,6 kcal/mol energi stabilisasi. membentuk struktur tiga dimensi pada posisi yang tepat bagian Dari struktur sinar-x mutan-mutan ini tampak bahwa stabilisasi tersebut fungsional dari molekul. James Wells dan kawan-kawan di Genentech dikarenakan interaksi elektrostatik dan bukan karena ikatan hidrogen spesifik telah menggunakan phage display untuk mengetahui apakah ikatan antara asam amino tersubstitusi dan ujung heliks. Alan Fersht di Cambridge, epitop bisa ditransfer pada lipatan yang lebih kecil. Ini merupakan Inggris, telah menunjukkan, menggunakan sistem yang berbeda, ribonuklease pertanyaan yang menarik karena lipatan protein seringkali terlihat bakteri kecil, barnase, bahwa residu histidin pada ujung C heliks menstabilkan struktur barnase sebesar sekitar 2,1 kca/mol. tinggi pada struktur

Dengan demikian, stabilisasi

-heliks mungkin diperoleh dengan menggabungkan

beberapa mutasi penstabil heliks seperti ini.

Dalam sebagian besar protein, hanya sedikit residu yang langsung terlibat dalam ikatan ligan atau reseptor; sisa dari proteinnya membentuk struktur tiga dimensi pada posisi yang tepat bagian fungsional dari molekul.

142 James Wells dan kawan-kawan di Genentech Biokimia: Struktur dan Fungsiphage Biomolekul telah menggunakan display untuk mengetahui apakah ikatan epitop bisa ditransfer pada lipatan yang lebih kecil.

Ini merupakan pertanyaan yang menarik karena lipatan

lebih besar daripada yang diperlukan, dan juga produksi protein yang protein seringkali terlihat lebih besar daripada yang diperlukan, dan juga berguna paling efisien jika protein tersebut berukuran kecil. Residu produksi protein yang berguna paling efisien jika protein tersebut berukuran ke-59 domain Z membentuk kumpulan tiga-heliks antiparalel yang kecil. Residu ke-59 domain Z membentuk kumpulan tiga-heliks antiparalel yang mengikat pada bagian Fc dari IgG dengan tetapan disosiasi (Kd) mengikat pada bagian Fc dari IgG dengan tetapan disosiasi (Kd) sebesar 20 sebesar 20 nM. Epitop pengikat Fc bersifat diskontinu, melibatkan nM. Epitop pengikat Fc bersifat diskontinu, melibatkan residu dari heliks 1 serta residu dari heliks 1 serta heliks 2. Heliks ketiga tidak berhubungan heliks 2. Heliks ketiga tidak berhubungan dengan Fc, tetapi diperlukan untuk dengan Fc, tetapi diperlukan untuk menjaga struktur domain pengikat. menjaga struktur domain pengikat. Minimisasi domain Z mempunyai masalah Minimisasi domain Z mempunyai masalah rancangan yang sulit: versi rancangan yang sulit: versi yang lebih kecil harus menjaga penempatan tiga yang lebih kecil harus menjaga penempatan tiga dimensi yang tepat dimensi yang tepat untukyang gugustidak fungsional yang tidak berdekatan dalam untuk gugus fungsional berdekatan dalam urutan. Terlebih urutan. Terlebih lagi, struktur protein yang lebih kecil dari 50 residu relatif lagi, struktur protein yang lebih kecil dari 50 residu relatif jarang, dan jarang, dan hanya terdapat 30 peptida 30 residu dirancang hanya baru-baru inibaru-baru terdapatinipeptida residu yang yang dirancang sebagai sebagai domain stabilgambar (lihat gambar 3-26, berikut ini). domain stabil (lihat 3-26). heliks 3

exoface

interface

intraface

heliks 2

heliks 1

IgG-Fc

A

B

Gambar 3-26 Konstruksi 2 heliks pada domain Z. Gambar 3-26 Konstruksi 2 heliks pada domain Z.

Andrew Braisted dan J.A. Wells membuat phage yang mengandung heliks 1 dan 2 domain Z dan mengembalikan ikatan Fc dari minidomain 38 residu ini dalam tiga tahap (lihat Gambar 3-26). Peptida pertamatama diacak di empat residu hidrofob yang menghubungkan heliks Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul 136 3 dalam domain Z lengkap. Urutan konsensus dari pustaka ini mempertahankan residu wild type Ile 17 dan Leu 23 sedangkan residu hidrofob Leu 20 dan Phe 31 termutasi menjadi residu bermuatan Asp dan Lys. Mutan ganda ini mengikat Fc dengan Kd sebesar 3,4 μM, lebih besar daripada peningkatan seratus kali lipat atas fragmen tak .

Bab 3 Protein

143

termutasi, dan mempunyai kenaikan besar dalam kandungan a- heliks seperti diperlihatkan oleh spektroskopi sirkular dikroisme. Permukaan peptida dua heliks ini lalu diubah dari inti protein menjadi permukaan protein. Pustaka kedua menetapkan Asp 20 dan Lys 31 dan mengacak lima posisi pada “intraface” heliks 1 dan heliks 2. Dari pustaka ini, tiga residu baru dipilih pada ujung terbuka dari interface intraheliks, dan Kd untuk peptida ini sekitar 300 nM, meningkat sepuluh kali lipat atas pustaka pertama. Akhirnya, lima pustaka diacak pada bagian ikatan Fc dari kumpulan dua heliks dan mutasi konsensus digabung. Beberapa pustaka menghasilkan mutasi yang meningkatkan ikatan sebesar 2-3 kali lipat, dan keseluruhan kumpulan dua heliks memiliki 12 mutasi dari urutan domain Z. Penyambungan akhir kelima residu ujung-N menghasilkan peptida 33 residu dengan Kd sebesar 40 nM, sangat dekat dengan nilai wild-type yakni 20 nM. Kristalografi sinarx dan spektroskopi NMR menandakan bahwa kedua kumpulan heliks memiliki struktur tiga dimensi yang sama dan epitop pengikat Fc yang sama seperti domain Z. Maka, siklus phage display digunakan untuk membuat permukaan protein yang lebih stabil dan untuk mengemas kembali inti protein. Lipatan yang dihasilkan berukuran setengah kali ukuran domain awalnya tetapi mempertahankan penataan tiga dimensi residu pengikat Fc pada interface. Suatu struktur β telah diubah menjadi struktur α hanya dengan mengubah setengah urutannya Pada tahun 1994 hadiah sebesar $1000 yang disebut tantangan Paracelsus ditawarkan bagi perancang struktur protein yang bisa mengubah satu lipatan protein menjadi yang lainnya dengan tetap memper­ tahankan 50% urutan aslinya. Kekuatan tantangan ini yakni untuk mengambil satu langkah penting untuk memecahkan masalah pelipatan dengan menentukan fraksi urutan asam amino dari suatu protein yang cukup untuk spesifikasi strukturnya. Atas dasar pengetahuan kita akan protein yang ada di alam, tantangan ini tidak tampak seperti proyek yang dapat dikerjakan dengan mudah: semua protein dengan struktur

144

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

yang diketahui dengan lebih dari 30% identitas urutan terlihat memiliki lipatan identik. Namun, tidak lebih dari tiga tahun sebelum hadiah itu dimenangkan. Pada tahun 1997 kelompok Lynne Regan dari Yale University mengubah protein yang melipat menjadi terutama struktur β-sheet menjadi struktur α-heliks dengan mengubah 50% urutannya. Mereka mulai dari urutan suatu domain, B1, dari protein pengikat IgG yang disebut Protein G. Domain berukuran 56 residu asam amino ini melipat menjadi β sheet empat untai dan satu α heliks (Gambar 3-27). Tujuan mereka yakni untuk mengubah struktur ini menjadi seluruhnya struktur α-heliks yang serupa dengan milik Rop. Tiap subunit Rop adalah sepanjang 63 asam amino dan melipat menjadi dua α heliks yang dihubungkan oleh loop pendek. Tujuh residu terakhir tak berstruktur dan tidak diperhitungkan dalam prosedur rancangan. Dua subunit Rop membentuk kumpulan empat-heliks. Dengan menjajarkan kedua urutan dari ujung aminonya hanya menghasilkan tiga residu identik dalam 56 posisi berjajar. Untuk mempertahankan 50% urutan aslinya, 28 residu bisa diubah dalam domain B1 agar lipatan berubah menjadi struktur mirip Rop. Rasionalisasi untuk perubahan-perubahan ini yakni penggunaan pengetahuan masa kini akan pembentukan heliks dan stabilitas untuk identifikasi dan mengubah subset residu yang merupakan determinan kunci lipatan, dengan mempertimbangkan interaksi lokal dan jarak jauh. Residu dalam domain B1 yang sangat memilih pembentukan b sheet diganti dengan residu yang sangat memilih pembentukan α-heliks, seperti Tyr menjadi Lys dan Leu menjadi Ala, dalam daerah yang dibutuhkan untuk mengubah konformasi. Karena Rop merupakan protein coiledcoil, residu hidrofob dimasukkan dalam posisi a dan d yang cocok pada pengulangan heptad. Di antara perubahan lain terdapat pemasukkan jembatan garam intramonomer antara Arg 16 dan Asp 46 yang ada di antara kedua heliks pada Rop. Protein-protein homolog memiliki struktur tiga dimensi yang serupa. Mereka memiliki daerah inti, lipatan elemen struktur sekunder, dengan lipatan rantai polipeptida yang sangat mirip. Daerah loop yang menghubungkan building block lipatan bisa sangat bervariasi baik

Bab 3 Protein

145

panjangnya maupun strukturnya. Dari database struktur imunoglobulin yang telah diketahui, mungkin saja untuk memprediksi dengan tepat konformasi daerah loop hipervariabel dari antibodi dengan urutan asam amino yang diketahui.

Gambar 3-27 Diagram ribbon struktur domain B1 dari protein G (biru) dan struktur dimer Rop merah. Gambar 3-27 Diagram ribbon domain B1 dari protein G (biru)

Protein

dan dimer

Rop merah).

Metode untuk prediksi struktur sekunder dari serangkaian protein homolog bisa mencapai akurasi sekitar 75%, sebagian besar error Protein-protein homolog memiliki strukturpusat tiga elemen dimensistruktur yang serupa. terdapat pada ujung α-heliks dan untai β. Daerah Mereka ini memiliki daerahdiprediksi inti, lipatandengan elemen tepat struktur sekunder, dengan lipatan sekunder seringkali namun metodenya tidak selalu dengan tepat α-heliks β. rantai polipeptida yangmembedakan sangat mirip.antara Daerah loop dan yanguntai menghubungkan Prediksiblock struktur tertier darisangat urutanbervariasi asam amino problemmaupun building lipatan bisa baikadalah panjangnya utama yang tak terpecahkan dalam struktur biologi molekul. Masalah strukturnya. Dari database struktur imunoglobulin yang telah diketahui, sebaliknya, yakni untuk memprediksi urutan asam amino mana yang sajasuatu untuklipatan memprediksi dengan tepat konformasi daerah loop bisamungkin memiliki yang diinginkan tampak lebih mudah hipervariabel dari antibodi urutan asamdi amino yang diketahui. untuk dipecahkan. Progres dengan besar telah dibuat tahun-tahun terakhir dalam metode yang menentukan suatu lipatan yang telah protein Metodathreading, untuk prediksi struktur sekunder dari serangkaian diketahui urutan yang diberikan dengan mengalurkan homologpada bisa suatu mencapai akurasi sekitar 75%, sebagian besar error terdapat urutan tersebut melalui semua lipatan yang diketahui. pada ujung -heliks dan untai

. Daerah pusat elemen struktur sekunder ini

seringkali diprediksi dengan tepat namun metodanya tidak selalu dengan tepat membedakan antara -heliks dan untai .

146

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

Rekayasa protein kini digunakan secara rutin untuk modifikasi molekul protein baik melalui site-directed mutagenesis maupun melalui metode kombinasi. Faktor-faktor yang penting untuk stabilitas protein telah dipelajari, seperti stabilisasi α-heliks dan mengurangi jumlah konformasi dalam keadaan tak terlipat. Metode kombinasi menghasilkan sejumlah besar mutan acak yang jika memiliki sifat-sifat yang diinginkan akan terseleksi in vitro menggunakan phage display. Inhibitor enzim spesifik, meningkatkan aktivitas enzim dan agonis molekul reseptor merupakan contoh-contoh penggunaan metode ini. Molekul protein kecil dengan lipatan yang telah ditentukan sebelumnya bisa dirancang in silico dengan perhitungan energi untuk semua kemungkinan kombinasi dari serangkaian residu asam amino. Suatu lipatan zinc finger yang dirancang stabil tanpa adanya seng menunjukkan tidak adanya kesamaan urutan signifikan dengan urutan protein yang telah diketahui. Progres penting telah dibuat dalam menentukan fraksi dari urutan asam amino suatu protein yang cukup untuk spesifikasi strukturnya. Suatu protein yang melipat menjadi terutama struktur β-sheet telah diubah menjadi struktur α-heliks hanya dengan mengubah 50% urutannya.

8. Metode PENENTUAN STRUKTUR PROTEIN Sebagian besar informasi struktur protein didapat dari analisis kristalografi sinar-x pada kristal protein, serta dari analisis spektroskopi resonansi magnetik inti (nuclear magnetic resonance, NMR) pada larutan protein. Masing-masing teknik tersebut memiliki kelebihan dan kekurangan. Struktur myoglobin adalah struktur protein pertama yang ditentukan dengan resolusi yang cukup untuk melacak jejak rantai polipeptida, yakni pada tahun 1960. Sejak saat itu, beribu-ribu struktur yang sesuai dengan ratusan protein kemudian ditentukan. Koordinat atom-atom dalam struktur protein dan asam nukleat kini banyak tersedia di Protein Data Bank, yang dapat diakses via internet (http://www.pdb.bnl.gov).

Bab 3 Protein

147

Persamaan atau aturan pelipatan yang dapat disimpulkan dari data base struktur protein antara lain: 1. Sebagian besar gugus bermuatan berada pada permukaan molekul dan berinteraksi dengan air. Pengecualian untuk aturan ini biasanya adalah pada residu katalis yang penting dalam enzim, yang mungkin terstabilkan secara parsial oleh interaksi polar tertentu di dalam bagian hidrofob molekul. 2. Kebanyakan gugus nonpolar (misalnya hidrokarbon) berada di dalam interior molekul, sehingga menghindari kontak dengan air yang tidak disukai secara termodinamika. Pengecualian untuk aturan ini mungkin berfungsi sebagai sisi pengikat spesifik (specific binding sites) pada permukaan molekul untuk protein atau ligan lain. 3. Ikatan hidrogen maksimal terjadi di dalam molekul. 4. Prolin seringkali mengakhiri segmen a-heliks. Sinar-x mempunyai panjang gelombang yang mendekati panjang jarak antara atom-atom yang berikatan dalam molekul (misalnya, ikatan tunggal karbon-karbon berjarak 1,5 Å, sedangkan panjang gelombang sinar-x dari suatu tabung dengan target tembaga adalah 1,54 Å). Bila sinar monokromatik sinar-x berinteraksi dengan suatu molekul, maka molekul tersebut akan terdifraksi dengan pola difraksi yang menunjukkan informasi mengenai lokasi atom dalam molekul tersebut. Akan tetapi jika sampel berada di dalam larutan, maka molekul tunggal protein akan berorientasi secara acak sehingga akan diperoleh informasi bentuk molekul lengkap dengan resolusi yang sangat rendah. Protein serat dan asam nukleat bisa diinduksikan untuk membentuk gel atau serat yang terorientasi. Difraksi sinar-x pada sampel semacam ini digunakan untuk menentukan jarak segmen yang berulang secara teratur, yakni yang dikarakterisasikan sebagai a-heliks dan b sheet dalam protein serta bentuk A dan B untuk DNA dan RNA. Dalam hal ini, difraksi sinar-x hanya bisa dipakai untuk memeriksa model geometrik yang diusulkan, tetapi bukan untuk menentukan struktur secara objektif.

148

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

Penggunaan sinar-x yang paling utama adalah pada sampel kristal tunggal. Struktur molekul yang telah ditemukan terdapat dalam bermacam-macam ukuran, mulai dari beberapa atom sampai virus yang memiliki puluhan ribu atom. Dalam kristal tunggal, semua molekul berada pada kisi-kisi tiga dimensi dengan posisi relatif dan orientasi yang tetap. Intensitas tiap titik dalam pola difraksi dapat diukur, sehingga informasi mengenai struktur tiga dimensi lengkap dapat diperoleh. Kelebihan dan kekurangan kristalografi protein: 1. Teknik ini bisa diterapkan untuk bermacam-macam sampel, antara lain protein, enzim, asam nukleat, dan virus. Teknik ini tidak tergantung pada ukuran molekul. 2. Tidak semua protein bisa dikristalkan, terutama protein membran intrinsik yang harus dilarutkan dalam larutan detergen. 3. Kebanyakan kristal protein tidak berdifraksi membentuk resolusi atom yang sesungguhnya. Untuk itu, urutan protein harus diketahui terlebih dahulu. Struktur tiga dimensi protein lengkap yang pertama kali dipecahkan menggunakan teknik spektroskopi NMR adalah pada tahun 1986. Fenomena NMR berasal dari fakta bahwa tingkat energi inti dengan spin nonzero akan menjadi tak seimbang ketika inti tersebut diletakkan dalam medan magnet. Dengan demikian, energi inti dapat dikacaukan (digerak-gerakkan di antara tingkat-tingkat energi) dengan menerapkan getaran frekuensi radio yang panjang gelombangnya sesuai dengan celah di antara tingkat-tingkat energi tersebut. Pengacauan inti seperti ini memungkinkan pengamatan interaksi skalar dan dipolar inti. Interaksi skalar dapat memberikan informasi mengenai sudut torsi protein, sedangkan interaksi dipolar memberikan informasi mengenai jarak interproton. Struktur protein dihitung menggunakan data urutan asam amino yang dikombinasikan dengan hasil pengukuran sudut-sudut dihedral dan jarak interproton. NMR menganalisis protein dalam bentuk larutan. Molekulmolekul protein bergerak-gerak dalam larutan, sehingga teknik NMR

Bab 3 Protein

149

ini dapat mengukur kuantitas skalar (sudut torsi dan jarak interproton). Hal ini sangat berbeda dengan kristalografi sinar-x yang menganalisis kisi kristal untuk memperoleh “gambaran” vektor molekul. Karena NMR menganalisis protein dalam larutan, maka teknik ini bisa digunakan untuk melacak detil yang rumit dalam dinamika protein. Kelebihan dan kekurangan spektroskopi NMR protein: 1. Teknik ini dapat diterapkan untuk protein dan asam nukleat dalam bentuk larutan. 2. Terdapat batas ukuran, yakni hanya sampai 35 – 40 kDa. Namun hal ini berarti bahwa kebanyakan domain protein dapat dianalisis menggunakan spektroskopi NMR. 3. Resolusi akhir tidak sebagus kristalografi sinar-x, tetapi dapat diperoleh banyak informasi berguna mengenai dinamika protein. Pengetahuan kita sekarang akan hubungan antara struktur dan fungsi molekul protein tidaklah cukup untuk menentukan fungsi protein dari strukturnya saja, meskipun, seperti yang telah kita lihat, homologi struktur dengan protein yang fungsinya telah diketahui kadangkala bisa memungkinkan hal ini. Perlu untuk menggabungkan penelitian biokimia dengan informasi struktur. Penelitian biokimia dan biologi sel bisa memberitahukan pada kita apakah suatu protein merupakan reseptor, molekul transpor, atau suatu enzim serta ligan mana yang bisa terikat padanya, juga efek fungsional dari pengikatan ligan seperti ini. Penelitian struktur tiga dimensi kompleks antara ligan spesifik dan protein kemudian akan memberikan informasi detil tentang bagaimana sisi aktif dibangun dan residu asam amino mana yang terlibat dalam pengikatan ligan. Contoh-contoh yang telah kita jelaskan antara lain interaksi protein-DNA, pengikatan gula pada protein pengangkut gula, dan pengikatan inhibitor pada enzim yang memotong ikatan peptide. Peran spesifik tiap residu asam amino untuk fungsi protein bisa diuji dengan membuat mutasi spesifik pada residu yang dipertanyakan dan memeriksa sifat-sifat protein mutan. Dengan menggabungkan dengan cara ini penelitian fungsi dalam larutan, site-directed mutagenesis oleh

150

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

teknik DNA rekombinan, dan penentuan struktur tiga dimensi, kita kini berada dalam posisi untuk mendapat wawasan segar ke dalam cara kerja molekul protein. Struktur tiga dimensi molekul protein bisa ditentukan secara eksperimen dengan dua macam metode, kristalografi sinar-x dan NMR. Interaksi sinar-x dengan elektron dalam molekul yang tersusun dalam kristal digunakan untuk memperoleh peta densitas-elektron molekul tersebut, yang bisa diinterpretasikan dalam suatu model atom. Kelebihan teknik masa kini, seperti kekuatan komputer termasuk kerja grafis, detektor area elektronik, dan sumber sinar-x yang sangat kuat dari radiasi synchrotron, telah sangat memudahkan penggunaan kristalografi sinar-x. Kristalisasi protein bisa sulit dicapai dan biasanya membutuhkan banyak eksperimen berbeda dengan variasi sejumlah parameter, seperti pH, suhu, konsentrasi protein, dan sifat pelarut dan endapan. Kristal protein mengandung saluran-saluran besar dan lubang-lubang yang dipenuhi oleh pelarut, yang bisa digunakan untuk difusi logam berat ke dalam kristal. Penambahan logam berat diperlukan untuk penentuan fasa pancaran terdifraksi. Struktur sinar-x ditentukan pada berbagai level resolusi. Pada resolusi rendah hanya bentuk molekul yang diperoleh, sedangkan pada resolusi tinggi sebagian besar posisi atom bisa ditentukan dengan akurasi berderajat tinggi. Pada resolusi sedang lipatan rantai polipepitda biasanya terungkap dengan tepat serta juga perkiraan posisi rantai samping, termasuk yang berada pada sisi aktif. Kualitas model tiga dimensi akhir protein tersebut tergantung pada resolusi data sinarx dan pada derajat perbaikan. Dalam struktur yang telah diperbaiki dengan baik, dengan nilai R kurang dari 0,20 pada resolusi sebesar 2,0 Å, perkiraan error dalam posisi atom adalah sekitar 0,1 Å hingga 0,2 Å, sehingga urutan asam amino diketahui. Serat biologis, seperti yang bisa dibentuk oleh DNA dan protein serat, bisa mengandung kristalit dengan molekul yang sangat teratur yang strukturnya pada prinsipnya bisa didapatkan pada resolusi atom dengan kristalografi sinar-x. Namun dalam prakteknya, kristalit ini

Bab 3 Protein

151

jarang seteratur kristal sebenarnya, dan untuk menemukan atom individu perlu untuk memasukkan kecocokan stereokimia dalam analisis sinar-x sehingga strukturnya dapat diperbaiki oleh pemodelan molekul. Dalam NMR, sifat-sifat spin magnet inti atom di dalam suatu molekul digunakan untuk memperoleh daftar kecocokan jarak antara atom-atom dalam molekul, yang dari sini struktur tiga dimensi molekul protein bisa diperoleh. Metode ini tidak membutuhkan kristal protein dan dapat digunakan pada molekul protein dalam larutan pekat. Namun, penggunaannya terbatas pada molekul protein kecil. -oo0oo-

Bab

4

LIPID, MEMBRAN, TRANSPOR, DAN PENSINYALAN

1. PENGANTAR Lipid didefinisikan sebagai senyawa yang tak larut dalam air yang diekstrak dari organisme hidup menggunakan pelarut yang kepolarannya lemah atau pelarut nonpolar. Definisi ini berdasarkan atas sifat fisik, berlawanan dengan definisi protein, karbohidrat, maupun asam nukleat yang berdasarkan atas struktur kimianya. Istilah lipid mencakup berbagai macam kelompok senyawa yang berbedabeda strukturnya. Perhatikan contoh senyawa-senyawa pada hal 154, yang sebagian besar merupakan lipid. Senyawa 1, 3, dan 5 sampai 9 merupakan lipid karena berasal dari suatu organisme dan larut dalam pelarut organik. Lipid larut dalam pelarut organik karena mengandung karbon dan hidrogen dengan proporsi tinggi sehingga tidak larut dalam air. Senyawa 4 bukan merupakan lipid karena tidak terdapat bebas dalam organisme hidup. Senyawa 2 larut dalam air, tetapi karena senyawa ini adalah anggota kelompok senyawa yang sama seperti senyawa 1, maka biasanya senyawa ini dianggap sebagai lipid.

atas struktur kimianya.

Istilah lipid mencakup berbagai macam kelompok

senyawa yang berbeda-beda strukturnya. Perhatikan contoh senyawa-senyawa berikut, yangStruktur sebagian besar merupakan 154 Biokimia: dan Fungsi Biomolekul lipid: CH3(CH2)14COO-

CH3CH2COO-

(1) Palmitat

(2) Propionat

CH3(CH2)14CH2OH (3) Setil Alkohol (4) Benzen

(5) Limonen Lipid, Membran, Transpor, dan Pensinyalan

(6) Skualen OH

HO

O

O (7) Krisin

HO

Biokimia: Struktur dan Fungsi O Biomolekul

146

(8) Vitamin E O COO

OH

OH (9) Prostaglandin E2

Senyawa 1, 3, dan 5 sampai 9 merupakan lipid karena berasal dari suatu 2. KELOMPOK-KELOMPOK LIPID organisme dan larut dalam pelarut organik. Lipid larut dalam pelarut organik karena mengandung karbondalam dan hidrogen proporsi tinggi Kandungan hidrokarbon lipid dengan diturunkan darisehingga polimerisasi tidak larut dalam air. Senyawa 4 bukan merupakan lipid karena tidak terdapat asetat yang diikuti dengan reduksi rantai yang terbentuk. Misalnya, bebas dalam organisme hidup. Senyawa 2 larut dalam air, tetapi karena polimerisasi asetat menghasilkan senyawa-senyawa berikut: senyawa ini adalah anggota kelompok senyawa yang sama seperti senyawa 1, maka biasanya senyawa ini dianggap sebagai lipid.

2. KELOMPOK-KELOMPOK LIPID

Kandungan hidrokarbon dalam lipid diturunkan dari polimerisasi asetat yang diikuti dengan reduksi rantai yang terbentuk. Misalnya, polimerisasi asetat Bab 4 Lipid, Membran, Transpor, dan Pensinyalan 155 menghasilkan senyawa-senyawa berikut: Lipid, Membran, Transpor, dan Pensinyalan

1. 1. Rantai hidrokarbon panjang dan dan linear: Rantai hidrokarbon panjang Lipid,linear: Membran, Transpor, dan Pensinyalan

Produk ini merupakan asam lemak, CH3(CH2)nCOOH, yang selanjutnya nCH3COO-

CH3COCH2CO ···

CH3CH2CH2CH2 ···

bisa menghasilkan amina dan alkohol. Lipid yang mengandung asam Produk ini merupakan asam lemak, CH3(CH2)nCOOH, yang selanjutnya

antara Produklain inigliserolipid, merupakan sfingolipid, asam lemak, CHlilin. (CH2)nCOOH, yang lemak serta 3

bisa menghasilkan amina dan alkohol. Lipiddan yang mengandung asam selanjutnya bisa menghasilkan amina alkohol. Lipid yang

2. Hidrokarbon rantai bercabang melalui intermediet karbon-lima yakni lemakmengandung antara lain gliserolipid, lilin. asam lemaksfingolipid, antara lainserta gliserolipid, sfingolipid, serta

isopentena (isopren):

lilin. rantai bercabang melalui intermediet karbon-lima yakni 2. Hidrokarbon

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

147

2. Hidrokarbon rantai bercabang melalui intermediet karbon-lima isopentena (isopren): yakni isopentena (isopren): CH3 3CH3COO-

(CH3 CH

3CH3COO-

(CH3 CH

C 3 CH2 CH C

CH2

terpen

)

(termasuk steroid terpen dan karotenoid)

)

(termasuk steroid dan karotenoid)

3. Struktur linear atau siklik tereduksi secara parsial: 3. Struktur linear atauyang siklikhanya yang hanya tereduksi secara parsial: 3. Struktur linear atau siklik yang hanya tereduksi secara parsial: O nCH 3COO

O

-

nCH 3COO

-

CH 3 CH 3

O

O O

O

COO COO -

n-3

n-3



Produk ini disebut asetogenin (atau disebut juga poliketida). Ba­ Produk nyak ini disebut asetogenin (atau disebut juga poliketida). Banyak yang merupakan aromatik, jalur pembenProduk ini senyawa disebut ini asetogenin (atau disebut juga yang poliketida). Banyak tukannya merupakan jalur aromatik, utama untuk cincin benzen senyawa yangsintesis jalurpembentukannya pembentukannya senyawainiiniyang yang merupakan merupakan aromatik, yang jalur di alam. Tidak semua senyawa ini termasuk lipid, karena reduksiTidak merupakan sintesis cincin cincinbenzen benzendi dialam. alam.Tidak merupakanjalur jalurutama utama untuk untuk sintesis parsial seringkali meninggalkan gugus yang mengandung oksigen semua senyawa ini lipid, karena reduksiparsial parsialseringkali seringkali semua senyawa ini termasuk termasuk sehingga membuatnya larutlipid, dalamkarena air. reduksi meninggalkan oksigensehingga sehingga membuatnya meninggalkangugus gugusyang yang mengandung mengandung oksigen membuatnya

Ruteair. sintesis untuk lipid-lipid dalam contoh sebelumnya adalah larut dalam air. larut dalam

sebagai berikut: Senyawa 1, 3, dan 9 dibuat melalui rute (1). Senyawa 3, dan9 9dibuat dibuat rute (1). 5 danmelalui 6melalui dibuatrute melalui Senyawa 1, 1, 3,Senyawa dan (1). rute (2). Senyawa 7 dibuat melalui rute (3), dan senyawa 8 melalui rute (2) Senyawa 5 dan dibuat melalui rute (2). Senyawa 5 dan 6 6dibuat melalui rute (2). dan (3).

Rute sintesis untuklipid-lipid lipid-lipiddalam dalam contoh contoh sebelumnya sebagai berikut: Rute sintesis untuk sebelumnyaadalah adalah sebagai berikut:

Senyawa 7 dibuat melalui rute (3), dan senyawa 8 melalui rute (2) dan (3).

Senyawa 7 dibuat melalui rute (3), dan senyawa 8 melalui rute (2) dan (3). Untuk lipid yang disintesis melalui rute (2), unit-unit isopren dihubungkan

Untuk lipid yang disintesis melalui rute (2), unit-unit isopren dihubungkan

156

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

Untuk lipid yang disintesis melalui rute (2), unit-unit isopren dihubungkan dengan cara seperti yang ditunjukkan oleh garis putusputus dalam struktur molekul berikut:

Limonen

Skualen HO

O Vitamin E

3. ASAM LEMAK Lebih dari 100 asam lemak terdapat secara alami. Asam lemak ini bervariasi panjang rantainya serta derajat ketidakjenuhannya. Hampir semua asam lemak mempunyai atom-atom karbon yang berjumlah genap. Sebagian besar terdiri atas atom-atom karbon rantai linear, tetapi beberapa memiliki rantai bercabang. Asam lemak dalam keadaan bebas terdapat dalam jumlah sangat sedikit. Kebanyakan asam lemak ditemukan dalam keadaan teresterifikasi sebagai komponen dari lipid lainnya. pKa gugus asam karboksilat adalah sekitar 5. Dalam kondisi fisiologis, gugus asam karboksilat terdapat dalam keadaan terionisasi yang disebut ion asilat, misalnya ion dari asam palmitat adalah palmitat, CH3(CH2)14COO-. Berikut ini adalah beberapa asam lemak yang penting untuk tubuh.

Bab 4 Lipid, Membran, Transpor, dan Pensinyalan

157

(a) Jenuh: CH3(CH2)14COOH CH3(CH2)16COOH Asam palmitat Asam stearat (asam heksadekanoat) (asam oktadekanoat) 16:0 18:0 (b) Dalam asam lemak tak jenuh, ikatan rangkap hampir selalu memiliki konformasi cis: CH3(CH2)5CH=CH(CH2)7COOH Asam palmitoleat (asam cis-9-heksadekenoat) 16:1D9 (c) Dalam asam lemak poli tak jenuh (polyunsaturated), ikatan rangkap jarang yang terkonjugasi: CH3(CH2)4CH=CH–CH2–CH=CH(CH2)7COOH Asam linoleat (asam cis,cis-9,12-oktadekadienoat) 18:2D9,12 Notasi angka digunakan untuk menandai struktur asam lemak. Sebelah kiri tanda titik dua (:) menunjukkan jumlah atom C dalam asam, sedangkan yang sebelah kanan menunjukkan jumlah ikatan rangkap. Posisi ikatan rangkap ditunjukkan oleh superscript D diikuti oleh jumlah karbon di antara ikatan rangkap dengan ujung rantai, dengan karbon pada gugus asam karboksilat diberi nomor 1. Notasi angka, nama sistematis, serta nama trivial untuk tiga asam lemak adalah sebagai berikut: CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH 18:1D9 asam cis-9-oktadekenoat (asam oleat) CH3CH2CH=CH–CH2–CH=CH–CH2–CH=CH(CH2)7COOH 18:3D9,12,15 –seluruhnya cis– asam cis-9,12,15,oktadekatrienoat (asam a-linoleat)

158

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

CH3(CH2)4CH=CH–CH2–CH=CH–CH2–CH=CH–CH2– CH=CH(CH2)3COOH D5,8,11,14 –seluruhnya cis– asam cis-5,8,11,14-eikosatetraenoat 20:4 Lipid, Membran, Transpor, danPensinyalan Pensinyalan Lipid, Membran, Transpor, dan Lipid, Membran, Transpor, dan Pensinyalan (asam arakhidonat) 0

Asam elaidat (asam trans-9-oktadekanoat), 44 C Asam elaidat (asam trans-9-oktadekanoat), 4400CCtitik leleh yang berbeda pula, Asam elaidat (asam trans-9-oktadekanoat), 44 Asam-asam lemak yang berbeda memiliki a-linoleat, –110C Asam linoleat, –50C; 0asam 0 0 C; asam a-linoleat,–11 –110C C Asam linoleat, –5 misalnya: Asam linoleat, –5 C; asam a-linoleat,

Asam palmitat, 630C; asam stearat, 700C; asam oleat, 130C Perbedaan titik elaidat leleh asam lemak juga terjadi pada asam-asam Asam (asam trans-9-oktadekanoat), 440C lemak yang Perbedaan titik leleh asam lemak juga terjadi pada asam-asam lemak yang yang 0 Konformasi 0pada Perbedaan titik leleh asam lemaka-linoleat, juga terjadi asam-asam jumlah atom karbonnya sama. yang lebih disukai rantai atom lemak Asam linoleat, –5 C; asam –11 C untuk atomkarbonnya karbonnya sama. Konformasi Konformasi yang lebih disukai untuk rantai rantai atom atom Cjumlah jenuh adalah struktur yangsama. panjang dan lurus. Suatu ikatan rangkap cis untuk akan jumlah atom yang lebih disukai menimbulkan bengkokan pada struktur, sehingga lebih juga sukar untuk tersusun Perbedaan titik leleh asam lemak terjadi pada asam-asam jenuhadalah adalah struktur yang panjang dan lurus. Suatu ikatan rangkap cis akan akan CCjenuh struktur yang panjang dan lurus. Suatu ikatan rangkap cis

membentuk kristal daripada molekul yang sehingga panjangnya sama.sukar Ikatan lemak yang jumlah atomjenuh karbonnya sama. lebih Konformasi yang tersusun lebih menimbulkan bengkokan pada struktur, untuk menimbulkan bengkokan pada struktur, sehingga lebih sukar untuk tersusun untuk rantai bengkokan atom C jenuh adalahContohnya: struktur yang panjang dan rangkap disukai trans tidak menimbulkan pada rantai. membentuk kristal daripada molekul jenuh yang panjangnya sama. sama. Ikatan Ikatan membentuk kristal daripada molekul jenuh yang panjangnya

lurus. Suatu ikatan rangkap cis akan menimbulkan bengkokan pada rangkap trans menimbulkan bengkokan pada rantai.membentuk Contohnya: kristal 1. Rantai jenuhtidak struktur, sehingga lebih sukar untukpada tersusun rangkap trans tidak menimbulkan bengkokan rantai. Contohnya: daripada molekul jenuh yang panjangnya sama. Ikatan rangkap trans COOH Rantai jenuh tidak menimbulkan bengkokan pada rantai. Contohnya: 1.1. Rantai jenuh 1. Rantai jenuh 2. Rantai dengan satu ikatan rangkap trans

COOH COOH COOH

2. 2. Rantai dengan satusatu ikatan rangkap trans Rantai dengan ikatan rangkap trans 2. Rantai dengan satu ikatan rangkap trans COOH COOH

3. Rantai dengan satu ikatan 3. Rantai dengan satu ikatan rangkap cis rangkap

cis COOH

3. Rantai dengan satu ikatan rangkap cis 3. Rantai dengan satu ikatan rangkap cis COOH COOH

Molekul lurus dapat disusun lebih rapat dan membentuk kristal yang titik lelehnya lebih tinggi daripada titik leleh molekul bengkok yang ukurannya sama.

Dengan kata lain, lebih banyak energi yang dibutuhkan untuk

Bab 4 Lipid, Membran, Transpor, dan Pensinyalan

159

Lipid, Membran, Transpor, dan Pensinyalan

Lipid, Membran, Transpor, dan Pensinyalan Molekul lurus dapat disusun lebih rapat dan membentuk kristal Ikatan terdapat banyak ikatanbengkok rangkap trans yang titikrangkap lelehnyacislebih tinggilebih daripada titikdaripada leleh molekul ukurannya sama. Denganlebih katabanyak lain,memastikan lebih banyak energi yang Ikatan rangkap cisjenuh. terdapat daripada ikatan rangkap trans yang dalam yang asam lemak tak Hal ini bahwa lipid dibutuhkanlemak untuk tak memisahkan molekul-molekul lurusbahwa ketika dipanasdalam asam jenuh. titik Hal leleh ini memastikan lipid cair yangpada mengandung asam lemak memiliki rendah dan berwujud kan. mengandung lemak leleh rendah dan berwujud cair pada Ikatanasam rangkap cis memiliki terdapattitik lebih banyak daripada ikatan rangkap suhu fisiologisnya. suhu fisiologisnya. trans dalam asam lemak tak jenuh. Hal ini memastikan bahwa lipid Selain ketidakjenuhan, titik leleh asam lemak juga dipengaruhi oleh yangSelain mengandung asam lemak memiliki titik juga lelehdipengaruhi rendah dan ketidakjenuhan, titik leleh asam lemak oleh adanyaberwujud percabangan. Misalnya, asam stearat (18 karbon) dan asam arakhidat cair pada suhu fisiologisnya. adanya percabangan. Misalnya, asam stearat (18 karbon) dan asam arakhidat 0 Selain ketidakjenuhan, titik leleh asam lemak juga dipengaruhi 0 70 C, (20 (20 karbon) keduanya jenuh dan linear. Titik leleh asam stearat adalah karbon) keduanya jenuh dan linear. Titik leleh asam stearat adalah 70 C, oleh adanya percabangan. Misalnya, asam stearat (18 karbon) dan asam 00 dan dan titikarakhidat leleh asam arakhidat 75 C. Sedangkan asam 10-metilstearat meleleh titik leleh asam arakhidat 75 C. Sedangkan 10-metilstearat meleleh (20 karbon) keduanya jenuh danasam linear. Titik leleh asam 0 0 0 0 stearat 70 C,tetapi dan titik leleh asam arakhidatjarang 75 C.terdapat Sedangkan Akan tetapi asam lemak bercabang dalam suhu 10 C.C.Akan asam lemak bercabang jarang terdapat dalam padapada suhu 10adalah 0 asam 10-metilstearat meleleh pada suhu 10 C. Akan tetapi asam lemak sistem hidup. sistem hidup. bercabang jarang terdapat dalam sistem hidup. CH (CH ) CH(CH ) COOH

CH 33(CH 22 )77CH(CH2 28)8COOH CH 3

CH 3 Asam 10-metilstearat Asam 10-metilstearat

4. GLISEROLIPID

4. GLISEROLIPID 4. GLISEROLIPID

Gliserolipid adalah lipid yang mengandung gliserol dengan gugus

Gliserolipid adalah lipid yang mengandung gliserol dengan gugus gugus hidroksil yang tersubstitusi. Gliserolipid merupakan lipid yang palingdengan melimpah Gliserolipid adalah lipid yang mengandung gliserol hidroksil yang tersubstitusi. Gliserolipid merupakan lipid yang paling

di dalam hewan. Lipid yang mengandung diol (misalnya etilen melimpah glikol hidroksil yangtubuh tersubstitusi. Gliserolipid yang paling melimpah di dalam tubuh hewan.merupakan Lipid yanglipid mengandung diol (etana diol) dan 1,2-propanadiol serta 1,3-propanadiol) memiliki struktur yangglikol di dalam tubuh hewan. Lipid yang mengandung diol (misalnya (misalnya etilen glikol (etana diol) dan 1,2-propanadiol serta etilen 1,3mirip dengan gliserolipid, tetapi hanyayang tersedia kurang darigliserolipid, 1 persen dari jumlah memiliki struktur mirip dengan tetapi (etana propanadiol) diol) dan 1,2-propanadiol serta 1,3-propanadiol) memiliki struktur yang

hanya tersedia kurang dari 1 persen dari jumlah gliserolipid. gliserolipid.

mirip dengan gliserolipid, tetapi hanya tersedia kurang dari 1 persen dari jumlah gliserolipid.

CH2OH HOCH

CH2OH

CH2OH

Gliserol HOCH

CH2OH CH2OH

CH2OH Etilen CH2glikol OH

CH2OH HOCH

CH2OH

CH3

1,2-Propanadiol HOCH

CH3 CH2OH Triasilgliserol netral yang juga dikenal Etilen gliserolipid glikol Gliserol (TAGs) adalah 1,2-Propanadiol

160

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

Triasilgliserol (TAGs) adalah gliserolipid netral yang juga dikenal sebagai trigliserida. Dalam TAGs, tiga gugus hidroksil dari gliserol telah teresterifikasi, biasanya oleh asam-asam lemak yang berbeda. Hal Lipid, Membran, Transpor, dan Pensinyalan ini membuat atom karbon kedua padaLipid, gliserol menjadi separuh kiral. Membran, Transpor, dan Pensinyalan Awalan sn- (stereospecifically numbered) mendahului nama gliserol. Contohnya, CH2O.OCR CH2O.OCR C H C H CH2O.OCR" CH2O.OCR" 1,2,3-Triasil-sn-gliserol

R'CO.O R'CO.O

1,2,3-Triasil-sn-gliserol

Struktur 1-oleoil-2-palmitoil-sn-gliserol adalah

Struktur 1-oleoil-2-palmitoil-sn-gliserol adalah Struktur 1-oleoil-2-palmitoil-sn-gliserol adalah

CH2O.OC(CH2)7CH

CH(CH2)7CH3

CH2O.OC(CH2)7CH CH3(CH2)14CO.OCH

CH(CH2)7CH3

CH3(CH2)14CO.OCH CH2OH CH2OH

Molekul ini merupakan diasilgliserol. Diasilgliserol dan monoasil-

Molekul ini merupakan diasilgliserol. Diasilgliserol dan monoasilgliserol gliserol ditemukan dalam sel dengan jumlah sedikit. Keduanya meruMolekul merupakan diasilgliserol. Diasilgliserol monoasilgliserol ditemukaninidalam sel dengan jumlah sedikit. Keduanya dan merupakan metabolit

pakan metabolit untuk TAGs dan fosfolipid. ditemukan dalam sel dengan jumlah Keduanya TAGs lipid yang palingsedikit. banyak dalam tubuhmerupakan hewan. Hal metabolit untuk TAGs danadalah fosfolipid. dikarenakan TAGs berfungsi sebagai penyimpanan makanan. untukini TAGs danadalah fosfolipid. TAGs lipid yang paling banyak dalam tubuh terdapat hewan. Hal ini TAGs ditemukan dalam sebagian besar sel, tetapi terutama TAGs adalah lipid yang banyak dalam tubuh hewan. Hal ini dalam sel jaringan adiposa di paling mana TAGs membentuk lemakTAGs depotditemukan dikarenakan TAGs berfungsi sebagai penyimpanan makanan. (depot fat). Hidrolisis ikatan ester penyimpanan pada TAGs serta pelepasanTAGs gliserolditemukan dikarenakan TAGs berfungsi sebagai dalam sebagian besar sel, tetapi terutama terdapatmakanan. dalam sel jaringan adiposa dan asam lemak dari jaringan adiposa disebut mobilisasi lemak. Depot dalam sebagian besar sel, tetapi terutama terdapat dalam sel ikatan jaringan adiposa di mana TAGs membentuk lemak (depot ester pada fat merupakan campuran bebasdepot air dari TAGsfat). yangHidrolisis berbeda-beda satu di mana TAGs membentuk lemak depot (depot fat).dari Hidrolisis ester pada sama lain menurut ketiga gugus asil lemaknya. TAGs serta pelepasan gliserol dan asam lemak jaringanikatan adiposa disebut Depot fat mengandung banyak lemak tak jenuh. adiposa Lemak disebut TAGs serta pelepasan gliserol dan asamasam lemak daribebas jaringan mobilisasi lemak. Depot fat merupakan campuran air dari TAGs yang tersebut terdapat dalam wujud cair. Lemak padat hanya terdapat pada mobilisasi fat pada merupakan campuran bebas air dariyang TAGs yang daerahlemak. permukaan enzim dalam cairan sitoplasma berbeda-beda satu Depot samakecil lain menurut ketiga gugus asil lemaknya. memobilisasi tersebut. Lemak juga akanasil membuat berbeda-beda sama lain menurut ketiga gugus lemaknya. Depotsatu fatlemak mengandung banyakpadat asam lemak tak jenuh.jaringan Lemak tersebut adiposa menjadi kaku dan tidak produktif selama tekanan mekanik. mengandung tak terdapat jenuh. Lemak terdapatDepot dalamfat wujud cair. banyak Lemak asam padatlemak hanya pada tersebut daerah terdapat dalam wujudenzim cair. dalam Lemak padat hanya yang terdapat pada daerah permukaan kecil pada cairan sitoplasma memobilisasi lemak permukaan kecil pada dalammembuat cairan sitoplasma yang memobilisasi lemak tersebut. Lemak padatenzim juga akan jaringan adiposa menjadi kaku dan

Bab 4 Lipid, Membran, Transpor, dan Pensinyalan

161

Lipid, Membran, Transpor, dan Pensinyalan

Biasanya titik leleh depot fat hanya beberapa derajat di bawah Lipid, depot Membran, Transpor, danhasil Pensinyalan suhu tubuh. Komposisi asam lemak dalam fat merupakan Fosfogliserida adalah gliserolipid polar yang sering juga disebut perpaduan antara kebutuhan untuk menjaga lemak tetap cair dengan kemampuan menyimpan sebanyak mungkin. fosfolipid. Akan untuk tetapi, lipid gliserolipid lain energi yang polar mengandung fosforKetika tetapidisebut tidak Fosfogliserida adalah yang sering juga teroksidasi, asam lemak tak jenuh menghasilkan energi yang lebih kecil mengandung gliseroltetapi, juga disebut fosfolipid. fosfolipid. lipidyang lain yang mengandung fosfor tetapi tidak daripadaAkan asam lemak jenuh berukuran sama. Semua fosfogliserida diturunkan dari asam yakni separuh Fosfogliserida adalah gliserolipid polarsn-gliserol-3-fosfat, yang sering juga disebut mengandung gliserol juga disebut fosfolipid. fosfolipid. Akan tetapi, oleh lipid lain yangtertentu mengandung fosfor hidroksil tetapi tidak asam teresterifikasi dan gugus C-1 Semuafosfat fosfogliserida diturunkanalkohol dari asam sn-gliserol-3-fosfat, yaknipada separuh mengandung gliserol juga disebut fosfolipid. dan C-2 teresterifikasi oleh oleh asamalkohol lemak. tertentu dan gugus hidroksil pada C-1 asam fosfat teresterifikasi Semua fosfogliserida diturunkan dari asam sn-gliserol-3-fosfat, yakni separuh asam oleh alkohol tertentu dan dan C-2 teresterifikasi olehfosfat asamteresterifikasi lemak. CH OH gugus hidroksil pada C-1 dan C-22 teresterifikasi oleh asam lemak. HOCH CH 2OH O CH 2O HOCH CH 2O

P O

OH

OH P OH

asam sn-Gliserol-3-fosfat

OH

asam sn-Gliserol-3-fosfat

Nilai pKa untuk fosfomonoester adalah ~1 dan ~6. Karena itu pada pH fisiologis

Nilai pKa fosfomonoester dan ~6. Karena itu dengan akan terdapat duauntuk bentuk ionik untukadalah asam~1sn-gliserol-3-fosfat, Nilai pK a untuk fosfomonoester adalah ~1 dan ~6. Karena itu pada pH fisiologis pada pH fisiologis akan terdapat dua bentuk ionik untuk asam sndidominasi oleh dianion: akan gliserol-3-fosfat, terdapat dua dengan bentukdidominasi ionik untuk oleh asam dianion:sn-gliserol-3-fosfat, dengan didominasi oleh dianion:

CH2OH

CH2OH

HOCH CH2OH O

HOCH CH2OH O

CH2O HOCH CH2O

O-

CH2O HOCH

P O

O-

OH P O-

CH2O

O P

O-

P O

-

O OH Penamaan dan pengelompokkan fosfogliserida adalah berdasarkan Penamaan dan yang pengelompokkan adalah berdasarkan sifat sifat alkohol mengesterifikasifosfogliserida gliserol fosfat (Tabel 4-1). Dalam kebanyakan fosfogliserida, lemak yang tersubstitusi alkohol yang mengesterifikasi gliserol fosfogliserida fosfatasam (Tabel 4-1). Penamaan dan pengelompokkan adalah berdasarkan sifat pada C-1 adalah asam lemak jenuh, sedangkan pada C-2 adalah asam Dalam kebanyakan fosfogliserida, lemak yang tersubstitusi pada alkohol yang fosfatasam (Tabel 4-1). lemak takmengesterifikasi jenuh. Meskipungliserol fosfogliserida dinamai dalam bentuk tung-

C-1 adalah asam lemak jenuh, sedangkanasam padalemak C-2 adalah asam lemakpada tak Dalam kebanyakan fosfogliserida, yang tersubstitusi jenuh. Meskipun fosfogliserida dinamaipada dalam tunggal, tetapi C-1 adalah asam lemak jenuh, sedangkan C-2 bentuk adalah asam lemak tak

alkohol yang mengesterifikasi gliserol fosfat (Tabel 4-1). Dalam kebanyakan fosfogliserida, asam lemak yang tersubstitusi pada C-1 adalah pada Struktur C-2 adalah asam lemak tak 162 asam lemak jenuh, sedangkan Biokimia: dan Fungsi Biomolekul jenuh.

Meskipun fosfogliserida dinamai dalam bentuk tunggal, tetapi

sebenarnya merupakan campuran senyawa-senyawa dengan gugus X yang gal, tetapi sebenarnya merupakan campuran senyawa-senyawa dengan

gugus X yang oleh samaberbagai teresterifikasi olehasam berbagai macam lemak Bisa sama teresterifikasi macam lemak yang asam berbeda. yang berbeda. Bisa juga terjadi C-1 tereterifikasi (bukan teresterifikasi) oleh alkohol lemak rantai panjang. Fosfogliserida seperti ini dikenal sepanjang. Fosfogliserida bagai plasmalogen:seperti ini dikenal sebagai plasmalogen:

juga terjadi C-1 tereterifikasi (bukan teresterifikasi) oleh alkohol lemak rantai

CH 2O.R R'CO.OCH

O Membran, Transpor, dan Pensinyalan PLipid,OX

CH 2O

OTabel 4-1 Beberapa Kelompok Utama Fosfogliserida

Tabel 4-1 Biomolekul Beberapa Kelompok Utama Biokimia: Struktur dan Fungsi CH2O.OCR R'CO.OCH

Fosfogliserida

O

CH2O

P

OX

O-

Nama X–OH Air

Etanolamin Kolin Serin

Struktur X H

CH 2CH 2NH 3 CH 2CH 2N(CH 3)3 CH2CHNH3

Nama Fosfogliserida (Simbol) Fosfatidat [ion dari asam fosfatidat] (PA) Fosfatidiletanolamin (PE) Fosfatidilkolin (PC) Fosfatidilserin (PS)

COO-

Gliserol

CH2CH(OH)CH2OH

O

Fosfatidilgliserol

CH2CH(OH)CH 2OPOCH2 -

Fosfatidilgliserol (PG) Difosfatidilgliserol [kardiolipin] (DPG)

O HCO.OCR

R'CO.OCH2

Inositol

OH OH OHHO

Fosfatidilinositol (PI)

OH

Sekitar 1 persen dari seluruh fosfogliserida yang terdapat dalam sel hewan

154

Bab 4 Lipid, Membran, Transpor, dan Pensinyalan

163

Lipid, Membran, Transpor, dan Pensinyalan Sekitar 1 persen dari seluruh fosfogliserida yang terdapat dalam sel hewan berada dalam bentuk lisofosfogliserida, yakni dengan hilangnya salah satu substituen asil (biasanya dari C-2). Penamaan lisofosfogliCH2O.OCR serida adalah dengan menambahkan awalan liso- pada nama fosfogliLipid, Membran, Transpor, dan Pensinyalan serida asalnya. Contoh struktur HOCH O berikut ini adalah molekul lisofosfatidilkolin: CH2O P CH2O.OCR OHOCH O

O(CH2)2N(CH3)3

CH2O fosfogliserida P O(CH2)2N(CH 3)3 Glikogliserolipid serupa dengan dalam beberapa hal. Misalnya, Okeduanya sama-sama memiliki bagian hidrofob dan bagian polar (hidrofil).

Bagian polar disebabkan serupa oleh separuh karbohidrat,dalam bukan oleh fosfat Glikogliserolipid dengan fosfogliserida beberapa hal. yang Glikogliserolipid serupa dengan fosfogliserida dalam beberapa hal. Misalnya, Misalnya, keduanya sama-sama memiliki bagian hidrofob dan bagian teresterifikasi. keduanya sama-sama memilikipolar bagian hidrofob dan bagian polar (hidrofil). polar (hidrofil). Bagian disebabkan oleh separuh karbohidrat, Glikogliserolipid yang khas yakni 6- -D-galaktopiranosil- -Dbukan disebabkan oleh fosfat yang teresterifikasi. Bagian polar oleh separuh karbohidrat, bukan oleh fosfat yang Glikogliserolipidyang yangstrukturnya khas yakni adalah 6-a-D-galaktopiranosil-b-Dgalaktopiranosildigliserida, sebagai berikut: teresterifikasi.

galaktopiranosildigliserida, yang strukturnya adalah sebagai berikut:

Glikogliserolipid

yang

khas

yakni 6- -D-galaktopiranosil- -DCH2O.OCR 2OH galaktopiranosildigliserida, yangCHstrukturnya adalah sebagai berikut: R'CO.OCH HO

O

O CHO.OCR CH OH 22 O CH2 CH2OH OOHR'CO.OCH HO O HO CH2O OH OH O CH2 OH

OOH

HO OH

5. SFINGOLIPID

OH

5. SFINGOLIPID Sfingolipid dibangun dari basa terhidroksilasi rantai panjang. Dua basa seperti ini ditemukan dalam hewan, yakni basa sfingosin dan Sfingolipid dibangun dari basa terhidroksilasi rantai panjang. Dua basa dihidrosfingosin (sfinganin). Sfingosin terdapat jauh lebih banyak. 5. SFINGOLIPID seperti ini ditemukan dalam hewan, yakni basa sfingosin dan dihidrosfingosin (sfinganin). Sfingosin terdapat lebih banyak. rantai panjang. Dua basa Sfingolipid dibangun darijauh basa terhidroksilasi

Sfingolipid dibangun dari basa terhidroksilasi rantai panjang. Dua basa seperti ini ditemukan dalam hewan, yakni basa sfingosin dan dihidrosfingosin 164 Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul (sfinganin). Sfingosin terdapat jauh lebih banyak. CH3(CH2)12CH

CHCH

CH +

OH

CH3(CH2)12CH2CH2CH

CH2OH

OH

NH3

CH +

CH2OH

NH3

Sfinganin

Sfingosin

Reaksi antara senyawa serin (a) dengan senyawa palmitat (b) akan

Reaksi antara senyawa serin (a) dengan senyawa Transpor, palmitat dan (b) Pensinyalan akan Lipid, Membran, mengeluarkan CO2, kemudian diikuti dengan reaksi reduksi yang Lipid, Membran, Transpor, dan Pensinyalan mengeluarkan CO2, kemudian diikuti dengan reaksi reduksi akan akan menghasilkan sfinganin. Rangkaian reaksi ini merupakan sintesis Lipid, Membran, Transpor,yang dan Pensinyalan

sfinganin dalam hidup. menghasilkan sfinganin. Rangkaian reaksi ini merupakan- sintesis sfinganin -sistem OOCCHCH OOCCHCH 2OH OH

CH(CH (CH)2)14 COO CH 33 2 14COO

2

dalam sistem hidup. -

CH 3(CH 2)14COO -

++ OOCCHCH NH NH33 2OH

+

NH(a) 3

(a)

(b)(b)

(a)

(b)

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

156

Ketikagugus gugusamino amino pada pada sfingosin sfingosin atau asam lemak, Ketika atau sfinganin sfinganindiasilasi diasilasioleh oleh asam lemak,

Ketika gugus amino pada sfingosin atau sfinganin diasilasi oleh asam lemak, maka produk yang dihasilkan adalah suatu seramida,

maka produkamino yangdihasilkan dihasilkan adalah atau suatu seramida, Ketika gugus pada sfingosin maka produk yang adalah suatusfinganin seramida,diasilasi oleh asam lemak,

maka produk yang dihasilkan adalah suatu seramida, CHCH

2OH CHCH CH CH CH CH 2OH

CH (CH ) CH

12CH CH 33(CH 22)12

OH NH

CHCH OH CH NH

CH 3(CH 2)12CH

CH 2OH

CO

OH NH CO R

R CO

R

primerdisubstitusi dapat disubstitusi dengan cara, yang Gugus Gugus hidroksihidroksi primer dapat dengan dua cara,dua yang menghasilkan Gugus hidroksi primer disubstitusi dengan cara, yang menghasilkan menghasilkan dua dapat kelompok sfingolipid yaknidua fosfosfingolipid dan dua kelompok sfingolipid yakni fosfosfingolipid dan glikosfingolipid.

glikosfingolipid. dua kelompok sfingolipid yakni fosfosfingolipid dan glikosfingolipid. Gugus hidroksi primer dapat disubstitusi dengan dua cara, yang menghasilkan Dalam fosfosfingolipid, gugus hidroksil primer diesterifikasi oleh kolin fosfat. Dalam fosfosfingolipid, gugus hidroksil primer diesterifikasi oleh

Dalam fosfosfingolipid, hidroksil primer diesterifikasi oleh kolin fosfat. dua kelompok sfingolipid yakni fosfosfingolipid dan glikosfingolipid. Lipid ini dikenal sebagai sfingomyelin: kolin fosfat. Lipid inigugus dikenal sebagai sfingomyelin: Lipid inifosfosfingolipid, dikenal sebagaigugus sfingomyelin: Dalam hidroksil primer diesterifikasi oleh kolin fosfat. O

Lipid ini dikenal sebagai sfingomyelin: CH 3(CH 2)12CH

CH 3(CH 2)12CH

CH 3(CH 2)12CH

CHCH

CH

CHCH CH OH NH CO NH CHCHOH CH

CH 2O

PO O(CH 2)2N(CH 3)3

CH 2O OO P

CH 2O

R CO OH NH

O(CH 2)2N(CH 3)3

O- O(CH 2)2N(CH 3)3 P

O-

Sfingomyelin

R CO Sfingomyelin

Gugus asil lemak (R) yang ditemukan R dalam sfingomyelin yakni: Sfingomyelin

Bab 4 Lipid, Membran, Transpor, dan Pensinyalan

165

Gugus asil lemak (R) yang ditemukan dalam sfingomyelin yakni: Lignoserat 24:0 Nervonat 24:1D15 Serebronat 24:0, C-2 terhidroksilasi Dalam glikosfingolipid, gugus hidroksil primer terglikosilasi, yakni tersubstitusi oleh karbohidrat, baik monosakarida atau oligosakarida. Glikosfingolipid yang mengandung gula asam sialat di dalam bagian karbohidratnya disebut gangliosida. Setidaknya telah ditemukan 50 tipe glikosfingolipid, yang berdasarkan atas perbedaan bagian karbohidrat Lipid, Membran, Transpor, dan Pensinyalan pada molekul. Setiap tipe glikosfingolipid menunjukkan variasi tipe asam lemak yang ditemukan di dalam bagian seramidanya. Beberapa glikosfingolipid yang biasa ditemukan adalah: Beberapa glikosfingolipid yang biasa ditemukan adalah: CHCH

CH3(CH 2)12CH

CH

1 CH 2 Gal

OH NH CO R Galaktosilseramida

CH3(CH2)12CH

CHCH

CH2 1Glc4

CH

1

Gal3

1

Gal3

1

GalNAc

OH NH CO R Globosida

CH3(CH2)12CH

CHCH

CH

CH2 1Glc4

1

Gal4

1

GalNAc

OH NH NeuNAc CO R Tay-Sachs gangliosida

Catatan : :Glc Glc ≡ glukosil; Gal ≡ galaktosil; ≡ N-Asetilgalaktosaminil; NeuNAc ≡ sialil. Catatan glukosil; Gal GalNac galaktosil; GalNac N-Asetilgalaktosaminil;

NeuNAc

sialil.

6. LIPID YANG DITURUNKAN DARI ISOPREN (TERPEN)

166

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

6. LIPID YANG DITURUNKAN DARI ISOPREN (TERPEN) Nama terpen pada mulanya digunakan untuk minyak yang bisa didestilasi uap, yang diperoleh dari terpentin (ekstrak cemara). Diketahui bahwa: 1. Sebagian besar senyawa yang terdapat dalam minyak tersebut memiliki rumus C10H15. 2. Terpen yang memiliki lebih dari 10 karbon, jumlah karbon tersebut biasanya merupakan kelipatan dari lima. Struktur terpen luar biasa beragam. 3. Banyak senyawa serupa yang tak larut dalam air terdistribusi sangat luas, terutama ditemukan dalam banyak tanaman dengan jumlah besar, tetapi juga terdapat dalam sebagian besar organisme hidup lainnya. Lipid, Membran, Transpor, dan Pensinyalan Terpen dengan 10 atom karbon dikenal sebagai monoterpen. Contohnya: Terpen dengan 10 atom karbon dikenal sebagai monoterpen. Contohnya:

CH2OH

Limonen

Geraniol

Seskuiterpen atom sedangkan karbon, sedangkan Seskuiterpen memilikimemiliki 15 atom15 karbon, diterpen diterpen memiliki 20 atom memiliki 20 atom karbon. Contohnya:

karbon. Contohnya:

CH2OH HOCH2

Limonen

Geraniol

Limonen

Geraniol

Seskuiterpen memiliki 15 atom karbon, sedangkan diterpen memiliki 20 atom Seskuiterpen memiliki 15 atom karbon, sedangkan diterpen memiliki167 20 atom Bab 4 Lipid, Membran, Transpor, dan Pensinyalan karbon. Contohnya: Seskuiterpen memiliki 15 atom karbon, sedangkan diterpen memiliki 20 atom

karbon. Contohnya: karbon. Contohnya:

CH2OH

CH2OH

CH2OH

HOCH2

HOCH HOCH 2 2

Vitamin A

Farnesol

Farnesol Farnesol

Vitamin A Vitamin A

Triterpen (30 atom karbon) dan tetraterpen (40 atom karbon) dapat membentuk Triterpen (30 (30 atom karbon) dan (40(40 atom karbon) dapatdapat membentuk Triterpen atom dantetraterpen tetraterpen atom karbon) membentuk steroid dan karotenoid. adalah skualen (triterpen) dankarbon) -karoten Triterpen (30 karbon) atomContohnya karbon) dan tetraterpen (40 atom

steroid dan dan karotenoid. Contohnya adalah skualen (triterpen) dan dan -karoten steroid karotenoid. Contohnya adalah skualen (triterpen) -karoten dapat membentuk steroid dan karotenoid. Contohnya adalah skualen (tetraterpen). (tetraterpen). (triterpen) dan b-karoten (tetraterpen). (tetraterpen).

-Karoten -Karoten

-Karoten

Poliisoprenoid terdapat antara lain lain dalam bentuk karet. Tetapi dalam konteks Poliisoprenoid terdapat antara dalam bentuk karet. Tetapikaret. dalamTetapi konteks Poliisoprenoid terdapat antara lain dalam bentuk Poliisoprenoid terdapat antara lainpenting. dalam bentuklebih karet.penting. Tetapi dalam konteks dalam konteks biokimia, ubikuinon dan dolikol biokimia, ubikuinon dandolikol dolikol lebih penting. biokimia, ubikuinon dan lebih

biokimia, ubikuinon dan dolikol lebih penting. O

O

CH3O

O

CH3O

H

H

CH3O

CH2 H

CH2

CH3O

CH3O

CH3O

CH62 - 10

O

O

6 -H10

Ubikuinon

6 - 10 Ubikuinon O Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

H

CH2

CH H 2 CH2

CH2OH

CH2

CH2OH

CH2 18 - 20

CH 182 - 20

CH2OH

Dolikol

Dolikol

18 - 20

Dolikol

Ubikuinon

159

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul Menurut strukturnya, steroid merupakan turunan dari hidrokarbon159

aromatikStruktur tereduksi yakni Biomolekul perhidrosiklopentanofenantren. Biokimia: dan Fungsi

159

Lipid, Membran, Transpor, dan Pensinyalan tereduksi yakni perhidrosiklopentanofenantren. Menurut strukturnya, steroid merupakan turunan dari hidrokarbon aromatik

168

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

12 17 Menurut steroid merupakan turunan dari hidrokarbon aromatik tereduksi yakni strukturnya, perhidrosiklopentanofenantren. 13 11

16

tereduksi yakni perhidrosiklopentanofenantren. D C 1 9 12

10

2

1

2

2

B

11 1

4

14 13

16

D D

7 14 14

6

15

17

13

C C

9 9 5 10 10

AA

3

8

11

A 3

17

12

16 15 15

88

BB

3 Perhidrosiklopentanofenantren 7

4

4

7

5

5

6

6

Perhidrosiklopentanofenantren

Perhidrosiklopentanofenantren Meskipun strukturnya berkaitan dengan fenantren, namun senyawa ini bukan

asetogenin melainkan terpen yangdengan disintesis dalam sistem hidupinidari isopren Meskipun strukturnya berkaitan fenantren, namun senyawa bukan Meskipun strukturnya berkaitan dengan fenantren, namun Meskipun strukturnya berkaitan dengan fenantren, namun senyawa ini bukan asetogenin melainkan terpen yang disintesis dalam sistem hidup dari isopren via skualen.

senyawa ini bukan asetogenin melainkan terpen yang disintesis dalam via skualen. asetogenin melainkan terpenvia yang disintesis dalam sistem hidup dari isopren sistem hidup dari isopren skualen. via skualen.

Fenantren Fenantren

Sterol adalah steroid memiliki satulebih ataugugus lebih hidroksil. gugus hidroksil. Sterol adalah steroid yangyang memiliki satu atau Contohnya

Fenantren SterolContohnya adalah steroid yang satu atau komponen lebih gugusdari hidroksil. Contohnya antara lainmemiliki kolesterol, yakni membran

antara lain kolesterol, yakni komponen dari membran sitoplasma dalam sel

dalam selsuatu hewan; testosteron, suatu hormon; dan asamdalam sel antarasitoplasma lain kolesterol, komponen hewan; testosteron,yakni hormon; dan dari asammembran kolat, suatusitoplasma konstituen dalam suatu konstituen dalam empedu. Sterolkolat, adalah steroid yang memiliki satu atau lebih gugus hidroksil. Contohnya

hewan;empedu. testosteron, suatu hormon; dan asam kolat, suatu konstituen dalam antara lain kolesterol, yakni komponen dari membran sitoplasma dalam sel empedu. hewan; testosteron, suatu hormon; dan asam kolat, suatu konstituen dalam CH 3

empedu. CH3

CH 3

H

H

H

HO

CH3 H

CH3 Kolesterol

H CH 3

H

H

HO H HO

Kolesterol

H

O

Testosteron OO

Asam Kolat

HO

HO HO OH

H Testosteron

Testosteron

OH O

HH

Asam AsamKolat Kola

Asam Kolat

Testosteron Sistem cincin fusi (fused-ring) merupakan Bab 4 Lipid, Membran, Transpor, dan Pensinyalanstruktur planar yang sangat penting. 169 Ikatan yang ditunjukkan oleh dan menunjukkan substituen yang

Sistem cincin fusi (fused-ring) merupakan struktur planar yang sangat penting. terletak di depan ( Sistem )Sistem dan belakang ( fusi )fusi bidang sterol. Konfigurasi substituen dua cincin (fused-ring) merupakan struktur planar cincin (fused-ring) merupakan struktur planarya ya

Sistem cincin fusi (fused-ring) merupakan struktur planar yang Ikatan yang yangditunjukkan ditunjukkan oleh oleh dan menunjukk sangat penting. Ikatan dan konformasi cis atau trans. Cincin fusi trans merupakan struktur yang rata, terletak di depan substituen ( ) dan belakang ( ) bidang sterol.(b) Konfigurasi substituen dua menunjukkan yang terletak depan dan (a) terletak dididepan ( ( ) di dan belakang ( ( belakang ) )bidang sterol. Konfigu terletak depan ) dan belakang bidang sterol. Konfigu sedangkan cincin fusi cis merupakan struktur yang bengkok. Kolesterol dan bidang sterol. Konfigurasi substituen dua atom karbon antara kedua atom karbon antara kedua cincin fusi menentukan apakah cincin memiliki atom antara kedua menentukan apaka atom karbon antaramemiliki kedua cincin cincin fusi fusicis menentukan apak testosteron memiliki cincinkarbon fusi trans.cincin cincin fusi menentukan apakah konformasi atau konformasi cis atau trans. Cincin fusi trans merupakan struktur yang rata, trans. Cincin fusi trans merupakan yang rata, sedangkan cincinmerupakan konformasi cis atau Cincin fusi konformasi cisstruktur atau trans. trans. Cincin fusi trans trans merupakan s H sedangkan cincin fusi cis merupakan struktur yang bengkok. Kolesterol H fusi cis merupakan struktur yang bengkok. Kolesterol dan testosteron dan sedangkan cincin sedangkan cincinfusi fusicis cismerupakan merupakanstruktur strukturyang yangbengko bengk testosteron cincin fusi trans. memiliki memiliki cincin fusi trans.

Ikatan ditunjukkan danmenentukan menunjukkan substituen atomyang karbon antara kedua cincin fusi apakah cincin memiliki yang Ikatanoleh yang ditunjukkan oleh dan menunjukka

H fusi testosteron testosteronmemiliki memilikicincin cincin fusitrans. trans.

H

HH Cincin fusi trans

Cincin fusi cis

HH

HH H

Contoh penataan tiga dimensi cincin-cincin pada asam kolat:

HH

H Cincin fusi trans

HH

Cincin fusi cis

Contoh penataan tiga dimensi cincin-cincin pada asam kolat: Cincin Cincinfusi fusitrans trans

Cincin Cincinfusi fusicis ci

Contoh penataan tiga dimensi cincin-cincin pada asam kolat: CH3

C4H8COOH

Contoh tiga H Contohpenataan penataan tigadimensi dimensicincin-cincin cincin-cincinpada padaasam asamkolat: kolat CH3 OH H H

H OH

CH3

C4H8COOH

H OHCH3

CH CH 33 OH H

Karotenoid adalah terhidroksilasi Biokimia: Struktur dan Biomolekul HFungsiturunan H CHdari

HH

CC 4H 8COOH 4H 8COOH

suatu hidrokarbon 161 CH 33 yang disebut karoten (40 OH ataom karbon). Senyawa ini sangat OH terkonjugasi sehingga menyerap sinar tampak. SebagianOH besar pigmen HH kuning dan merah yang terdapat secara Halami merupakan karoten dan HH H OH OH karotenoid. Pigmen-pigmen ini seringkali terlibatOH dalam interaksi antara suatu sistem hidup dengan cahaya. Dalam tubuh hewan, bkaroten (tetraterpen) diubah secara metabolis menjadi vitamin A yang Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul OH OH diperlukan untuk aktivitas visual. Biokimia: Biokimia:Struktur Strukturdan danFungsi FungsiBiomolekul Biomolekul

161

170

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

7. SIFAT LIPID DALAM AIR Dari definisinya diketahui bahwa lipid tidak larut dalam air. Namun kenyataannya lipid terdapat dalam lingkungan air, sehingga sifatnya di dalam air sangat penting dalam sistem biologis. Banyak tipe lipid yang bersifat amfifilik, yang berarti terdiri atas dua bagian yakni daerah hidrokarbon yang nonpolar dan daerah yang polar atau ionik atau keduanya. Istilah amfifilik ini menggantikan istilah amfifatik yang digunakan sebelumnya. Lipid-lipid seperti asam lemak, TAGs, dan kolesterol bukanlah amfifilik karena kepolaran molekul-molekul ini sangat lemah. Sedangkan lipid-lipid seperti ion asilat, fosfogliserida, fosfosfingolipid, dan glikosfingolipid merupakan amfifilik, karena senyawa-senyawa ini memiliki setidaknya satu muatan formal atau banyak gugus hidroksil di salah satu bagian molekulnya. Ketika molekul amfifilik terdispersi dalam air, bagian hidrofobnya (yakni rantai hidrokarbon) memisah dari pelarut dan menyatu dengan bagian-bagian hidrofob molekul lainnya. Hasil pengumpulan ini disebut micelle (untuk kumpulan yang terdispersi dalam air) dan monolayer (untuk yang mengumpul pada perbatasan air-udara). Gambar 41 menunjukkan bagaimana suatu amfifil membentuk suatu monolayer pada permukaan air (molekul amfifilik digambarkan dengan O–– , dengan O merupakan bagian polar dan –– merupakan ekor hidrokarMembran, Pensinyalan bon). Kepala polar bersentuhan denganLipid, air yang polar,Transpor, sehinggadan memastikan bahwa ekor nonpolar berada sejauh mungkin dari air.

H2 O

Gambar 4-1 Suatu amfifil membentuk suatu monolayer pada Gambar 4-1 Suatu amfifil membentuk suatu monolayer pada permukaan air permukaan air

Kecenderungan rantai hidrokarbon untuk menjauh dari pelarut polar (yakni air) dikenal sebagai efek hidrofob. Hidrokarbon tidak membentuk ikatan

Bab 4 Lipid, Membran, Transpor, dan Pensinyalan

171

H2 O

Kecenderungan rantai hidrokarbon untuk menjauh dari pelarut Gambar 4-1 Suatu amfifil membentuk suatu monolayer pada permukaan air polar (yakni air) dikenal sebagai efek hidrofob. Hidrokarbon tidak membentuk ikatan hidrogen dengan air, dan suatu hidrokarbon yang Kecenderungan rantai hidrokarbon untuk menjauh dari pelarut polar dikelilingi oleh air akan memudahkan pembentukan ikatan hidrogen (yakni air) dikenal sebagai efek hidrofob. Hidrokarbon tidak membentuk ikatan di antara molekul-molekul air itu sendiri. Kumpulan air akan lebih hidrogen dengan air, dan suatu hidrokarbon yang dikelilingi oleh air akan terstruktur daripada tanpa adanya hidrokarbon. Tanpa hidrokarbon, memudahkan pembentukan ikatan hidrogen di antara molekul-molekul air itu air akan kehilangan entropi sehingga secara termodinamika keadaannya sendiri. Kumpulan air akan lebih terstruktur daripada tanpa adanya kurang disukai. Keadaan seperti ini diubah oleh adanya hidrokarbon hidrokarbon. Tanpa hidrokarbon, air akan kehilangan entropi sehingga secara yang tersusun sedemikian rupa sehingga menjauh dari air, menyebabkan termodinamika keadaannya kurang disukai. Keadaan seperti ini diubah oleh molekul-molekul air yang ada di dekatnya menjadi lebih tak teratur. adanya hidrokarbon yang tersusun sedemikian rupa sehingga menjauh dari air, Efek hidrofob seperti ini dikatakan sebagai diarahkan secara entropi menyebabkan molekul-molekul air yang ada di dekatnya menjadi lebih tak (entropically driven). teratur. Efek hidrofob seperti ini dikatakan sebagai diarahkan secara entropi Hanya sejumlah kecil dari lipid amfifilik terdispersi dalam air (entropically driven). yang dapat membentuk suatu monolayer (kecuali air menyebar Hanya sejumlah kecil dari lipid amfifilik terdispersi dalam air yang dapat berupa lapisan yang sangat tipis). Sebagian besar kumpulan lipid akan membentuk suatu monolayer (kecuali air menyebar berupa lapisan yang sangat membentuk micelle. Micelle bisa berbentuk macam-macam, semuanya tipis). Sebagian besar kumpulan lipid akan membentuk micelle. Micelle bisa memuaskan efek hidrofobnya. Gambar 4-2 menunjukkan salah satu berbentuk macam-macam, semuanya memuaskan efek hidrofobnya. Gambar bentuk micelle, yakni micelle bentuk bola. Bentuk micelle lain yang 4-2 menunjukkan salah satu bentuk micelle, yakni micelle bentuk bola. Bentuk dapat terbentuk adalah elips, diskoidal, serta silinder. micelle lain yang dapat terbentuk adalah elips, diskoidal, serta silinder. H 2O

H2 O

Gambar 4-2

H2 O

Satu bentuk micelle, yakni micelle bentuk bola

Gambar 4-2 Satu bentuk micelle, yakni micelle bentuk bola Selain micelle dan monolayer, lipid amfifilik dalam air juga bisa Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul 163 membentuk struktur bilayer berupa bola berongga yang tertutup (Gambar 4-3-a). Struktur seperti ini disebut vesicle. Vesicle yakni dua lapis lipid yang rantai-rantai hidrokarbonnya terletak saling berlawnan (Gambar 4-3-b). Bilayer berbentuk lembaran tidak terdapat dalam air,

Lipid, Membran, Transpor, dan Pensinyalan

172

Selain micelle dan monolayer, lipid amfifilik dalam air juga bisa

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

membentuk struktur bilayer berupa bola berongga yang tertutup (Gambar 4-3a). Struktur seperti ini disebut vesicle. Vesicle yakni dua lapis lipid yang rantairantai hidrokarbonnya terletak saling berlawnan (Gambar 4-3-b). Bilayer karena ekor hidrokarbon akan berada di pinggir-pinggir lembaran. Hal berbentuk lembaran tidak terdapat dalam air, karena ekor hidrokarbon akan ini diatasi dengan melingkarnya lembaran membentuk bola berongga berada di pinggir-pinggir lembaran. Hal ini diatasi dengan melingkarnya yang menutup sendiri. lembaran membentuk bola berongga yang menutup sendiri. H2O

H2O

H2O

H2O

H2O

H2O

(a) Bentuk lapisan berongga

Gambar 4-3

(b) Bentuk lembaran (sheet)

Bentuk-bentuk lipid bilayer

Gambar 4-3 Bentuk-bentuk lipid bilayer Struktur micelle maupun bilayer terbentuk melalui gaya-gaya yang bekerja berlawanan, (1) gaya bilayer tarik antara terbentuk rantai-rantai hidrokarbon Struktur micelle yakni: maupun melalui(gayagaya-gaya van der Waals) yang disebabkan oleh(1) efek gaya hidrofob;tarik dan (2) gaya tolakan yang bekerja berlawanan, yakni: antara rantai-rantai antara gugus-gugus kepala polar. hidrokarbon (gaya van der Waals) yang disebabkan oleh efek hidrofob; Batas bawah ukuran micelle ditentukan oleh efek hidrofob. Terdapat dan (2) jumlah gaya minimum tolakanrantai-rantai antara gugus-gugus kepala polar. hidrokarbon yang harus bersatu sebelum kontak Batas bawah ukuran micelle ditentukan oleh efek hidrofob. air-hidrokarbon bisa dihilangkan. Proses penyatuan ini merupakan suatu Terdapat jumlah minimum rantai-rantai hidrokarbon yang harus kerjasama, sehingga micelle memiliki ukuran minimum. Batas atas ukuran bersatu micelle sebelum kontak air-hidrokarbon dihilangkan. ditentukan oleh tolakan kepala-kepala polar. bisa Jika terdapat dua rantai Proses hidrokarbon di tiap gugus kepala polar, maka volumesehingga nonpolar di setiap gugusmemiliki penyatuan ini merupakan suatu kerjasama, micelle adalah dua kali lipat dari ukuran suatu lipid micelle amfifilik yang hanya memilikioleh satu tolakan ukuran kepala minimum. Batas atas ditentukan rantai hidrokarbon. Lipid amfifilik dengan satu rantai hidrokarbon memiliki gaya kepala-kepala polar. Jika terdapat dua rantai hidrokarbon di tiap gugus tolakan yang lebih besar, yang mencegah molekul-molekul lipid berkumpul kepala polar, maka volume nonpolar di setiap gugus kepala adalah dua kali lipat dari suatu lipid amfifilik yang hanya memiliki satu rantai Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul 164 hidrokarbon. Lipid amfifilik dengan satu rantai hidrokarbon memiliki gaya tolakan yang lebih besar, yang mencegah molekul-molekul lipid berkumpul terlalu dekat sehingga akan membentuk micelle berukuran kecil. Gaya tolakan yang lebih kecil dan volume hidrokarbon yang lebih besar menyebabkan terbentuknya struktur yang jauh lebih besar, yakni bilayer dan vesicle.

Bab 4 Lipid, Membran, Transpor, dan Pensinyalan

173

Panjang rantai hidrokarbon relatif terhadap ukuran gugus kepala polar suatu amfifilik mempengaruhi apakah akan terbentuk micelle atau vesicle di dalam pelarut polar seperti air. Ion asilat dan lisofosfogliserida akan membentuk micelle kecil. Fosfogliserida, fosfosfingolipid, plasma­ logen, glikogliserolipid, dan glikosfingolipid akan membentuk vesicle dan bilayer. Lipid yang memiliki rantai hidrokarbon lebih panjang akan membentuk micelle berukuran lebih besar. Hal ini dikarenakan perbandingan volume hidrokarbon terhadap kepala akan lebih besar sehingga gaya tarik antara ekor-ekor (gaya van der Waals) lebih besar daripada gaya tolak ionik antara gugus-gugus kepala. Peningkatan kekuatan ion pada medium cair akan menyebabkan terbentuknya micelle yang lebih besar. Kekuatan ionik yang lebih besar ini akan menurunkan gaya tolak ionik antara gugus-gugus kepala sehingga lebih banyak molekul lipid yang akan menyatu. Micelle tidak akan terbentuk pada konsentrasi amfifil yang sangat rendah. Transisi dari molekul yang terpisah-pisah menjadi suatu micelle terjadi pada interval konsentrasi yang sempit yang dikenal sebagai konsentrasi micelle kritis. Kolesterol tidak akan membentuk micelle karena (1) bukan merupakan amfifilik, dan (2) strukturnya berbentuk cincin fusi yang datar dan kaku, sehinggal lebih membentuk suatu padatan daripada cairan, padahal fasa hidrokarbon yang bergerak bebas diperlukan dalam pembentukan micelle. Akan tetapi kolesterol dapat membentuk micelle campuran dengan lipid amfifilik serta dapat memasuki monolayer.

8. ASAM EMPEDU DAN GARAM EMPEDU Asam empedu diproduksi di dalam hati oleh metabolisme kolesterol. Asam empedu merupakan steroid yang terdihidroksilasi atau tertrihidroksilasi dengan 24 atom karbon. Yang termasuk asam empedu antara lain asam kolat, asam deoksikolat, dan asam kenodeoksikolat. Dalam asam empedu, semua gugus hidroksil memiliki orientasi a sedangkan kedua gugus metilnya berorientasi b. Karena itu, salah

asam deoksikolat, dan asam kenodeoksikolat. Dalam asam empedu, semua gugus hidroksil memiliki orientasi

sedangkan kedua gugus metilnya

174

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

Membran, Transpor, Pensinyalan berorientasi . Karena itu, salah satu sisi Lipid, molekul akan lebihdanpolar daripada sisi

lainnya. Akan tetapi, molekul asam empedu tidak berbentuk planar melainkan

satu sisideoksikolat, molekul akan lebihkenodeoksikolat. polar daripadaDalam sisi lainnya. Akansemua tetapi, asam dan asam asam empedu, berbentuk bengkok cincin dan B berkonformasi cis. berbentuk molekul asamkarena empedu tidakA berbentuk planar melainkan gugus hidroksil memiliki orientasi sedangkan kedua gugus metilnya bengkok karena cincin A dan B berkonformasi cis. berakumulasi di dalam Asam empedu yang hati akan berorientasi . Karena itu,diproduksi salah satu sisioleh molekul akan lebih polar daripada sisi Asam empedu yang diproduksi oleh hati akan berakumulasi di dalam lainnya. Akan tetapi,bentuk molekul garam asam empedu tidak berbentuk planar melainkan kantungkantung empedu dalam empedu, yakni asam empedu empedu dalam bentuk garam empedu, yakni asam empedudengan berbentuk bengkok karena cincin A dan B berkonformasi cis. dengan gugus asam karboksilat yang berkonjugasi glisin atau gugus asam karboksilat yang berkonjugasi dengan glisindengan atau taurin. taurin. Asam empedu yang diproduksi oleh hati akan berakumulasi di dalam kantung empedu dalam bentuk garam empedu, yakni asam empedu dengan + + NH3CH2COONH3CH2CH2SO3gugus asam karboksilat yang berkonjugasi dengan glisin atau taurin. Glisin

Taurin NH3CH2CH2SO3-

+

NH3CH2COO-

+

Glisin

Taurin

Contoh struktur garam dari asam glikokolat dan asam taurokolat adalah

Contoh struktur garam dari asam glikokolat dan asam taurokolat Contoh struktur garam dari asam glikokolat dan asam taurokolat adalah sebagaiadalah berikut: sebagai berikut: sebagai berikut:

OH OH

CONHCH COO CONHCH 2COO2-

-

OH

HO

Glikokolat OH

HO

Glikokolat

OH

CONH(CH 2)2SO3-

OH

CONH(CH 2)2SO3HO

OH Taurokolat

Garam HO empedu mempunyai sifat detergen, tetapi tidak membentuk micelle OH

Garam empedu mempunyai sifat detergen, tetapi tidak membentuk tertentu. Taurokolat

micelle tertentu. Garam empedu tidak membentuk micelle. Meskipun garam empedu Garam empedu tidak membentuk micelle. Meskipun garam memiliki suatu kepala polar, tetapi ekor hidrokarbonnya bukanlah hidrokarbon memiliki suatusifat kepala polar, tetapi Garam empedu empedu mempunyai detergen, tetapi ekor tidakhidrokarbonnya membentuk micelle murni karena ada dua atau tiga gugus hidroksil pada salah satu sisi molekul. tertentu. Garam empedu tidak membentuk micelle. Meskipun garam empedu

Bab 4 Lipid, Membran, Transpor, dan Pensinyalan

175

bukanlah hidrokarbon murni karena ada dua atau tiga gugus hidroksil pada salah satu sisi molekul. Selain itu, seperti kolesterol (yang juga tidak membentuk micelle), sistem cincin yang kaku akan membentuk fasa nonpolar yang hampir padat, bukan fasa nonpolar cair. Akan tetapi garam empedu juga dapat membentuk micelle campuran dengan fosfolipid. Struktur kumpulan garam empedu yang sebenarnya belum diketahui, tetapi hampir pasti melibatkan ikatan hidrogen di antara gugusgugus hidroksil dalam molekul yang berdekatan. Namun begitu, garam empedu merupakan detergen yang kuat, dan mampu mengemulsikan lipid makanan di dalam usus untuk membuat lipid tersebut lebih mudah diserang oleh enzim pencernaan. Garam empedu juga diperlukan untuk penyerapan lipid makanan yang sudah dicerna ke dalam sel pada mukosa usus.

9. LIPOPROTEIN PLASMA Plasma darah mengandung sejumlah lipoprotein terlarut, yang diklasifikasikan menurut kerapatannya menjadi empat tipe utama. Kompleks lipid-protein ini berfungsi sebagai sistem transpor lipid. Lipid yang terisolasi tidaklah larut dalam darah, tetapi bisa dibuat larut dan bisa diangkut dengan cara kombinasi dengan protein tertentu membentuk lipoprotein. Terdapat tipe utama lipoprotein dalam darah manusia: (1) kilomikron; (2) very low density lipoprotein (VLDL); (3) low-density lipoprotein (LDL); dan (4) high-density lipoprotein (HDL). Sifat-sifat keempat lipoprotein ini dapat dilihat dalam Tabel 4.2. Komposisi lipoprotein plasma yang berbeda-beda menentukan fungsinya. Yang pasti, lipoprotein yang kaya akan TAGs disintesis oleh hati (yakni VLDL) maupun usus halus (yakni kilomikron), dan mengantarkan lemak netral ke jaringan ekstrahepatik, terutama jaringan adiposa. Lipoprotein yang kehabisan lemak memiliki kerapatan lebih tinggi, yang penting dalam transfer kolesterol.

176

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

Tabel 4-2 Lipoprotein Plasma Kerapatan (g mL ) Diameter maksimum (nm) % komposisi:* Protein TAG Fosfolipid Kolesterol dan ester kolesterol -1

Kilomikron VLDL <0,95 0,95–1,006 500 70

LDL 1,006–1,063 25

HDL 1,063–1,21 15

2 83 7 8

22 10 22 46

33 8 29 30

*Berdasarkan berat kering lipoprotein utuh

10 50 18 22

Lipid, Membran, Transpor, dan Pensinyalan

Permukaan : fosfolipid Protein kolesterol

Inti : TAG, ester kolesterol

= Fosfolipid = Kolesterol = Protein Gambar 4-4 Struktur umum partikel lipoprotein Gambar 4-4 Struktur umum partikel lipoprotein

Struktur umum partikel lipoprotein dapat dilihat pada Gambar 10.4-4. VESICLE Permukaan polar pada partikel bola membuat kumpulan tersebut larut dalam air. Struktur ini hanya bersifat sementara. Jumlah material Apabila air ditambahkan pada fosfolipid kering tertentu dengan rantai polar dalam kilomikron dan VLDL sangatlah kecil. Lebih dari itu, ketika hidrokarbon panjang, maka fosfolipid tersebut akan membengkak. Lalu ketika lipoprotein ini menyentuh membran sel jaringan target, protein ini tetap fosfolipid terdispersi dalam air yang lebih banyak, maka struktur terlarutitudan tidak bisa masuk ke dalam membran. Halterbentuklah ini menunjukkan bahwa protein pada lipoprotein memiliki sifat-sifat Diketahui yang dikenal sebagai liposom. Liposom adalah vesicle yangunik. memiliki banyak lapisan fosfolipid (Gambar 4-5). Ketika dilakukan vibrasi ultrasonik (sonikasi), liposom berubah menjadi vesicle yang hanya memiliki satu bilayer fosfolipid.

= Kolesterol 177 = Protein

Bab 4 Lipid, Membran, Transpor, dan Pensinyalan

bahwa ada beberapa jenis protein, yakni apoprotein: AI, AII, B48, B100, Gambar 4-4 Struktur umum partikel lipoprotein CI, CII, CIII, D, dan E. Urutan asam amino dari beberapa protein ini telah ditentukan, dan terlihat bahwa protein-protein tersebut memiliki daerah hidrofob. Hal ini berarti protein-protein tersebut memiliki sifat yang menunjukkan bahwa bagian dari strukturnya kompatibel dengan 10. VESICLE hidrokarbon (misalnya TAGs dan ekor fosfolipid).

Apabila air ditambahkan pada fosfolipid kering tertentu dengan

10. VESICLE

hidrokarbon panjang, maka fosfolipid tersebut akan membengkak. Lalu

Apabila air ditambahkan pada fosfolipid kering tertentu dengan rantai fosfolipid itu terdispersi dalam air fosfolipid yang lebih banyak, maka terbentuklah s hidrokarbon panjang, maka tersebut akan membengkak. Lalu ketika fosfolipid itu terdispersi dalam air yang lebih banyak, maka yang dikenal sebagaistruktur liposom. Liposom adalah terbentuklah yang dikenal sebagai liposom.vesicle Liposomyang adalahmemiliki b vesicle yang memiliki banyak (Gambar 4-5). Ketika lapisan fosfolipid (Gambar 4-5). lapisan Ketikafosfolipid dilakukan vibrasi ultrasonik (son dilakukan vibrasi ultrasonik (sonikasi), liposom berubah menjadi vesicle yang hanya memilikivesicle satu bilayer fosfolipid. liposom berubah menjadi yang hanya memiliki satu bilayer fosfolip H2O

H2O

Gambar 4-5 Liposom adalah vesicle yang memiliki banyak lapisan fosfolipidyang memiliki banyak lapisan fosfolip Gambar 4-5 Liposom adalah vesicle

Vesicle juga bisa dibuat dengan dialisis larutan fosfolipid

dua rantai hidrokarbon.

ya bilayer. 178

Bersatunya micelle-micelle meny Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

esicle yang dibuat dari campuran fosfolipid memiliki distri

Vesicle juga bisa dibuat dengan dialisis larutan fosfolipid dalam merata detergen. antara kedua lapisinibilayer. Lengkungan vesic Fosfolipid dan detergen membentuk micelle campuran yang didominasi oleh detergen yang memiliki rantai hidrokarbon daerah permukaan eksternal meluas sekitar tiga kali tunggal. Micelle yang terbentuk berukuran kecil.hingga Dialisis menurunkan konsentrasi detergen yang larut dalam air sehingga micelle jadi terdominasi oleh itu fosfolipid yang memiliki rantai hidrokarbon. n internal. Karena terdapat lebihduadari dua kali lipat jumlah Bersatunya micelle-micelle menyebabkan terbentuknya bilayer. Vesicle Fosfopipid yang dibuat dari campuran fosfolipid memiliki distribusi lapisan luar. dengan kepala yang besar (misa lipid yang tak merata antara kedua lapis bilayer. Lengkungan vesicle dapat membuat daerah permukaan eksternal meluas hingga sekitar tiga berpartisi ke dalam lapisan luar di mana tolakannya leb kali lipat luas permukaan internal. Karena itu terdapat lebih dari dua kali lipat jumlah molekul lipid pada lapisan luar. Fosfopipid dengan 4-6). kepala yang besar (misalnya PC) cenderung berpartisi ke dalam lapisan luar di mana tolakannya lebih lemah (Gambar 4-6).

6

Gambar 4-6 Fosfopipid dengan kepala yang besar cenderung berpartisi ke dalam lapisan luar di mana lemah Fosfopipid dengan kepala yangtolakannya besarlebih cenderung berpartisi

ke

lapisan luar mana Vesiclediyang dibuattolakannya dengan dialisis lebih hampirlemah tak dapat

ditembus oleh kation kecil dan sebagian besar molekul polar besar. Vesicle ini sedikit dapat menyerap Cl-, dan sangat menyerap air karena kelarutan air dalam hidrokarbon cair sangat besar. Bila terdapat protein pada saat esicle yang dibuat dengan dialisis takbilayer dapat ditem terjadinya pembentukan vesicle, protein ini bisahampir masuk ke dalam fosfolipid, membentuk vesicle yang dikenal sebagai proteoliposom. Selain dari fosfolipid dan protein,polar vesicle juga bisa dibuat dari il dan sebagian besar molekul besar. Vesicle ini sed membran sitoplasma sel, biasanya melalui prosedur sonikasi. Vesicle dan vesicle yang berasalair darikarena membran alami sangat berguna Cl , dan buatan sangat menyerap kelarutan air dalam hid

at besar.

Bila terdapat protein pada saat terjadinya pem

Bab 4 Lipid, Membran, Transpor, dan Pensinyalan

179

dalam mempelajari fenomena transpor lintas membran. Vesicle juga terbentuk secara alami, misalnya dalam sel eukariot.

11. MEMBRAN Sitoplasma dalam sel dikelilingi oleh membran plasma. Strukturstruktur subseluler seperti inti, lisosom, dan mitokondria juga dibatasi oleh membran. Membran pada retikulum endoplasma dalam eukariot memagari ruang intrasel yang besar di dalam sitoplasma. Sedangkan mitokondria memiliki membran internal yang terlipat. Membran-membran ini berfungsi memisahkan sel dari lingkung­ annya, serta memisahkan bagian-bagian berbeda dalam sel sehingga aktivitas di dalamnya dapat berlangsung secara independen. Dengan demikian, suatu membran merupakan pembatas fisik yang menjaga ruangan yang dipagarinya agar dapat mengambil atau mengeluarkan zat-zat yang berguna atau berbahaya. Membran juga menyediakan lingkungan tempat berlangsungnya reaksi kimia yang membutuhkan kondisi bebas air. Membran terdiri atas lipid, protein, dan sedikit karbohidrat. Perbandingan massa kandungan membran ini bervariasi menurut tipe membran. Karbohidrat dalam membran terdapat sebagai glikogliserolipid, glikosfingolipid, dan glikoprotein. Tipe lipid yang paling banyak ditemukan dalam semua jenis membran yakni fosfogliserida dan fosfosfingolipid (sfingomyelin). Kolesterol ditemukan dalam membran plasma hewan tetapi jarang pada tanaman. Glikosfingolipid ditemukan dalam membran syaraf dan jaringan otot. Jenis dan jumlah kepala polar sangat bervariasi, tetapi rantai hidrokarbon yang ditemukan dalam semua jenis membran adalah serupa. Komposisi beberapa membran dapat dilihat dalam Tabel 4.3.

180

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

Tabel 6-3 Komposisi Membran

Eritrosit manusia

Komponen (persen dari berat membran) Protein Lipid Karbohidrat 49 43 8

Myelin manusia

18

79

55 50 75 75

Membran

Hati tikus: Plasma Mitokon-dria luar Mitokon-dria dalam Plasma Escherichia coli * SM GS Chol **

Komposisi Lipid* (persen dari total lipid)** PA

PC

PE PI

PS

PG DPG SM

GS

Chol

2

19

18

1

8

––

––

18

10

25

3

1

10

20

1

9

––

––

8

26

26

40 47 23

5 3 2

1 1 1

19 48 43

12 22 24

4 9 12 2 6 1

–– 2 2

–– 3 18

14 5 2

–– –– ––

30 5 3

25

––

tr***

––

65

–– tr

18

12

––

––

––

≡ sfingomyelin ≡ glikosfingolipid ≡ kolesterol Beberapa analisa lipid tidak memberikan total 100% karena tidak semua lipid yang ada dicatat di sini.

***tr ≡ trace (sangat sedikit sekali).

Molekul lipid dalam membran tersusun dalam bentuk bilayer tertutup, sama seperti vesicle buatan (Gambar 4-3). Membran yang terbentuk secara alami kadangkala disebut biomembran untuk membedakannya dari membran yang terdapat dalam vesicle buatan maupun vesicle yang dibuat secara eksperimen dari membran alami. Sebagian protein dalam membran dapat dihilangkan oleh pereaksi yang mengganggu ikatan polar dan ionik (misalnya urea atau larutan garam berkonsentrasi tinggi). Protein ini dikenal sebagai protein ekstrinsik atau peripheral. Protein lain yang disebut sebagai protein intrinsik atau integral dapat dihilangkan hanya dengan mereaksikan membran dengan detergen atau pelarut organik. Jika suatu membran merupakan bilayer lipid yang polar, makan protein peripheral terdapat pada permukaan bilayer dan menempel pada kepala polar lipid atau protein integral melalui ikatan polar dan ikatan ionik. Protein integral terbungkus di dalam bilayer dan terikat dalam membran oleh ikatan van der Waals dan interaksi hidrofob.

Bab 4 Lipid, Membran, Transpor, dan Pensinyalan

181

Beberapa protein integral yang diisolasi dari membran memiliki berat molekul besar. Protein seperti ini masuk ke dalam bilayer lipid dengan cara memutar bilayer (Gambar 4-7). Bagian yang berproyeksi pada kedua sisi adalah polar, sedangkan bagian yang terbungkus dalam bilayer terdiri atas residu-residu asam amino yang memiliki rantai samping hidrofob atau terlipat sedemikian rupa sehingga rantai-rantai samping hidrofil berproyeksi ke tengah struktur yang jauh dari lipid. Membran, dan Pensinyalan Protein integral dapat melewati membranLipid, sampai 12 kaliTranspor, atau lebih.

Gambar 4-7

Beberapa protein integral yang diisolasi dari membran memiliki berat

Gambarmolekul 4-7 Beberapa protein integral yang diisolasi dari membran besar. Protein seperti ini masuk ke dalam bilayer lipid dengan memiliki cara berat memutar molekul besar. Protein seperti ini masuk ke dalam bilayer bilayer lipid dengan cara memutar bilayer

Relatif sedikit protein membran integral yang telah berhasil dimurnikan, tetapi

membran integral yang telahurutannya. berhasil banyak Relatif protein sedikit integralprotein yang sekarang telah ditentukan

Dalam

dimurnikan, tetapi banyak protein integral yang sekarang telah ditenprotein-protein ini teridentifikasi domain transmembran dalamdomain urutan 20 asam tukan urutannya. Dalam protein-protein ini teridentifikasi transmembran urutan 20asam asam amino amino hidrofob. yang banyak mengandamino yang banyakdalam mengandung ung asam amino hidrofob. Sejauh ini belum ada protein yang ditemukan sebagai konstituen umum Sejauh ini belum ada protein yang ditemukan sebagai konstituen untuk semua membran. Karena Karena sepertinya tidak tidak ada ada struktur protein yang umum untuk semua membran. sepertinya struktur proteindalam yang universal dalamJumlah membran. Jumlah protein yang berbeda universal membran. protein yang berbeda dalam membran dalam membran bervariasi menurut tipe membran. Membran plasma bervariasi menurut tipe membran. Membran plasma pada bakteri pada bakteri Halobacterium halobium hanya mengandung 1 protein (bakteriorodopsin), sedangkan membran bakteri Escherichia coli Halobacterium halobium hanya mengandung 1 protein (bakteriorodopsin), mengandung sekitar 100 protein. Membran plasma sel darah manusia sedangkan membran bakteri Escherichia coli mengandung sekitar 100 protein. mengandung setidaknya 17 macam protein. Membran plasma sel darah manusia mengandung setidaknya 17 macam protein. S.J. Singer dan G.L. Nicolson pada tahun 1972 mengusulkan model

bervariasi

menurut

tipe

membran.

Membran

plasma

pada

bakteri

Halobacterium halobium hanya mengandung 1 protein (bakteriorodopsin), sedangkan membran bakteri Escherichia coli mengandung sekitar 100 protein. 182

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

Membran plasma sel darah manusia mengandung setidaknya 17 macam protein.

S.J. Singer dan G.L. Nicolson pada tahun 1972 mengusulkan S.J. Singer dan G.L. Nicolson pada tahun 1972 mengusulkan model model mosaik cair sebagai skema universal untuk struktur membran mosaik cair sebagai skema universal untuk struktur membran (Gambar 4-8). (Gambar 4-8).

Gambar Modelmosaik mosaikfluida fluida struktur membran. Mosaik bilayer Gambar 4-84-8Model struktur membran. Mosaik bilayer lipid polar lipid polar mempunyai mempunyaiketebalan ketebalan kira-kira kira-kira5 5nm. nm. Protein-protein, Protein-protein, termasuk transmembran protein seperti yang ditunjukkan adalah termasuk transmembran protein seperti yang ditunjukkan adalah berapaberapa gumpalan yang tidak beraturan. gumpalan yang tidak beraturan.

Model dalam Gambar 4-8 menunjukkan bahwa struktur membran Karena daerah hidrokarbon berwujud cair, maka terjadi difusi lateral dan gerakan rotasi yang cepat (sekitar sumbu yang tegak lurus terhadap bilayer) pada komponenkomponen lipid dan protein. Pergerakan komponen dari satu lapisan ke lapisan lainnya (flip-flop) dibatasi dalam model pada Gambar 4-8. Pergerakan ini berlangsung bila daerah polar pada lipid atau protein melewati inti hidrofob pada bilayer. Hal ini tidak disukai secara termodinamika. Membran memiliki distribusi asimetrik untuk komponen lipid dan proteinnya di antara kedua lapis bilayer. Buktinya, misalnya PC dan sfingomyelin ditemukan dalam lapisan luar, sedangkan PE dan PS lebih mendominasi lapisan dalam. Adanya transpor membran searah menandakan bahwa protein yang terlibat pasti terdistribusi secara asimetris antar membran. Lebih dari itu, lapisan luar membran plasma mengandung molekul glikoprotein dan glikolipid yang mengidentifi-

Biokimia: Struktur dan Fungsicair Biomolekul tidak kaku melainkan dan dinamis.

173

Bab 4 Lipid, Membran, Transpor, dan Pensinyalan

183

kasi sel sebagai suatu tipe tertentu sehingga dapat dikenali dari komponen dalam peredaran. Glikoprotein dan glikolipid ini tidak terdapat dalam lapisan dalam. Bukti lainnya yakni fosfolipid tertentu (misalnya PS) terdistribusi asimetris oleh reaksi translokase fosfolipid yang memerlukan energi. Pada suhu rendah, bilayer lipid tidak akan berwujud cair. Pada transisi reversibel, biasanya pada interval ~100C, terjadi seiring kenaikan suhu, dan rantai hidrokarbon menjadi tak teratur sehingga membran menjadi cair. Titik tengah transisi ini dikenal sebagai titik leleh atau suhu transisi. Besarnya suhu ini dalam organisme tertentu dijaga beberapa derajat di bawah suhu lingkungan dan tergantung pada: (1) panjang rantai hidrokarbon dan derajat ketidakjenuhannya; dan (2) sifat gugus kepala dari lipid. Ketergantungan titik leleh pada sifat gugus kepala lipid menandakan bahwa interaksi terjadi di antara gugus-gugus kepala yang beraneka ragam. Hal ini didukung oleh pengamatan bahwa PE jauh lebih “pendiam” daripada PC dalam membran buatan. Pada PE, ikatan hidrogen dapat terjadi antara –NH3+ dengan fosfat pada molekul yang bersebelahan, sedangkan gugus –+N(CH3)3 dalam molekul PC yang lebih besar relatif terhadap –NH3+ membuat –+N(CH3)3 sulit untuk masuk ke dalam susunan teratur tanpa menciptakan gaya tolak yang lebih kuat; hal ini menimbulkan mobilitas yang lebih besar. Ketika diisolasi, sejumlah protein integral menyimpan molekul lipid yang terikat. Mungkin dalam membran utuh mobilitas protein dan lapisan lipid yang mengelilinginya dibatasi oleh penggabungan fisik antara keduanya. Penghilangan lipid dari larutan menyebabkan hilangnya integritas struktural dan fungsional protein. Kolesterol menurunkan kebebasan gerak lipid yang mengelilinginya karena kolesterol merupakan struktur kaku yang memiliki afinitas tinggi untuk rantai hidrokarbon terhadap tetangganya. Lebih dari itu, kolesterol terbungkus begitu dalam sehingga gugus hidroksilnya setingkat dengan ikatan ester pada lipid tetangga serta terdapat ikatan hidrogen antara gugus hidroksil dengan kepala polar. Pada umumnya, membran yang kaya akan kolesterol akan mereduksi permeabilitas air.

184

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

Pengenalan sel oleh sel lain sering melibatkan karbohidrat yang menempel pada protein di permukaan membran sel. Karbohidrat seperti ini kerapkali menempel pada residu serin atau treonin melalui ikatan O-glikosida, atau pada rantai samping residu asparagin melalui ikatan N-glikosida. Oligosakarida berikatan-N kerapkali mengandung “inti” umum 5 residu, yakni dua N-asetilglukosamin dan tiga manosa, seperti diperlihatkan dalam Gambar 4-9. pada inti ini bisa menempel residu manosa lainnya (tipe manosa) atau berbagai kombinasi Nasetilglukosamin, galaktosa, asam N-asetilneuraminat, dan fukosa (tipe kompleks). Dengan sejumlah unit monosakarida yang berbeda-beda, beberapa kemungkinan ikatan, dan dua konfigurasi anomer, maka jumlah kemungkinan strukturnya luar biasa banyak. Derajat keanekaragaman kemungkinan yang besar dapat menyediakan banyak kandungan informasi, sehingga sel dapat membangun mekanisme kompleks untuk pengenalan. Diyakini bahwa senescence sel mamalia atau glikoprotein yang beredar bisa dikenali dari hilangnya asam N-asetilneuraminat (asam sialat) yang disebabkan oleh sialilase dalam jaringan vaskuler. Ujung residu galaktosa bisa dikenali dan diikat oleh suatu reseptor asialoglikoprotein pada sel-sel tertentu yang kemudian dapat menginternalisasi dan mendegradasi sel atau protein yang membawa glikoprotein terasialilasi atas pertolongan endositosis. Tanaman dan beberapa bakteri menghasilkan protein lektin, yang mampu membentuk ikatan spesifik pada kelompok-kelompok oligosakarida tertentu. Lektin dari kacang jack bean (yakni konkanavalin A) mengenali dan mengikat unit a-manosa nonpereduksi dari oligosakarida. Bakteri seperti E. coli menempel pada jaringan inang melalui lektin bakteri yang mengenali dan mengikat unit karbohidrat tertentu pada permukaan sel inang. Mekanisme pengenalan jenis ini menjelaskan spesifitas jaringan terhadap beberapa penyakit yang disebabkan oleh bakteri.

Bab 4 Lipid, Membran, Transpor, dan Pensinyalan 185 Lipid, Membran, Transpor, dan Pensinyalan

NeuNAc

NeuNAc

Gal

Gal

GlcNAc

GlcNAc

Man GlcNAc

Man Man "Inti" biasa (common "core")

GlcNAc Fuc

GlcNAc -Asn(a) Tipe kompleks

Man

Man

Man

Man

Man

Man

Man

Man Man GlcNAc

"Inti" biasa (common "core")

GlcNAc -Asn(b) Tipe manosa tinggi

Gambar 4-9 Oligosakarida berikatan-N dalam glikoprotein: (a) (a) tipetipe Gambar 4-9 Oligosakarida berikatan-N dalam glikoprotein: kompleks, dan (b) tipe tinggi.tinggi. kompleks, dan (b)manosa tipe manosa

Diyakini bahwa senescence sel mamalia atau glikoprotein yang beredar bisa dikenali dari hilangnya asam N-asetilneuraminat (asam sialat)

186

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

12. STRUKTUR DAN FUNGSI MEMBRAN Membran membentuk perbatasan di sekeliling sel dan sekeliling kompartemen subsel yang berbeda. Mereka berperan sebagai pembatas permeabel selektif dan terlibat dalam prose sinyal. Semua membran berisi berbagai jumlah lipid dan protein dan beberapa mengandung sedikit karbohidrat. Dalam membran, tiga kelompok utama lipid yakni gliserofosfolipid, sfingolifid, dan sterol. Gliserofofolid memiliki tulang punggung gliserol yang menempel pad dua rantai hidrikarbon asamlemak dan satu gugus kepalaterfosforilasi. Ini antara lain fosfatidilinositol, fosfadiserin, dan difosfatridilgliserol. Sfingolifid berdasarkan atas sfingosin tempat rantai asam lemak tunggal menempel dan suatu gugus kepala terfosforilasi (sfingomielin) atau satu atau lebih residu gula (serebrosida dan gangliosida, yakni glikosfingolifid). Sterol utama dalam membran plasma hewan yakni kolesterol, sedangkan stigmasterol dan -sitosterol yang strukturnya berkaitan ditemukan pada tumbuhan. Rantai asam lemak gliserofosfolipid dan sfingolipid terdiri atas rantai panjang atom karbon yang biasanya tak bercabang dan memiliki jumlah atom karbon yang biasanya tak bercabang dan memiliki jumlah atom karbon genap (misalnya palmitat C16, stearat C18). Rantai ini bisa bersifat jenuh sepenuhnya dengan atom hydrogen atau bisa juga memiliki satu atau lebih ikatan rangkap tak jenuh yang berada dalam konfigurasi cis (misalnya oleat C18:L dengan satu ikatan rangkap). Membran bersifat amfipatik (amfifilik) karena memiliki daerah hidrofil dan juga hidrofob. Dalam gliserofosfolipid dan sfingolipid, rantai hidrokarbon asam lemak bersifat hidrofob sedangkan gugus kepala polarnya bersifat hidrofil. Dalam kolesterol, seluruh molekul kecuali gugus hidroksil pada karbon-3 adalah hidrofob. Dalam larutan encer, lipid amfipatik menyusun sendiri menjadi sel atau menjadi lembaran bimolekul (bilayer) yang lebih luas untuk mencegah daerah hidrofob bersentuhan dengan molekul air yang mengelilingi struktur bilayer dipertahankan oleh banyak interaksi nonkovalen antara rantairantai asam lemak yang bersebelahan dan antara gugus-gugus kepala

Bab 4 Lipid, Membran, Transpor, dan Pensinyalan

187

polar pada lipid tersebut. Dalam membran biologis, bilayer lipid mempunyai distribusi lipid tak simetris antara lembaran dalam dan luar. Lipid relatif bebas bergerak di dalam bidang bilayer dengan gerakan rotasi atau lateral, tetapi tidak mudah membalik dari satu sisi bilayer ke sisi lainnya (gerakan trnaverse). Memanaskan bilayer mengubahnya dari keadaan mirip gel menjadi keadaan yang lebih mirip cairan. Menambah panjang rantai asam lemak atau mengurangi jumlah ikatan rangkap tak jenuh dalam rantai asam lemak menyebabkan penurunan fluiditas membran. Pada membran hewan, menambah jumlah kolesterol dengan sistem cincin gabungan kakunya juga menurunkan fluiditas membran. Membran dan Lipid Membran Membran membentuk perbatasan baik di sekeliling sel (membran plasma maupun di sekeliling kompartemen subsel yang berbeda (misalnya inti, mitikondria, lisosom, dan lain-lain). Mereka berperan sebagai pembatas permeabel selektif yang memungkinkan lingkungan dalam sel atau organel untuk dibedakan dari yang berada di luar. Membran terlibat dalam proses sinyal; mereka memiliki reseptor spesifik untuk stimuli eksternal dan terlibat dalam pembentukan sinyal listrik maupun kimia. Semua membran berisi dua komponen dasar: lipid, protein, dan karbohidrat bervariasi dari satu membran ke membran lainnya. Contohnya, membran dalam mitokondria mempunyai protein yang lebih banyak daripada lipid karena adanya kmpleks-kompleks protein yang sangat banyak yang terlibat dalam fosforilasi oksidatif dan transfer elektron, sedangkan membran sheath myelin dari sel syaraf, yang bekerja untuk insulate sel secara elektrik, mempunyai proporsi lipid yang lebih banyak. Lipid pada awalnya dikelompokkan sebagai zat biologis yang tak larut dalam air namun larut dalam pelarut organik seperti kloroform danm methanol. Selain sebagai komponen struktur dari membran, lipid mempunyai beberapa peran biologis lainnya. Mereka berperan

188

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

sebagai molekul bahan baker, sebagai simpanan energi pekat (misalnya triasilgliserol), dan sebagai molekul sinyal. Di dalam membran terdapat Lipid, Membran, Transpor, dan Pensinyalan tiga tipe utama lipid : gliserofosfolipid, sfingolifid, dan sterol. O

O R1 R2

C O CH2 C O CH O H2C

R1 R2

O

O

O H2C

O-

O P

C O CH2 C O CH

O

O P

H O CH2 C NH3+

O-

-

COO-

Fosfatidilserin

Fosfatidat O

O R1 R2

O H2 C

C O CH2 C O CH

R1 R2

C O CH2 C O CH

O

O P

O H2C

O CH2 CH2

O

O P

NH3+

OH

O

H H

O- H

O-

OH H OH

OH

Fosfatidiletanolamin

H OH

H

Fosfatidilinositol

O O

R1 R2

C O CH2 C O CH O H2C

O

O P

O CH2 CH2

R1

CH3 N+ CH3

R2

O H2C

CH3

O-

C O CH2 C O CH

O P

OH C CH2OH H

Fosfatidilgliserol

O

O

C O CH2 C O CH O H2C

O CH2

O-

Fosfatidilkolin R1 R2

O

O

O P

H O CH2

O-

C CH2 OH

O O P

H2C

O C

HC

O C

O CH2

R3 R4

O

O-

Difosfatidilgliserol

Gambar 4.10Struktur Struktur membran gliserofosfolipid. adalah Gambar 4.10 membran gliserofosfolipid. R1 R1 dan dan R2 R2 adalah rantai hidrokarbon dari asam lemak rantai hidrokarbon dari asam lemak a. Gliserol fosfolifid b. Sfingolipid Gliserolfosfolifid dibuat dari tiga komponen: Gugus kepala fesfofolirasi, tulang tiga-karbon, dan memiliki dua rantai asam lemah Sfingomyelin, yaknipunggung sfingolipid yang paling umum, tulang punggung hidrokarbon (Gambar Gugus gliserol kepala dalam ferfosfolirasi menemsfingosin (Gambar 4.11a) 4.10). menggantikan gliserofosfolipid. pel pada karbon -3 dari tulang punggung gliserol, sedangkan kedua Seperti gliserofosfolipid, mereka yang memiliki gugus kepala terfosforilasi (kolin ataupun etanolamin) dan dua rantai hidrokarbon (Gambar 4.11a). Salah satu rantai hidrokarbon datang dari molekul sfingosin, yang satunya

Bab 4 Lipid, Membran, Transpor, dan Pensinyalan

189

rantai asam lemak menempel pada dua atom karbon lainnya. Gliserofosfolipid yang paling sederhana yakni fosfatidat (diasilgliserol 3-fosfat) yang hanya memilki satu gugus asam fosfat teresterifikai pada karbon-3 gliserol. Meskipun fosfatidat itu sendiri terdapat dalam jumlah sedikit dalam membran, namun gliserofosfolipid kebanyakan diturunkan darinya. Dalam lipid-lipid yang lain ini fosfat selanjutnya diesterifikasi ke gugus hidroksil dari salah datu dari beberapa alcohol (kolin, etanolamin, gliserol, inositol, atau serin). Gliserofifosfolipid utama yang ditemukan dalam membran antara lain: Fosfatidilkolin, fosfatidiletanol/amin, fosfatidilgliserol, fosfatidilinosil, dan fosfatidilserin (Gambar 4.10). Difosfatidilgliserol (atau kardiolipin) ditemukan mendominasi membran dalam mitokondria. b. Sfingolipid Sfingomyelin, yakni sfingolipid yang paling umum, memiliki tulang punggung sfingosin (Gambar 4.11a) menggantikan gliserol dalam gliserofosfolipid. Seperti gliserofosfolipid, mereka yang memiliki gugus kepala terfosforilasi (kolin ataupun etanolamin) dan dua rantai hidrokarbon (Gambar 4.11a). Salah satu rantai hidrokarbon datang dari molekul sfingosin, yang satunya lagi merupakan asam lemak seperti yang ditemukan dalam gliserofosfolipid kecuali bahwa ia terikat via ikatan amida dalam sfingolipid. Sfingomyelin terutama melimpah dalam myelin sheath yang mengelilingi sell syaraf. Glikosfingolipid seperti serebrosida dan gongliosida, juga diturunkan dari sfingosin, tetapi untuk menggantikan gugus kepala terfoforilasi mereka memiliki satu atau lebih residu gula. Galaktoserebrosida mempunyai satu residu galaktosa (gambar 4.11a) dan ditemukan mendominasi dalam membran sel neuron pada otak.

memiliki satu atau lebih residu gula. Galaktoserebrosida mempunyai satu residu galaktosa (gambar 4.11a) dan ditemukan mendominasi dalam 190

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

membran sel neuron pada otak. H H3C

(CH2)12

C

Spingosin

C H

H

H

O

C

C CH2 O

P

O CH2

CH2

-

OH N H O

CH3

O

N+

CH3

CH3

C R1

Spingiomielin A H

H

C

C

C CH2 O

H

OH N H

H H3C

(CH2)12

C

Spingosin

O

galaktosa

C R1

Galaktoserebrosida

CH3 H

C

CH3 CH2

CH3

CH2

CH2

C

CH3

CH3

CH3

B 3

HO

Kolesterol

Gambar 4-11. Struktur dari (a) spingolipid spingomielin dan

Gambargalaktoserebrosida; 4-11. Struktur dari spingolipid spingomielin dan galaktoserebrosida; (b) (b)(a) kolesterol. R1 adalah rantai hidrokarbon dari kolesterol. R1 adalah rantai hidrokarbon dari asam lemak

asam lemak

c. Sterol c. Sterol

Sterol kolesterol (Gambar 4-11b) merupakan konstituen utama dalam membran plasma hewan tetapi tidak ada dari prokariot. membran hewan tetapi ada berarti dari prokariot. Sistem cincin Sistemplasma cincin gabungan pada tidak kolesterol bahwa ia lebih kaku daripada lipid membran lainnya. Selain kompogabungan pada kolesterol berarti bahwa ia merupakan lebih kaku daripada lipid Sterol kolesterol (Gambar 4-11b) merupakan konstituen utama dalam

membran lainnya. Selain merupakan komponen penting dari membran lainnya. Selain merupakan komponen penting dari membran, kolesterol

Bab 4 Lipid, Membran, Transpor, dan Pensinyalan

191

nen penting dari membran lainnya. Selain merupakan komponen penting dari membran, kolesterol yang merupakan precursor metabolisme hormone steroid. Tumbuhan mengandung sedikit kolesterol tetapi memiliki sejumlah sterol lain, terutama stigmasterol dan sitoterol yang berbeda dari kolesterol hanya pada rantai sam­ ping alifatiknya.

13. TRANSPOR Suatu membran merupakan pembatas mekanik yang memisahkan dua fasa cair. Fungsi ini berdasar atas bilayer hidrofob dua dimensi dari lipid polar yang mencegah pergerakan bebas zat terlarut dari satu fasa ke fasa lainnya. Pergerakan bebas melintasi suatu membran disebut difusi sederhana. Laju difusi sederhana berbeda-beda tergantung zatnya. Misalnya, zat-zat berikut ini disusun menurut penurunan laju difusi sederhana melintasi membran tertentu: oksigen, benzen, gliserol, glukosa, aspartat, hemoglobin. Laju difusi sederhana tergantung pada wujud zat (gas paling cepat berdifusi), ukuran (yang lebih kecil akan lebih cepat), dan kepolaran (semakin polar akan semakin lambat). Secara kuantitatif untuk selain gas, difusi sederhana hanya penting dalam transpor molekul yang memiliki karakter hidrofob besar. Namun beberapa membran dapat dilalui difusi sederhana yang cepat untuk berbagai macam zat termasuk senyawa polar. Beberapa membran memiliki pori-pori, misalnya membran luar mitokondria dan bakteri Gram-negatif. Pori-pori ini membuat senyawa hidrofil yang biasanya memiliki Mr kurang dari 600 dapat lewat dengan bebas. Pori-pori membran dibentuk oleh protein yang disebut porin. Kebanyakan membran tidak mempunyai pori-pori nonspesifik yang memungkinkan difusi zat terlarut berlangsung dengan cepat. Untuk membran-membran ini, difusi sederhana zat terlarut merupakan proses yang sangat lambat. Zat terlarut dapat melewati membran seperti ini dengan jauh lebih cepat oleh carrier-mediated transport. Komponen

192

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

membran yang membantu transpor merupakan protein yang dikenal sebagai carrier atau permease atau protein transpor. Istilah translokase terkadang digunakan, tetapi mesti dihindari karena istilah ini juga digunakan untuk enzim yang terlibat dalam biosintesis protein. Carrier adalah spesifik untuk zat terlarut yang ditranspor. Suatu set carrier akan membuat sel dapat mengambil zat-zat yang diinginkan dengan cepat dan menyingkirkan zat-zat yang tak diinginkan dengan cepat pula. Tanpa adanya carrier yang sesuai, senyawa-senyawa yang tak diinginkan tetap bisa dijaga agar tidak memasuki sel dan senyawasenyawa yang berguna disimpan. Dalam hal ini difusi sederhana merupakan satu-satunya cara agar senyawa-senyawa tersebut bisa melewati membran. Secara eksperimen, penentuan karakteristik pergerakan senyawa tertentu melintasi membran cukup sederhana (misalnya pengaruh pH dan suhu pada laju). Namun sulit untuk menganalisa bagaimana suatu carrier bekerja pada tingkat molekul. Penentuan mekanisme transpor carrier begitu sulit, karena suatau carrier yang akan dipelajari secara efektif harus dimurnikan terlebih dahulu. Tetapi memurnikan carrier berarti memindahkannya dari membran di mana carrier tersebut terdapat secara alami. Membran tersebut harus diganggu, dan akibatnya aktivitas biologis carrier yang bisa diukur kualitasnya menjadi hilang. Masalah ini bisa diatasi dengan memasukkan carrier yang sudah dimurnikan ke dalam vesicle buatan. Untuk mengukur laju transpor suatu zat terlarut ke dalam sel (atau vesicle buatan), digunakan zat terlarut yang diberi label radioaktif. Suatu suspensi sel diinkubasi dalam medium yang mengandung zat terlarut radioaktif. Bagian demi bagian suspensi diangkat pada waktuwaktu yang berbeda, kemudian diukur radioaktivitas sel yang telah dicuci dan disaring. Gambar 4-12 menunjukkan plot radioaktivitas sel yang telah dicuci pada waktu-waktu yang berbeda. Kemiringan awal kurva menunjukkan laju pengambilan zat terlarut (setelah konsentrasi zat terlarut dihitung dari pengukuran radioaktivitas) yang sesuai dengan konsentrasi zat terlarut pada waktu = 0, [S]o.

Keradioaktifan dalam sel

Bab 4 Lipid, Membran, Transpor, dan PensinyalanLipid, Membran, Transpor, dan Pensinyalan 193

Waktu (detik)

Gambar 4-12 Plot radioaktivitas sel yang telah dicuci pada waktu-waktu yang berbeda

Gambar 4-12 Plot radioaktivitas sel yang telah dicuci pada waktu-waktu yangbisa berbeda Di dalam sel, zat terlarut saja dicerna. Karena itu, konsentrasi zat terlarut sebenarnya dalam bisa sel akan lebih kecil daripada ditunjukkan Di dalam sel, zatditerlarut saja dicerna. Karena itu, yang konsentrasi oleh pengukuran radioaktivitas sel. sel Selain jika dikecil dalam sel sudah ada zat zat terlarut sebenarnya di dalam akanitu,lebih daripada yang ditunjukkan pengukuran radioaktivitas sel. Selain itu, jika terlarut, makaoleh laju yang diukur merupakan nilai totalnya karena pasti adadisuatu dalam sel sudah ada zatkeluar terlarut, maka laju yang diukur maupun merupakan pergerakan zat terlarut dari sel (oleh difusi sederhana transpor nilai totalnya karena pasti ada suatu pergerakan zat terlarut keluar dari carrier). Masalah ini diatasi dengan menggunakan analog yang tak dapat sel (oleh difusi sederhana maupun transpor carrier). Masalah ini diatasi dicerna, misalnya untuk mempelajari transpor glukosa digunakan radioaktif 2dengan menggunakan analog yang tak dapat dicerna, misalnya untuk deoksiglukosatranspor atau -metilglukosida. mempelajari glukosa digunakan radioaktif 2-deoksiglukosa atau a-metilglukosida. Dalam mempelajari transpor dalam bakteri, digunakan metode lain Dalam mempelajari dalamzatbakteri, metode untuk mengatasi masalahtranspor metabolisme terlarut,digunakan yakni memakai bakteri lain untuk mengatasi masalah metabolisme zat terlarut, yakni memakai mutan yang akan mentranspor zat terlarut tetapi kekurangan satu atau lebih bakteri mutan yang akan mentranspor zat terlarut tetapi kekurangan enzim untuk mencerna zat terlarut itu. satu atau lebih enzim untuk mencerna zat terlarut itu. Kelemahan penggunaan analog yakni laju laju transpor senyawa yang diamati Kelemahan penggunaan analog yakni transpor senyawa yang sebenarnya (misalnya glukosa)glukosa) tidak bisatidak ditentukan meskipun dapat dianggap diamati sebenarnya (misalnya bisa ditentukan meskipun dapat sama dengan analog. samadianggap dengan analog. Bila Bila v adalah laju zat terlarut terlarutkeke dalam v v adalah lajutranspor transpor zat dalam sel, sel, makamaka v bervariasi bervariasi menurut konsentrasi zat terlarut [S]o. Untuk transpor oleh menurut konsentrasi zat terlarut [S] . Untuk transpor oleh carrier, (Gambar 4carrier, (Gambar 4-13-a) terdapato batasan jumlah molekul carrier 13-a) membran. terdapat batasan jumlah molekul carrier dalam membran. Pada [S]o dalam Pada [S]o rendah, hanya sebagian kecil dari molekulrendah, ini hanya kecil pada dari molekul-molekul ini yang molekul yangsebagian akan terikat zat terlarut. Tetapi padaakan [S]o terikat tinggi,pada zat terlarut.

Tetapi pada [S]o tinggi, sebagian besar molekul carrier akan

bekerja, sehingga terdapat nilai maksimal untuk v (Vmaks).

Dalam difusi

sederhana (Gambar 4-13-b), tidak ada carrier untuk dijenuhkan, sehingga v

194

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

sebagian besar molekul carrier akan bekerja, sehingga terdapat nilai maksimal untuk v (Vmaks). Dalam difusi sederhana (Gambar 4-13Lipid, Lipid,Membran, Membran,Transpor, Transpor,dan dan Pensinyalan Pensinyalan b), tidak ada carrier untuk dijenuhkan, sehinggaTranspor, v akan dan lebih tinggi Lipid, Membran, Pensinyalan pada [S]o tinggi karena gradien konsentrasi zat terlarut yang melewati melewati lebih daripada gradien konsentrasinya pada [S] melewati membran lebih besar besar daripada gradien konsentrasinya pada[S]o [S]oo membranmembran lebih besar daripada gradien konsentrasinya pada melewati membran lebih besar daripada gradien konsentrasinya pada [S]o rendah. ini laju rendah.Gradien Gradienkonsentrasi konsentrasi ini menentukan laju difusi. rendah. Gradien konsentrasi ini menentukan menentukan laju difusi. difusi. rendah. Gradien konsentrasi ini menentukan laju difusi. vv v

vv v

[S] [S]00 [S]0

(a) (a) Transpor Transpor oleh oleh Carrier Carrier (a) Transpor oleh Carrier

[S] [S]00 [S]0

(b) (b) Difusi Difusi sederhana sederhana (b) Difusi sederhana

Gambar Gambar 4-13 4-13 Ketergantungan Ketergantungan kecepatan kecepatan transport transport pada pada konsentrasi konsentrasi zat zat terlarut. terlarut. Gambar 4-13 Ketergantungan kecepatan transport pada konsentrasi Gambar 4-13 Ketergantungan kecepatan transport pada konsentrasi zat terlarut.

zat terlarut

Persamaan matematik bisa diturunkan untuk menjelaskan kurva yang Persamaan matematik bisa bisa diturunkan untukuntuk menjelaskan kurvakurva yang Persamaan matematik diturunkan menjelaskan Persamaan matematik bisa diturunkan untuk menjelaskan kurva yang ditunjukkan dalam Kurva dalam Gambar 4-13-a digambarkan yang ditunjukkan dalam 4-13. Gambar 4-13. Kurva dalam Gambar 4-13-a ditunjukkan dalam Gambar Gambar 4-13. Kurva dalam Gambar 4-13-a digambarkan ditunjukkan dalam Gambar 4-13. Kurva dalam Gambar 4-13-a digambarkan digambarkan persamaan untuk hiperbola persegi. oleh persamaan untuk hiperbola oleh persamaanoleh untuk hiperbola persegi. persegi. oleh persamaan untuk hiperbola persegi.

VVmaks [S] maks [S]00 vv V tetapan [S] 0 a [S]00 maks tetapan a v [S] [S] 0 tetapan a Persamaan grafik dalam Gambar 6-11-b adalah Persamaanuntuk untuk grafik dalam Gambar 6-11-b Persamaan untuk grafik dalam Gambar 6-11-b adalahadalah Persamaan untuk grafik dalam Gambar 6-11-b adalah tetapan tetapanaa [S] vv tetapan [S]0 ll a [S] 0 v 0 l dengan Dalam dengan ll adalah adalah ketebalan ketebalan membran. membran. Dalam penurunan penurunan persamaanpersamaandengan l adalah ketebalan membran. Dalam penurunan persamaandengan l adalah ketebalan membran. Dalam persamaanpersamaan ini tidak pada salah membran persamaan ini dianggap dianggap tidak ada ada zat zat terlarut terlarut padapenurunan salah satu satu sisi sisi membran persamaan ini dianggap tidak ada zat terlarut pada salah satu sisi membran persamaan ini dianggap tidakpada ada sisi zatlainnya. terlarut pada salah satu sisi ketika konsentrasi [S] ketika konsentrasi [S]oo dimasukkan dimasukkan pada sisi lainnya. ketika konsentrasi [S] pada sisi lainnya.pada sisi lainnya. o dimasukkan membran ketika konsentrasi [S]o dimasukkan Bila Bila seandainya seandainya transpor transpor carrier carrier serta serta difusi difusi sederhana sederhana muncul muncul secara secara Bila seandainya transpor carrier serta difusi sederhana muncul secara serempak serempak dalam dalam suatu suatu eksperimen eksperimen mengenai mengenai transpor, transpor, maka maka plot plot vv terhadap terhadap serempak dalam suatu eksperimen mengenai transpor, maka plot v terhadap [S] [S]oo tidak tidak akan akan menunjukkan menunjukkan kejenuhan kejenuhan kecuali kecuali jika jika difusi difusi sederhana sederhana dianggap dianggap [S]o tidak akan menunjukkan kejenuhan kecuali jika difusi sederhana dianggap sepele sepele dibandingkan dibandingkan transpor transpor carrier carrier (Gambar (Gambar 4-14). 4-14). Akan Akan tetapi tetapi seringkali seringkali tak tak

Bab 4 Lipid, Membran, Transpor, dan Pensinyalan

195

Bila seandainya transpor carrier serta difusi sederhana muncul secara serempak dalam suatu eksperimen mengenai transpor, maka plot v terhadap [S]o tidak akan menunjukkan kejenuhan kecuali jika difusi sederhana dianggap sepele dibandingkan transpor carrier (Gambar 4Lipid, Membran, Transpor, dan Pensi 14). Akan tetapi seringkali tak mungkin untuk menentukan v pada [S]o tinggi; yakni zat terlarut mungkin kelarutannya tidak cukup besar untuk dapat mencapai [S]o tinggi. Proses campuran pada pergerakan didemonstrasikan menggunakan plot timbal balikmenggunakan ganda (double-recip zat terlarut melintasi membran bisa didemonstrasikan Lipid, Membran, Transpor, dan Pensinyalan plot). plot timbal balik ganda (double-reciprocal plot). didemonstrasikan menggunakan plot timbal balik ganda (double-reciprocal

v

plot). v

[S]0

[S]0

Gambar 4-14 Plot v terhadap [S]o tidak akan menunjukkan kejenuhan

Gambar 4-14 Plot vv terhadap [S] tidak tidak akan menunjukkan kejenuhan o [S] kecuali jika difusi sederhana dianggap sepele dibandingkan transpor Gambar 4-14 Plot terhadap akan menunjukkan kejenuhan o kecuali jika difusi sederhana dianggap sepele dibandingkan kecuali jika difusicarrier sederhana dianggap sepele dibandingkan transpor carrier

transpor carrier DariDari persamaan untuk Gambar 4-13,4-13, diperoleh persamaan berikut: persamaan untuk Gambar diperoleh persamaan berikut:

Dari persamaan untuk Gambar 4-13, diperoleh persamaan berikut: 1 v

1

V

tetapan a 1 Vmaks [S] 0

dan

1 v

l 1 tetapan a [S] 0

maks 1 1 tetapan a 1 1 l 1 dan Plot 1/v terhadap untuk kedua di atas berupa garis alurus v terhadap Vmaks1/[S]o1/[S]o Vmaks untuk [S]persamaan tetapan [S] 0 0 Plot 1/v kedua persamaan vdi atas berupa

(Gambar 4-15-a). Untuk difusi sederhana dan transpor memakai carrier yang garis lurus (Gambar 4-15-a). Untuk difusi sederhana dan transpor

Plot berlangsung 1/v terhadap untuk kedua persamaan di atas berupa memakai carrier1/[S] yang serempak, plot timbal balik ganda serempak, plot timbal balik ganda diperlihatkan dalam Gambar 4- garis o berlangsung diperlihatkan dalam Gambar 4-15-b.

15-b. 4-15-a). Untuk difusi sederhana dan transpor memakai carrier (Gambar 1/v

1/v

berlangsung serempak, plot timbal balik ganda diperlihatkan dalam Gamb

Plot 1/v terhadap 1/[S]o untuk kedua persamaan di atas berupa garis lurus (Gambar 4-15-a). Untuk difusi sederhana dan transpor memakai carrier yang 196 Biokimia: Struktur dan Fungsi berlangsung serempak, plot timbal balik ganda diperlihatkan dalamBiomolekul Gambar 4-

15-b. 1/v

1/v

Difusi sederhana

Transpor oleh carrier

1/[S]0

(a)

1/[S]0

(b)

Gambar 4-151/v Plot 1/v terhadap 1/[S]okedua untukpersamaan kedua persamaan di atas garis Gambar 4-15 Plot terhadap 1/[S]o untuk di atas berupa a). Untuk sederhana dan transpor berupa lurus garis (Gambar lurus (Gambar a).difusi Untuk difusi sederhana danmemakai transpor carrier yang berlangsung serempak, serempak, plot timbal balik ganda diperlihatkan memakai carrier yang berlangsung plot timbal balik ganda dalam (Gambar b). diperlihatkan dalam (Gambar b).

metode alternatif Biokimia: Suatu Struktur dan Fungsi Biomolekul

untuk membedakan antara difusi 186 sederhana dengan transpor memakai carrier dapat digunakan bila zat terlarut mengandung atom kiral. Difusi sederhana akan terjadi untuk kedua enansiomer dengan laju yang sama, sedangkan transpor memakai carrier tak terpengaruh oleh stereospesifik, yakni carrier hanya akan mengenali salah satu enansiomer. Bila terdapat D-glukosa dan L-glukosa, carrier dalam membran sel akan mengenali (mengikat) D-glukosa. Hal ini dikarenakan isomer tersebut terdapat secara alami, sedangkan Isomer lainnya tidak. Total difusi sederhana akan berhenti ketika konsentrasi zat terlarut pada kedua sisi membran adalah sama. Dalam sebagian sistem transpor memakai carrier ditemukan bahwa total transpor berhenti ketika konsentrasi zat terlarut adalah sama pada kedua sisi membran (sama seperti dalam difusi sederhana). Sedangkan dalam sebagian sistem transpor carrier lainnya, zat terlarut terus menerus ditranspor bahkan setelah konsentrasi zat terlarut pada kedua sisi telah sama.

memakai carrier ditemukan bahwa total transpor berhenti ketika konsentrasi zat terlarut adalah sama pada kedua sisi membran (sama seperti dalam difusi sederhana). Sedangkan dalam sebagian sistem transpor carrier lainnya, zat Bab 4 Lipid, Membran, Transpor, dan Pensinyalan 197 terlarut terus menerus ditranspor bahkan setelah konsentrasi zat terlarut pada kedua sisi telah sama. Terdapat transporcarrier: carrier: (1)(1) difusiterfasilitasi, terfasilitasi, yang yang Terdapat dua dua tipetipe transpor difusi memungkinkan konsentrasi zatzat terlarut sama pada kedua sisi membran ; dan memungkinkan konsentrasi terlarut sama pada kedua sisi membran; (2)(2) transpor aktif,aktif, yang yang memungkinkan zat terlarut bergerak , atau dan transpor memungkinkan zatuntuk terlarut untuknaik bergerak naik , atau berlawanan dengan gradien konsentrasi. berlawanan, dengan gradien konsentrasi. Gambar menunjukkan cara zat terlarut bergerak melintasi Gambar 4-16 4-16 menunjukkan cara zat terlarut bergerak melintasi membran. [S] membran. [S] dan [s] menggambarkan konsentrasi zat terlarut yang tinggi dan [s] menggambarkan konsentrasi zat terlarut yang tinggi dan rendah. dan rendah. Difusi sederhana

[S]

Transport aktif

Difusi terfasilitasi

[s]

[S]

[s]

Carrier

[s]

Carrier

[S]

Gambar 4-16 Cara zat zat terlarut terlarut bergerak dan [s] [s] Gambar 4-16 Cara bergerak melintasi melintasimembran. membran. [S] [S] dan menggambarkan konsentrasi zat terlarut yang tinggi dan rendah menggambarkan konsentrasi zat terlarut yang tinggi dan rendah Membran, Transpor, dan Pensinyalan Difusi sederhana dan difusi terfasilitasi Lipid, merupakan proses yang berlangsung

Difusi sederhana dan difusi terfasilitasi merupakan proses yang

secara spontan. terlarut akan gradien konsentrasi berlangsung secaraZatspontan. Zat bergerak terlarut menuruni akan bergerak menuruni

(yakni, [S] [s])inisampai kesetimbangan dicapai. Perubahan energi bebas (gradien G) untukkonsentrasi proses adalah negatif karena zat terlarut akan terdistribusi lebih (yakni, [S]  [s]) sampai kesetimbangan dicapai.

Perubahan energi bebas (DG) untuk energi prosesyang ini adalah negatif teracak. Karena itu tidak ada pemasukan diperlukan untukkarena proses zat terlarut tersebut.

akan terdistribusi lebih teracak. Karena itu tidak ada pemasukan energi untuk proses tersebut. Biokimia: Struktur dan yang Fungsidiperlukan Biomolekul 187 G

2,3 RT log

[s] [S]

Pada kesetimbangan, [s] = [S] dan G adalah nol.

Pada kesetimbangan, [s] = [S] dan DG adalah nol. Dalam transpor aktif, zat terlarut terkonsentrasi pada salah satu Dalam transpor aktif, zat berlangsung terlarut terkonsentrasi salah sisi sisi membran. Proses ini tidak spontan pada karena DGsatu adalah positif danProses suatuinibentuk energi harus disediakan menjalankan G adalah positif dan membran. tidak berlangsung spontan karena untuk reaksibentuk transpor tersebut.untuk Karena itulah reaksi prosestranspor ini disebut suatu energi carrier harus disediakan menjalankan carrier transpor aktif. tersebut. Karena itulah proses ini disebut transpor aktif. Kemampuan untuk mengkonsentrasikan zat terlarut tertentu Kemampuan untuk mengkonsentrasikan zat terlarut tertentu oleh oleh transpor aktif memiliki batasan. Jika konsentrasi zat terlarut naik transpor memiliki batasan. Jika konsentrasi zat terlarut maka naik sampai tingkat sampai aktif tingkat tinggi pada salah satu sisi membran, zat terlarut tinggi pada salah satu sisi membran, maka zat terlarut akan kembali ke sisi lain dengan cara difusi sederhana. Semakin tinggi perbedaan konsentrasi antar membran maka semakin besar laju difusi sederhana tersebut. Kenyataannya,

dengan cara difusi sederhana. Semakin tinggi perbedaan konsentrasi antar membran maka semakin besar laju difusi sederhana tersebut. Kenyataannya, 198 Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul rasio konsentrasi yang lebih besar daripada beberapa ratus banding satu jarang

terjadi, dan rasio tersebut biasanya jauh lebih kecil.

akan kembali ke sisi lain dengan cara difusi sederhana. Semakin tinggi perbedaan konsentrasi antar membran maka semakin besar laju difusi tersebutsederhana mengandung carrier untuk memudahkan difusi.besarDengan tersebut.suatu Kenyataannya, rasio konsentrasi yang lebih daripada ratusdan banding jarang terjadi, dan rasio tersebut demikian, difusi beberapa sederhana difusi satu terfsilitasi berjalan dua arah, sedangkan biasanya jauh lebih kecil. transpor aktif Zatberjalan terlarutsearah. juga akan berdifusi kembali melintasi membran bila membran tersebut mengandung suatu carrier untuk jenis-jenis memudahkan Pergerakan zat terlarut yang terionisasi melintasi membran difusi. Dengan demikian, difusi sederhana dan difusi terfsilitasi berjalan tertentu tidak selalu menaikkan konsentrasi ion hingga sama pada kedua sisi dua arah, sedangkan transpor aktif berjalan searah. membran meskipun hanya terjadi difusi sederhana, difusi terfasilitasi, Pergerakan zat terlarut yang terionisasi melintasi jenis-jenis membran atau tertentu tidak selaluperbedaan menaikkan konsentrasi hingga sama pada kedua keduanya. Jika suatu potensial ion listrik terdapat antar membran, sisi membran meskipun hanya terjadi difusi sederhana, difusi terfasilitasi, maka zat yang akan terdistribusi tidak samaantar rata pada atauterlarut keduanya. Jikaterionisasi suatu perbedaan potensial listrik terdapat membran,(Gambar maka zat terlarut akantergantung terdistribusipada tidak sama kesetimbangan 4-17). yang G terionisasi tidak hanya konsentrasi rata pada kesetimbangan (Gambar 4-17). DG tidak hanya tergantung zat terlarut, tetapi juga pada perbedaan potensial antar membran. pada konsentrasi zat terlarut, tetapi juga pada perbedaan potensial DY antar membran. Zat terlarut juga akan berdifusi kembali melintasi membran bila membran

G

2,3 RT log

[s ] Membran, Transpor, dan Pensinyalan Lipid, [S ]

ZF

dengan adalahmuatan muatan zat terlarut, dan tetapan F adalah tetapan denganZ Z adalah totaltotal padapada zat terlarut, dan F adalah Faraday. Faraday. Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

[S+]

+

188

[s+]

+

Gambar 4-17 [S ] dan [s ] = konsentrasi kesetimbangan. Terlihat bahwa Gambar 4-17terdapat [S+] dan [s+] = konsentrasi kesetimbangan. Terlihat lebih banyak muatan negatif daripada positif pada bahwa terdapat lebih banyak muatan negatif daripada positif pada membran. membran.

Agar transpor aktif dapat terjadi, energi harus disediakan.

Dalam

transpor aktif primer, energi disediakan oleh hidrolisis ATP atau oleh pemanfaatan elektron yang menuruni suatu rantai transpor-elektron.

Dalam

Bab 4 Lipid, Membran, Transpor, dan Pensinyalan

199

Agar transpor aktif dapat terjadi, energi harus disediakan. Dalam transpor aktif primer, energi disediakan oleh hidrolisis ATP atau oleh pemanfaatan elektron yang menuruni suatu rantai transpor-elektron. Dalam transpor aktif sekunder, energi disediakan oleh ion yang menuruni gradien konsentrasi yang digabungkan dengan pergerakan zat terlarut melawan gradien konsentrasinya. Gradien ion disediakan oleh transpor aktif primer. Suatu tipe khusus dari transpor aktif yakni translokasi gugus. Dalam translokasi gugus, zat yang ditranspor dimodifikasi secara kimia pada saat melintasi membran, misalnya dengan menerima suatu gugus kimia. Energi dihabiskan ketika gugus kimia ditransfer, sebagai hasil pemecahan senyawa berenergi tinggi. Gambar 4-18 menunjukkan ketiga tipe transpor aktif. Sumber energi diasumsikan dari ATP. Simbol [s], [i+] dan [S]. [I+] menggambarkan konsentrasi zat terlarut dan ion yang rendah dan tinggi. AX adalah senyawa tempat asalLipid, gugus kimia X (misalnya fosfat) Membran, Transpor, dan Pensinyalan yang ditransfer kepada zat terlarut untuk membentuk SX. Aktif sekunder

Aktif primer

ATP [s]

Kelompok translokasi

[s]

[S]

[I+]

[i+]

[S]

ATP

ADP + Pi

[I+]

AX [s]

[SX] A

[i+] ADP + Pi

Gambar 6-18

Tipe-tipe transpor aktif

Gambar 6-18 Tipe-tipe transpor aktif Beberapa contoh sistem carrier diberikan dalam Tabel 4-4. Tabel 4-4

Sistem Transpor Carrier

Zat Terlarut

Tipe Transpor

Lokasi

Glukosa ATP keluar––ADP masuk H+

Difusi terfasilitasi Difusi terfasilitasi Aktif primer (menggunakan ATP) Aktif primer

Kebanyakan sel hewan Mitokondria Epitelia perut

Na+ keluar––K+ masuk

Sel hewan

200

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

Beberapa contoh sistem carrier diberikan dalam Tabel 4-4. Tabel 4-4 Sistem Transpor Carrier Zat Terlarut

Tipe Transpor

Lokasi

Glukosa

Difusi terfasilitasi

Kebanyakan sel hewan

ATP keluar––ADP masuk

Difusi terfasilitasi

Mitokondria

H+

Aktif primer (menggunakan ATP)

Epitelia perut

Na+ keluar––K+ masuk

Aktif primer (menggunakan ATP)

Sel hewan

Glukosa

Aktif sekunder (Na+ kotranspor)

Sebagian sel hewan

Glukosa

Translokasi gugus

Banyak bakteri

14. MEKANISME MOLEKUL TRANSPOR LINTAS MEMBRAN Protein yang terlibat dalam transpor suatu zat terlarut tertentu melintasi membran harus memiliki dua sifat: (1) kemampuan untuk mengikat zat terlarut; dan (2) kemampuan untuk menjalankan proses vektorial, yakni suatu proses terarah yang mengantarkan zat terlarut dari satu sisi membran ke sisi lainnya. Proses vektorial dapat terjadi bila: 1. Protein transpor bisa berperan sebagai carrier yang dapat bergerak. Misalnya protein transmembran yang besar dapat berotasi seperti dalam Gambar 4-19-a, atau protein kecil bisa menyilang membran seperti dalam Gambar 4-19-b. 2. Protein transpor bisa membentuk pori-pori atau saluran seperti dalam Gambar 4-19-c.

Lipid, Membran, Transpor, dan Pensinyalan

Protein transpor bisa membentuk pori-pori atau saluran seperti dalam Bab 4 2.Lipid, Membran, Transpor, dan Pensinyalan 201 Gambar 4-19-c.

S

S

S S

S

(a)

(b)

(c)

Gambar 4-19 Protein transpor bisa berperan sebagai carrier yang dapat Gambar 4-19 Protein transpor bisa berperan sebagai carrier yang dapat bergerak, bergerak, misalnyamisalnya protein transmembran besar dapat berotasi (gambar a), protein protein transmembran besar dapat berotasi (gambar a), protein kecil (Gambar bisa menyilang membran (Gambar bisa b), membentuk dan protein kecil bisa menyilang membran b), dan protein transpor transpor bisa membentuk pori-pori atau saluran (Gambar c). pori-pori atau saluran (Gambar c). Terdapat kesulitan padakedua kedua konsep konsep proses proses vektorial vektorial didiatas. Terdapat kesulitan pada atas. Pergerakan segmen segmen polar suatu molekul melalui bagian nonpolar padanonpolar bilayer Pergerakan polar suatu molekul melalui bagian lipid bilayer merupakan peristiwa yang jarang terjadi, sehingga konsepterjadi, carrier bergerak pada lipid merupakan peristiwa yang jarang sehingga konsep carriermenurut bergerak tidak disukai termodinamika. tidak disukai termodinamika. Adanyamenurut saluran nonspesifik dalam Adanya saluran nonspesifik dalam beberapa membran telah beberapa membran telah terbukti. Namun konsep pori-pori hanya bisa terbukti. diterima Namun konsep pori-pori hanya bisayang diterima bila pori-pori tersebut gerbang memungkinkan protein transpor bila pori-pori tersebut memiliki memiliki gerbang transpor menjadi menjadi spesifik sertayang untukmemungkinkan memungkinkan zat protein terlarut bergerak dalam arah spesifik serta untuk memungkinkan zatKonsep terlarut bergerak dalam arah yang diinginkan oleh tipe transpor tertentu. pori-pori bisa dimodifikasi yang diinginkan oleh tipe transpor tertentu. Konsep pori-pori bisa dengan mengusulkan bahwa protein transpor adalah suatu protein oligomer dimodifikasi dengan mengusulkan bahwa protein transpor adalah yang ruang di antara subunitnya membentuk suatu saluran berisi air yang suatu protein oligomer yang ruang di antara subunitnya membentuk ditutup oleh kontak subunit-subunit tersebut (Gambar 4-20). Pengikatan zat suatu saluran berisi air yang ditutup oleh kontak subunit-subunit terlarut pada protein memicu perubahan konformasi yang mengubah posisi tersebut (Gambar 4-20). Pengikatan zat terlarut pada protein memicu relatif subunit tersebut sehingga membuka saluran. Yang terjadi adalah difusi perubahan konformasi yang mengubah posisi relatif subunit tersebut terfasilitasi. Jika energi metabolik dihabiskan untuk membuat perubahan sehingga membuka saluran. Yang terjadi adalah difusi terfasilitasi. Jika konformasi (bukandihabiskan dengan hanya mengikat zat terlarut), maka yang terjadi energi metabolik untuk membuat perubahan konformasi adalahdengan transpor hanya aktif. Sejauh ini, penelitian terhadap struktur transpor (bukan mengikat zat terlarut), maka yangsistem terjadi adalah transpor aktif. Sejauh ini, penelitian terhadap struktur sistem transpor telah mendukung konsep pori-pori untuk kasus saluran ion, serta mendukung hipotesis carrier bergerak untuk kasus transpor ATPase Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul 191 tertentu.

telah mendukung konsep pori-pori untuk kasus saluran ion, serta mendukung 202

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

hipotesis carrier bergerak untuk kasus transpor ATPase tertentu.

S S

Gambar 4-20 4-20 Perubahan konformasi dalam suatu pori-pori protein sebagai tempat Gambar Perubahan konformasi dalam suatu pori-pori protein transpor zat terlarut.

sebagai tempat transpor zat terlarut.

Sistem

buatan

yang

memungkinkan

terjadinya

transpor

kation

telah

Sistem buatan yang memungkinkan terjadinya transpor kation dimasukkan ke dalam ke membran serta ke dalam vesicle buatan.vesicle Sistem telah dimasukkan dalam alami membran alami serta ke dalam ionofor , yang terdiri ionofor, atas duayang tipe yakni buatan ini dikenal buatan. Sistem sebagai buatan ini dikenal sebagai terdirigramisidin atas dua A tipe yakni gramisidin A dan valinomisin. dan valinomisin . 1.1. Gramisidin GramisidinAAadalah adalahantibiotik antibiotik yang disusun 15 asam amino: yang disusun oleholeh 15 asam amino: CHO––NH––L-Val––Gly––L-Ala––D-Leu––L-Ala––D-Val––LCHO––NH––L-Val––Gly––L-Ala––D-Leu––L-Ala––D-Val––L-Val–– Val–– D-Val––L-Trp––D-Leu––L-Trp––D-Leu––L-Trp––D-Leu––L-Trp–– CONH(CH D-Val––L-Trp––D-Leu––L-Trp––D-Leu––L-Trp––D-Leu––L2)OH Trp––CONH(CH2)OH

Karena sifat hidrofobnya, gramisidin A menembus bilayer lipid, yakni dua



molekul membentuk dimer gramisidin head-to-tailAyang dapat membelit untuk Karena sifat hidrofobnya, menembus bilayer lipid,

membentuk heliks berongga dengandimer enam putaran dan panjang total 3 yakni dua molekul membentuk head-to-tail yang dapat nm di sekitar jarakmembentuk lintas daerahheliks hidrofob bilayer dengan lipid. Heliks membelit untuk berongga enamini

putaran dan panjang total 3 nm di sekitarantara jarakikatan-ikatan lintas daerahpeptida hidistabilkan oleh ikatan hidrogen intramolekul drofobrantai bilayerpolipeptidanya. lipid. Heliks ini distabilkan ikatan hidrogen dalam Rantai samping oleh hidrofob berada di luar

intramolekul antara ikatan-ikatan peptida dalam rantai polipeptidanya. Rantai samping hidrofob berada di luar heliks, meningdapat dilewati kation. Ionofor tipe ini adalah nonspesifik, dan kation tidak galkan saluran air hidrofil turun melalui pusat heliks yang dapat mengikat gramisidin A dengan kuat. dilewati kation. Ionofor tipe ini adalah nonspesifik, dan kation 2. Valinomisin adalah suatu ionofor tetapi kuat. memiliki sifat yang berbeda dari tidak mengikat gramisidin A dengan K+ secara spesifik A, adalah yakni: suatu (a) mentranspor 2. gramisidin Valinomisin ionofor tetapi memiliki sifat(tidak yang berlaku ber+ untuk ion-ion lainnya)A,ketika ke dalam membran atau beda dari gramisidin yakni:dimasukkan (a) mentranspor K secara spesifik (tidak berlaku untuk ion-ion lainnya)K+ketika dimasukkan ke dalam vesicle; (b) hanya dapat mentranspor pada suhu di atas suhu transisi + membran atau sedangkan vesicle; (b)kation hanyayang dapat mentranspor K pada suhu fasa membran, ditranspor oleh gramisidin A tidak heliks, meninggalkan saluran air hidrofil turun melalui pusat heliks yang

terpengaruh oleh suhu.

Valinomisin mentranspor K+ secara spesifik, karena itu valinomisin pasti mengikat ion tersebut dan dan bukannya Bab 4 Lipid, Membran, Transpor, Pensinyalanmenyediakan suatu saluran 203 seperti gramisidin.

Transpor hanya dapat terjadi ketika membran berwujud cair.

di atas suhu transisi fasa membran, sedangkan kation yang di- bahwa Karena valinomisin merupakan molekul kecil, maka hal ini menandakan transpor oleh gramisidin A tidak terpengaruh oleh suhu. Valinomisin mempunyai struktur spesifik menyerupai suatu rantai sebagai carrier bergerak. Rantai samping hidrokarbon padatetapi struktur peptida yang mengandung 12 residu asam amino, padasikliknya bisa digambarkan luar struktur tersebut, sehingga kompatibel dengan dasarnyadiadalah suatu struktur empat-unit yang diulangi tiga kali: bagian

kompleks valinomisin-K+ pasti bergerak melalui membran, yakni berperan

hidrokarbon pada bilayer lipid. Bagian dalam mengandung 12 gugus karbonil ––NH––(L-Val––D-HyV––D-Val––L-Lac)3CO–– pada ikatan ester dan ikatan amida, enam di antaranya penempatan dengan D-HyV adalah D-hidroksiisovalerat dan mengatur L-Lac adalah L-

laktat.diStruktur ini distabilkan oleh urutan amida dan ikatan ester. pusat struktur (Gambar 4-21). K+ dalam ruang

O

N O

C

N

C

O O O

C

N

C

C

C

O

O

K+ O

C

C

O

O

O

O

O

O

C N O

C

O O C

N

C

O

N

Gambar 4-21 Pengikatan K++ oleh Valinomisin

Gambar 4-21

Pengikatan K oleh Valinomisin

Valinomisin mentranspor K+ secara spesifik, karena itu valinomisin pasti mengikat ion tersebut dan bukannya menyediakan suatu saluran seperti gramisidin. Transpor hanya dapat terjadi ketika membran berwujud cair. Karena valinomisin merupakan molekul kecil, maka hal ini menandakan bahwa kompleks valinomisin-K+ pasti bergerak melalui membran, yakni berperan sebagai carrier bergerak. Rantai samping hidrokarbon pada struktur sikliknya bisa digambarkan di luar struktur Biokimia:tersebut, Struktur sehingga dan Fungsi Biomolekuldengan bagian hidrokarbon pada bilayer kompatibel lipid. Bagian dalam mengandung 12 gugus karbonil pada ikatan ester

193

204

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

dan ikatan amida, enam di antaranya mengatur penempatan K+ dalam ruang di pusat struktur (Gambar 4-21).

15. PENSINYALAN Membran plasma merupakan penghalang penting antara cairan intrasel dan cairan ekstrasel. Mekanisme pensinyalan telah dikembangkan sedemikian rupa sehingga sel bisa merespon pesan-pesan kimia yang berasal dari terminal syaraf (transmisi neurocrine), kelenjar endokrin (transmisi endocrine), atau sel tetangga (transmisi paracrine). Terdapat dua bentuk dasar pensinyalan: 1. Pembawa pesan kimia amfifilik berdifusi melewati membran plasma. Di dalam sel, molekul pembawa pesan berinteraksi dengan reseptor tertentu (pengikat protein). Dalam keadaan terikat ligan, reseptor-reseptor ini mengatur transkripsi mRNA spesifik dan dengan demikian mengendalikan ekspresi enzim kunci, reseptor, atau transporter. 2. Pembawa pesan kimia tidak dapat melewati membran plasma karena rendahnya kelarutan lipid. Pembawa pesan mengikat reseptor membran plasma tertentu (protein membran integral). Dalam keadaan terikat ligan, reseptor mengaktivasi salah satu dari (1) suatu saluran ion intrinsik (reseptor ionotropik), atau (2) urutan tertentu pada enzim (reseptor metabotropik). Tabel 4.5 menunjukkan contoh-contoh reseptor membran plasma. Reseptor inti terutama bertanggung jawab atas pengaruh fisiologis hormon steroid seperti kortisol, hormon tiroid, atau vitamin A. Reseptor ini merupakan protein yang memiliki struktur dasar umum terdiri atas suatu domain pengikat ligan dan domain pengikat DNA (terdiri atas motif jari seng). Reseptor ini bekerja sebagai faktor transkripsi responsif-ligan.

Bab 4 Lipid, Membran, Transpor, dan Pensinyalan

205

Tabel 4-5 Membran Plasma Tabel 4-5 Reseptor Reseptor Membran Plasma Tipe Reseptor Saluran ion gerbang-ligan

Reseptor gabungan Gprotein (suatu protein pengikat GTP berikatan dengan reseptor untuk aktivasi enzim intrasel)

Reseptor faktor pertumbuhan (Reseptor ini terbagi ke dalam dua kelompok utama: 1 reseptor tirosin kinase dan reseptor yang bergabung dengan tirosin kinase 2 sitoplasma )

Contoh-contoh

Ligan Alami

Nikotinat + 2+ (saluran Na , Ca ) GABA (A) (saluran Cl ) Asam amino eksitator + 2+ (saluran Na , Ca ) Reseptor nukleotida purin P2X + 2+ (saluran Na , Ca ) Reseptor muskarinik (lima subtipe)

Asetilkolin

Reseptor adrenergat (tiga subtipe 1; tiga subtipe 2; tiga subtipe )

Epinefrin, norepinefrin

Reseptor angiotensin

Angiotensin II

Reseptor leukotrien B4

Leukotrien B4

Reseptor nukleotida purin P2U

ATP, UTP

-Aminobutirat Glutamat ATP Asetilkolin

1

Insulin

Insulin

1

Faktor pertumbuhan epidermal (epidermal growth factor, EGF) 2 Interferon (INF) (beberapa subtipe) 2 Hormon pertumbuhan

EGF INF Hormon pertumbuhan

Fungsi Aktivasi sambungan neuromuskular Inhibisi transmisi syaraf di otak Aktivasi transmisi syaraf di otak Aktivasi transmisi syaraf di otak Memperlambat detak jantung; melepaskan enzim pencernaan pankreatik Meningkatkan tekanan darah ( 1); mempercepat detak jantung ( 1); mempercepat aliran udara keluar masuk paru-paru ( 2) Meningkatkan tekanan darah (dengan konstriksi arteri kecil Neutrofil; memicu pembunuhan bakteri intrasel Relaksasi bergantungendotelia pada otot halus vaskuler Menurunkan glukosa darah; memicu penyimpanan glukosa seperti glikogen dalam hati maupun otot skeletal dan seperti lemak dalam sel lemak Memicu diferensiasi sel dalam usus Memicu diferensiasi dan perkembangbiakan limfosit Memicu pertumbuhan berbagai jaringan

Reseptor glukokortikoid adalah protein inti yang memiliki tiga domain fungsional yang penting, yakni: domain pada ujung C yang mengikat hormon steroid (ligan), domain pengikat DNA yang disusun oleh dua motif jari seng, dan domain ujung-N yang terlibat dalam regulasi transkripsi gen (Gambar 4-22).

Reseptor glukokortikoid adalah protein inti yang memiliki tiga domain fungsional yang penting, yakni: domain pada ujung C yang mengikat hormon steroid (ligan), domain pengikat DNA yang disusun oleh dua motif jari seng, dan 206

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

domain ujung-N yang terlibat dalam regulasi transkripsi gen (Gambar 4-22). Pengikatan DNA N

C

Regulasi transkripsi

Pengikatan ligan

Gambar 4-22 Struktur reseptor Glucocorticoid Gambar 4-22 Struktur reseptor Glucocorticoid Pada reseptor ionotropik ion gerbang-ligan), gerbang-ligan),pembawa pembawa Pada reseptor ionotropik (saluran (saluran ion pesan pesan kimia mengubah keadaan konformasi suatu protein membran kimia mengubah keadaan konformasi suatu protein membran integral yang integral yang bekerja sebagai suatu saluran untuk pergerakan ionbekerja sebagai membran suatu saluran untuk (misalnya pergerakan Na ion-ion + ion melewati plasma , K+melewati , Ca2+, membran Cl-). Ca2+, Clglutamat, ). Neurotransmiter seperti plasma (misalnya eksitator Na+, K+, seperti Neurotransmiter asetilkolin, eksitator serta ATP Lipid, Membran, Transpor, dan Pensinyalan mengaktivasi saluran ionATP gerbang-ligan memicu pemasukanyang glutamat, asetilkolin, serta mengaktivasiyang saluran ion gerbang-ligan + 2+ ion-ion Na dan Ca2+ untuk neuron. memicu pemasukan ion-ion mendepolarisasi Na+ dan Ca(mengaktivasi) untuk mendepolarisasi umum dalam bentuk yang disebut “roda heliks” (helical (GABA) wheel), yang Sebaliknya, neurotransmiter inhibitor g-aminobutirat memicu (mengaktivasi) neuron. Sebaliknya, neurotransmiter inhibitor -aminobutirat ditunjukkan oleh Gambar 4-23-b. pemasukan ion Cl- yang menghiperpolarisasi (mendeaktivasi) neuron. (GABA) memicu pemasukan ion Cl yang menghiperpolarisasi (mendeaktivasi) neuron. N Reseptor reseptor

faktor

Ruang metabotropikekstraseluler (reseptor Membran

pertumbuhan)

VII

VII

yang bergabung dengan G-protein,

merespon

I

NH3+ OH + COO OH NH3 HO

berbagai

V

macam

penggerak

IV (pengaktivasi) termasuk peptida pendek, protein, nukleotida, II amina biogenik,

Sitoplasma

III lipid, dan bahkan foton dari cahaya. Reseptor ini merupakan subunit tunggal

protein membran integralCyang mempunyai struktur domain tujuh-transmembran (a)

(b)

Gambar Kajian skematis dari reseptor-reseptor yang bergabung Gambar 4-234-23 Kajian skematis dari reseptor-reseptor yang bergabung dengan protein G. (a) Kajian bagian yang berseberangan pada suatu reseptor dengan protein G.terikat (a) pada Kajian bagian yang berseberangan pada suatu protein G yang menunjukkan ujung N pada ruang Biokimia: Struktur yang dan Fungsi Biomolekul reseptor yang terikat pada protein G yangdan menunjukkan ujung N ekstraseluler, 7 domain transmembran ujung C pada sitoplasma. (b) Suatu kajian domain transmembran dari reseptor yang terikat pada ruang ekstraseluler, domain transmembran dansamping ujung asam C pada pada protein G 7 yang menunjukkan bagaimana rantai dapat membentuk suatu sisi pengikatan ligan tepat.yang sitoplasma. (b)amino Suatu kajian domain transmembran dari yang reseptor Dalam contoh ini sisi pengikat ligan yang ditunjukkan terbentuk oleh terikat pada protein G yang menunjukkan bagaimana rantai gugus samping suatu rantai samping gugus karboksilat, 2 rantai samping amino dan 3 rantai samping gugus hidroksil. asam amino dapat membentuk suatu sisi pengikatan ligan yang tepat. Dalam contoh ini sisi pengikat ligan yang ditunjukkan terbentuk oleh Sisi pengikat pada 2 permukaan membrangugus atau amino di suatu rantai sampingligan gugusdibentuk karboksilat, rantai samping dekatnya oleh rantai asam amino yang berproyeksi ke dalam rongga dansamping 3 rantai samping gugus hidroksil. tengah yang dibentuk oleh domain transmembran (Gambar 4-23-b). Dalam

keadaan terikat ligan, reseptor ini mengaktivasi protein pengikat nukleotida guanin sitosolat (yakni G-protein).

G-protein ini kemudian akan meregulasi

196

Bab 4 Lipid, Membran, Transpor, dan Pensinyalan

207

Reseptor metabotropik (reseptor yang bergabung dengan G-protein, reseptor faktor pertumbuhan) merespon berbagai macam penggerak (pengaktivasi) termasuk peptida pendek, protein, amina biogenik, nukleotida, lipid, dan bahkan foton dari cahaya. Reseptor ini merupakan subunit tunggal protein membran integral yang mempunyai struktur domain tujuh-transmembran umum dalam bentuk yang disebut “roda heliks” (helical wheel), yang ditunjukkan oleh Gambar 4-23-b. Sisi pengikat ligan dibentuk pada permukaan membran atau di dekatnya oleh rantai samping asam amino yang berproyeksi ke dalam rongga tengah yang dibentuk oleh domain transmembran (Gambar 423-b). Dalam keadaan terikat ligan, reseptor ini mengaktivasi protein pengikat nukleotida guanin sitosolat (yakni G-protein). G-protein ini kemudian akan meregulasi aktivitas satu atau lebih enzim kunci. Gprotein terdiri atas tiga subunit nonidentik (abg). Subunit a mengikat salah satu molekul GDP atau GTP. Bentuk terikat GDP tidaklah aktif (inaktif ). Pengisian sisi pengikat ligan pada reseptor memulai reaksi pertukaran nukleotida guanin, yakni GDP digantikan oleh GTP (Gambar 4-24). Subunit-a yang teraktivasi kemudian memisah dari subunit bg. Ini merupakan peristiwa kunci dalam proses transduksi sinyal karena subunit a yang dibebaskan dan subunit bg mengikat dan mengaktivasi enzim ke arah muara reseptor. Subunit a juga memiliki aktivitas enzim. GTPase intrinsiknya membatasi jangka waktu aktivasinya sendiri dengan cara mengubah GTP menjadi GDP pada sisi pengikat nukleotida guanin. Toksin kolera mengganggu fungsi G-protein kunci dalam usus halus dengan cara mendeaktivasi aktivitas GTPase intrinsik. Hasilnya yakni aktivasi jalur transduksi sinyal menjadi tak terkendali yang memproduksi pembawa pesan kedua 3’,5’-siklik AMP yang menimbulkan diare setelah aktivasi pengeluaran ion dan air. Belum diketahui berapa banyak reseptor metabolik yang ada. Namun, teknik kloning molekul berbasis homolog telah memungkinkan identifikasi ratusan reseptor tersebut yang masing-masing sesuai dengan pola domain tujuh transmembran. Banyak fungsi reseptor dan

208

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

Lipid, Membran, Transpor, dan Pensinyalan

ligannya yang belum diketahui, seperti misalnya reseptor yang disebut sebagai reseptor “yatim piatu” (orphan). Dengan cara yang sama, terdapat juga keanekaragaman G-protein dipertimbangkan. GTPase intrinsiknya membatasi jangka yang waktupantas aktivasinya sendiri dengan cara Khususnya, lebih dari 30 tipe subunit-a yang berbeda-beda telah bermengubah GTP menjadi GDP pada sisi pengikat nukleotida guanin. hasil digambarkan. Reseptor pengikat ligan

GTP

GDP

GDP

GTP Pi

GDP

Gambar Siklus aktivasi deaktivasiheterotrimerik heterotrimerikprotein protein G. Reseptor Gambar 4-24 4-24 Siklus aktivasi dandan deaktivasi pengikat sebagai suatu guanidin penukar G. Reseptor pengikatligan ligan berperan berperan sebagai suatu faktorfaktor guanidin nukleotida mengganti GTPsubpada penukar nukleotida yangyang mengganti GDP GDP dengandengan GTP pada unit sub unit . Subunitdan-GTP dankemudian -GTP kemudian menjadi enzima. Subunit a-GTP bg-GTP dipisahkandipisahkan menjadi enzimenzim target yang aktif. Siklus tersebut adalah dilengkapi melalui aksi enzim targetdari yangaktivitas aktif. Siklus tersebut adalah dilengkapi melalui aksi instrinsik GTPase pada subunit . Subunit -GDP bebas dari aktivitassiap instrinsik GTPasekembali pada subunit a.subunit Subunit a-GDP bebas membentuk digabungkan dengan bebas untuk siap digabungkan kembali dengan subunit bg bebas untuk heterotrimerik inaktif. Aktivasi protein G membentuk menunjukkan suatu sisi heterotrimerik abg inaktif. Aktivasi protein G menunjukkan suatu sisi amplifikasi (pemanjangan) pada jalur penyinalan : untuk setiap molekul reseptor ligan, ini akan perkirakan bahwa amplifikasi (pemanjangan) padayang jalurmengikat penyinalan : untuk setiapdimolekul ratusan atau ribuan molekul protein G yang teraktivasi. reseptor yang mengikat ligan, ini akan di perkirakan bahwa ratusan atau ribuan molekul protein G yang teraktivasi. Toksin kolera mengganggu fungsi G-protein kunci dalam usus halus

Dalam regulasi enzim oleh G-protein, G-protein mengaktivasi dengan aktivitas intrinsik. Hasilnya yakni aktivasi enzimcara yangmendeaktivasi bebas bergabung dengan GTPase permukaan sitoplasma membran atau yang terdapat dalam ini terutama pembawa jalur transduksi sinyal bebas menjadi tak sitoplasma. terkendali Protein yang memproduksi berperan pada dua bentuk substrat, yakni: (1) nukleotida sitoplasma, pesan kedua 3’,5’-siklik AMP yang menimbulkan diare setelah aktivasi atau (2) fosfolipid gliserol pada lapisan dalam membran plasma. pengeluaran ion dan air.

Belum diketahui berapa banyak reseptor metabolik yang ada. Namun,

Bab 4 Lipid, Membran, Transpor, dan Pensinyalan

209

Enzim metabolisme nukleotida yang diregulasi oleh reseptor metabotropik yakni adenilat siklase dan cGMP fosfodiesterase. Adenilat siklase berfungsi mengubah ATP menjadi adenosin 3’,5’siklik monofosfat (cAMP). Enzim ini diaktivasi oleh reseptor yang mengaktivasi G-protein yang dikenal sebagai Gs (untuk G-protein stimulator), dan diinhibisi oleh reeptor yang mengaktivasi G-protein yang dikenal sebagai Gi (untuk G-protein inhibitor). Tingginya level cAMP mendasari pelepasan glukosa dari glikogen yang disebabkan oleh epinefrin dan glukagon. cGMP fosfodiesterase berfungsi mengubah guanosin 3’,5’-siklik monofosfat (cGMP) menjadi GMP. Enzim ini diaktivasi oleh Gprotein transducin (Gt) sebagai respon terhadap aktivasi fotoreseptor di dalam membran plasma sel tangkai retina. Penekanan level cGMP yang disebabkan oleh cahaya dengan cara ini menutup saluran penyerap-Na+ dalam membran sel tangkai, yang mengakibatkan hiperpolarisasi membran dan penurunan transmisi syaraf dari retina. Otak menginterpretasikan penekanan transmisi syaraf ini sebagai suatu letusan cahaya. Gliserol fosfolipid menjadi peka terhadap serangan melalui enzim karena adanya fosfolipase pada berbagai posisi. Dalam beberapa kasus, fosfolipase sangat spesifik untuk gugus kepala tertentu yang larut dalam air, misalnya PI-spesifik fosfolipase C. Akan tetapi, dalam kasus lainnya fosfolipase yang terlibat dapat menyerang fosfolipid dari berbagai kelompok, misalnya fosfolipase A2. Isoform tertentu pada fosfolipase A2, C, dan D diaktivasi oleh G-protein (Gi, Go, Gq). Hasilnya, lapisan bagian dalam membran plasma menjadi sumber berbagai mediator komia yang dilepas sebagai konsekuensi aktivasi reseptor. Mediator-mediator ini antara lain: inositol 1,4,5-trifosfat (IP3) dan 1,2-diasilgliserol (DAG), yang keduanya memproduksi PI-spesifik fosfolipase C (Gambar 4-25); serta asam arakhidonat yang merupakan produk asam lemak tak jenuh dari fosfolipase A2 dan fosfatidat (produk dari fosfolipase D). IP3 menyebabkan pelepasan ion Ca2+ dari gudang retikulum endoplasma intrasel. DAG dikenal sebagai pengaktivasi serin/treonin protein kinase yang tergantung lipid (protein kinase C).

Lipid, Membran, Transpor, dan Pensinyalan

210

menyebabkan pelepasan ion Ca2+ dari gudang retikulum endoplasma intrasel.

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

DAG dikenal sebagai pengaktivasi serin/treonin protein kinase yang tergantung lipid (protein kinase C). O H2C

O H2C

O

C

O

C

O

R1

HC C

O

C

R2

PIP2

R2 H2C

O H2C

C O

R1

O HC C

O

O

P O O - HO O HO OH

(Gi atau Gq

O-

P

O

O-

O-

O O

P

DAG

OH

PL-C

O-

O-

O

P O O - HO O OHHO

O-

P OO

IP3

O

P

O-

O-

Gambar 4-25 Hidrolisis fosfatidilinositol 4,5-bifosfat (PIP2) oleh Gambar 4-25 Hidrolisis fosfatidilinositol 4,5-bifosfat (PIP ) oleh fosfolipase C. fosfolipase C. Fosfolipase diaktivasi oleh subunit-a FosfolipaseCC (PL-C) (PL-C) diaktivasi oleh subunitdan/atau – dan/atau Gprotein. Sisi hidrolisis ditandai dengan panah terbuka. –bg G-protein. SisiDiperoleh hidrolisisduaditandai dengan panah terbuka. Diperoleh produk: 1,2-diasilgliserol (DAG) yang mengaktivasi protein kinaseyang C, dan inositol 1,4,5-trifosfat (IP )kinase dua produk: 1,2-diasilgliserol (DAG) mengaktivasi protein yang menyebabkan pelepasan Ca dari gudang intrasel. C, dan inositol 1,4,5-trifosfat (IP3) yang menyebabkan pelepasan Ca2+ dari gudang intrasel. 2

3

2+

Faktor-faktor

pertumbuhan

tertentu

seperti

faktor

pertumbuhan

epidermal (epidermal growth factor, EGF) dan platelet-derived growth factor

Faktor-faktor pertumbuhan tertentu seperti faktor pertumbuhan (PDGF) yang meregulasi metabolisme sel dan transkripsi gen, dapat epidermal (epidermal growth factor, EGF) dan platelet-derived growth mengaktivasi reseptor yang memiliki aktivitas protein kinase intrinsik di dalam factordomain (PDGF) yang meregulasi metabolisme sel dan transkripsi gen, sitoplasmanya (Gambar 4-26). Aktivitas protein kinase intrinsik ini dapatsecara mengaktivasi reseptor yang memiliki aktivitas protein kinase spesifik memfosforilasi residu tirosin dalam protein. Aktivitas reseptor intrinsik di dalam domain sitoplasmanya (Gambar 4-26). Aktivitas tirosin kinase akan diam tanpa adanya ligan tetapi teraktivasi dengan adanya protein kinase intrinsik ini secara spesifik memfosforilasi residu tirosin pengikatan ligan pada permukaan ekstraselular, yang mengakibatkan fosforilasi dalamresidu protein. Aktivitas reseptor tirosin kinase akan diam tanpa adanya tirosin di dalam (1) domain sitoplasma pada reseptor itu sendiri ligan(autofosforilasi), tetapi teraktivasi dengan adanya pengikatan ligan pada permukaan dan (2) protein sitoplasma kunci. Beberapa reseptor tipe ini ekstraselular, yang mengakibatkan fosforilasi residu tirosin di dalam merupakan subunit tunggal yang ketika terjadi aktivasi akan membentuk dimer (1) domain sitoplasma pada reseptor itu sendiri (autofosforilasi), dan (2) protein sitoplasma kunci. Beberapa reseptor tipe ini merupakan Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul 200 subunit tunggal yang ketika terjadi aktivasi akan membentuk dimer (contohnya reseptor EGF). Reseptor lainnya terdiri atas subunit banyak yang distabilkan oleh ikatan disulfida (contohnya reseptor insulin).

Lipid, Membran, Transpor, dan Pensinyalan

Bab 4 Lipid, Membran, Transpor, dan Pensinyalan

211

(contohnya reseptor EGF). Reseptor lainnya terdiri atas subunit banyak yang distabilkan oleh ikatan disulfida (contohnya reseptor Fosforilasitemplat domain Fosforilasi domain sitosolik pada reseptor akaninsulin). menciptakan untuksitosolik berkumpulnya alat-alat protein templat yang mengaktivasi G-protein pada reseptor akan menciptakan untuk berkumpulnya alat-alat monomer yang disebut ras. Aktivasi iniyang mendahului proteinkunci yang mengaktivasi G-protein monomerras kunci disebut ras. aktivasi Aktivasi rangkaian kinase serindan treonin-spesifik yangdan mempengaruhi ras iniprotein mendahului aktivasi rangkaian protein kinase serintreonin-spesifik transkripsi dan penataan ulanggen sitoskeletal. Peristiwa-peristiwa ini yang gen mempengaruhi transkripsi dan penataan ulang sitoskeletal. mendasari diferensiasiini dan perkembangbiakan Peristiwa-peristiwa mendasari diferensiasi dansel. perkembangbiakan sel.

Ruang ekstraseluler

P P

Domain tirosin kinase

(a)

Sitoplasma

P

(b)

Gambar 4-26 Skema reseptor faktor pertumbuhan epidermal /epidermal Gambar 4-26 Skema reseptor faktor pertumbuhan epidermal / epidermal growth factor (EGF). Reseptor adalah suatuprotein protein membran integral dengan growth factor (EGF). Reseptor adalah suatu membran integral suatu domain transmembran. Sisi pengikatan ligan berada dalam suatu dengan suatu domain Sisi pengikatan ligan berada domaintransmembran. ekstraseluler dan di sana terdapat suatu domain tirosindalam kinase yang berdekatan dengan ujung C pada sitoplasma. (a) Reseptor suatu domain ekstraseluler dan di sana terdapat suatu domain tirosin terdapat sebagai subunit tunggal. (b) Pada pengikatan EGF, reseptor kinase yang berdekatan ujung C pada sitoplasma. (a) Reseptor membentukdengan dimer yang distabilkan malalui penggabungan nonkovalen. Setelah dimerisasi aktivasi tirosin kinase memfosforilasi residu tirosin terdapat sebagai subunit tunggal. (b) Pada pengikatan EGF, reseptor pada domain sitoplasma untuk mengambil protein berikut untuk mengikat reseptor. malalui Pembentukkan suatu protein nonkovalen. dirancang pada membentuk dimer yang pada distabilkan penggabungan domain sitoplasma yang diperlukan untuk aktivasi enzim – enzim yang Setelah dimerisasi aktivasi tirosinsel kinase memfosforilasi residu tirosin mengatur metabolisme dan transkripsi gen. pada domain sitoplasma untuk mengambil protein berikut untuk mengikat pada reseptor. Pembentukkan protein dirancang pada Fosforilasi adalah alat yang biasa suatu digunakan di alam untuk meregulasi domain sitoplasma yang Protein diperlukan enzim – enzim yang aktivitas enzim kunci. kinaseuntuk adalah aktivasi ATP fosfotransferase yang bekerja mengatur dan transkripsi gen. kinase dibagi pada substrat proteinmetabolisme atau peptida.sel Pada umumnya protein menjadi duaadalah kelompok, yang memfosforilasi serin atau Fosforilasi alatyakni: yangkelompok biasa digunakan di alamresidu untuk mere­ (contohnya yangkinase tergantung cAMP), danfosfotransferkelompok yang gulasitreonin aktivitas enzimprotein kunci.kinase Protein adalah ATP ase yang bekerja pada substrat protein atau peptida. Pada umumnya Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

201

212

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

protein kinase dibagi menjadi dua kelompok, yakni: kelompok yang memfosforilasi residu serin atau treonin (contohnya protein kinase yang tergantung cAMP), dan kelompok yang memfosforilasi residu tirosin (contohnya EGF atau reseptor insulin). Dalam serin/treonin kinase, ujung fosfat dari ATP ditransfer kepada hidroksil serin dan treonin. Dalam tirosin kinase, ujung fosfat dari ATP ditransfer kepada gugus hidroksil tirosil tertentu. Urutan peptida tertentu yang dikenal sebagai domain src homologi-2 (SH-2) mengikat pada urutan yang kaya akan fosfotirosil. Reaksi pengikatan ini memungkinkan interaksi protein kunci dengan reseptor tirosin kinase teraktivasi serta perakitan kompleks pengaktivasi ras. Faktor pertumbuhan yang lain memberi sinyal dengan suatu kelompok reseptor domain transmembran tunggal yang mengaktivasi tirosin kinase intrasel tetapi dirinya sendiri tidak mengekspresikan aktivitas tirosin kinase dalam domain sitoplasmanya. Yang termasuk kelompok ini antara lain: reseptor untuk beberapa sitokin (regulator peptida pada fungsi sel limfoid dan myeloid); serta beberapa hormon seperti hormon pertumbuhan, prolaktin, dan eritropoietin. Pada pengikatan ligan, tirosin kinase sitoplasma dari keluarga JAK (Janus kinase) bergabung dengan domain sitoplasma dari reseptor dan teraktivasi. JAK tirosin kinase meregulasi enzim sitoplasma kunci dan keluarga STAT pada faktor transkripsi. Reseptor membran plasma sangat penting untuk proses transmisi informasi yang dibawa oleh ligan atau pembawa pesan “pertama” (neurotransmiter, hormon, dan sebagainya) dari ruang ekstrasel ke dalam interior sel. Namun, pensinyalan sel juga membutuhkan informasi yang mengalir di dalam sel tersebut. Molekul yang membawa informasi ini untuk mengatur aktivitas saluran ion, enzim, atau reseptor, kadangkala disebut sebagai pembawa pesan “kedua” (”second” messenger). Akan tetapi, berkaitan dengan kompleksitas rangkaian transduksi sinyal yang di dalamnya satu pembawa pesan “kedua” dapat meregulasi pembawa pesan “kedua” yang lain, maka istilah “mediator intrasel” mungkin akan lebih cocok.

Bab 4 Lipid, Membran, Transpor, dan Pensinyalan

213

Mediator intrasel untuk reseptor faktor pertumbuhan antara lain tirosin kinase (misalnya reseptor tirosin kinase atau JAK kinase), protein pengikat kunci, enzim pemodifikasi fosfolipid dan produknya, monomer G-protein (seperti ras), dan protein kinase serin/treonin arah muara (seperti MAP kinase) yang meregulasi sitoskeleton dan transkripsi gen. Aktivasi ras oleh penukaran nukleotida guanin adalah peristiwa kunci dalam aktivasi jalur pensinyalan arah muara untuk banyak faktor pertumbuhan. Mediator intrasel untuk G-protein yang bergabung dengan reseptor antara lain cAMP, cGMP, ion Ca2+, IP3, DAG, arakhidonat, dan fosfatidat. Mediator-mediator ini meregulasi metabolisme sel dengan cara mengatur aktivitas saluran ion (yakni cAMP, cGMP, ion Ca2+, arakhidonat), serin/treonin kinase (yakni cAMP, cGMP, ion Ca2+, DAG, fosfatidat, arakhidonat), atau transporter intrasel (yakni IP3). Mediator intrasel meregulasi dan berpartisipasi dalam jalur transduksi sinyal. Sebagai contoh, ion Ca2+ bersama dengan protein pengikat Ca2+ kalmodulin mengaktivasi penguraian cAMP dan cGMP melalui enzim intrasel fosfodiesterase (PDE). Dengan cara yang sama, reseptor protein kinase teraktivasi bekerja mendeaktivasi reseptor (regulasi ke bawah, down-regulate). Sebagai contoh, fosforilasi reseptor b-adrenergat oleh b-adrenergat reseptor kinase (BARK) mengurangi kemampuan reseptor b-adrenergat untuk merespon epinefrin. Ion kalsium bekerja sebagai mediator intrasel, yakni konsentrasi ion Ca2+ bebas dalam sitoplasma dipertahankan pada level yang sangat rendah (sekitar 0,1 µM) dalam kondisi istirahat. Nilai ini adalah sekitar 1/10.000 dari level yang teramati dalam plasma (1,1 mM). Namun, konsentrasi Ca2+ bebas dalam sitoplasma bisa meningkat 10 atau 100 kali lipat setelah terjadi aktivasi reseptor tertentu. Pelepasan IP3 dari membran fosfolipid sebagai respon pada aktivasi reseptor gabungan Gprotein tertentu merupakan salah satu mekanisme untuk meningkatkan [Ca2+]i, yakni IP3 mengosongkan gudang penyimpanan Ca2+ vesikular intrasel. Aktivasi reseptor ionotropik tertentu juga meningkatkan [Ca2+]i dengan cara merangsang pemasukan Ca2+ dari eksterior. Sekali ditingkatkan, Ca2+ mengaktivasi enzim intrasel kunci secara langsung

214

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

(misalnya protein kinase C) atau secara tak langsung setelah mengikat protein pengikat Ca2+ afinitas tinggi kalmodulin (16.700 kDa). Ca2+kalmodulin mengaktivasi enzim-enzim kunci termasuk protein-protein kinase tertentu. Level Ca2+ bisa dikembalikan menjadi normal dengan Lipid, Membran, Transpor, dan Pensinyalan beberapa cara yakni reaksi (1) transpor ATPase dalam membran plasma yang memompa ion Ca2+ keluar sel, atau (2) transpor ATPase yang cAMP mengaktivasi Siklikendoplasma. AMP protein kinase (PKmengakumulasi ion Ca2+ keprotein dalam kinase-nya. interior retikulum cAMP struktur mengaktivasi protein kinase-nya. Siklik AMP protein A) mempunyai subunit 2 2 (Gambar 4-27). Aktivitas katalis berada kinase (PK-A) mempunyai struktur subunit a2b2 (Gambar 4-27). dalam subunit inaktif dalam kompleks tetramer 2. Tiap subunit Aktivitas katalisyang berada dalam subunit a yang inaktif dalam2 kompleks tetramer dua a2b2.sisi Tiap subunit cAMP. b mempunyai duaadanya sisi pengikat mempunyai pengikat Dengan cAMP,cAMP. dua subunit Dengan adanya cAMP, dua subunit a bebas dilepaskan, dan empat bebas dilepaskan, empat molekul cAMP mengikat molekul cAMP dan mengikat homodimer b2 sisanya untukhomodimer membentuk 2 sisanya b2(cAMP) . Subunit a bebas dari PK-A memfosforilasi 4 untuk membentuk Subunit bebas dariprotein PK-A target memfosforilasi 2(cAMP)4. dengan adanya MgATP. protein target dengan adanya MgATP.

Subunit katalitik Kompleks inaktif

4 cAMP

cAMP

cAMP

cAMP

cAMP

Subunit regulator

Gambar 4.27 Aktivasi cAMP protein kinase oleh cAMP Gambar 4.27

Aktivasi cAMP protein kinase oleh cAMP

-oo0oo-

Bab

5

ASAM NUKLEAT

1. PENGANTAR Pada tahun 1868, Friederich Miescher mengisolasi suatu zat dari inti sel nanah. Zat tersebut dianggap sebagai karakteristik inti (nucleus), dan Miescher menyebutnya nuklein. Tidak lama kemudian, zat yang serupa diisolasi dari kepala sperma ikan salmon. Belakangan nuklein ditemukan sebagai campuran suatu protein dasar dan asam organik yang mengandung fosfor, yang kini disebut sebagai asam nukleat. Asam nukleat terdiri atas DNA (deoxyribonucleic acid) dan RNA (ribonucleic acid). DNA adalah material genetik dari sel, yakni yang mengandung gen. Suatu gen digambarkan sebagai segmen DNA (sampai beberapa kb) yang dengan cepat diekspresikan sebagai polipeptida, seringkali sebagai protein atau enzim. DNA terdapat dalam kromosom sel, dengan satu atau lebih kromosom berisikan genom. Genom menggambarkan suatu komponen tunggal akan informasi genetik suatu sel. Setiap kromosom mengandung banyak gen. Selama pembelahan sel, DNA kromosom harus memproduksi replika (duplikat) dirinya sendiri yang persis sama untuk pemisahan dan partisi ke dalam sel turunan. Produksi duplikat DNA ini dikenal sebagai replikasi, yang melibatkan sintesis rantai DNA baru.

216

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

Untuk pertumbuhan dan perkembangbiakan sel normal, DNA harus dilindungi dari berbagai jenis kerusakan. Kerusakan bisa disebabkan misalnya oleh radiasi uv, yang dapat melibatkan perubahan kimia pada DNA sehingga terjadi mutasi yang mengganggu. Sel memiliki kemampuan untuk membetulkan atau memperbaiki kerusakan seperti itu. Salah satu mekanisme perbaikan yang paling dipahami melibatkan sintesis DNA baru yang menggantikan bagian yang rusak. Proses ini disebut sintesis perbaikan (repair synthesis) DNA. Tingkat sintesis perbaikan sangat kecil dibandingkan dengan sintesis DNA yang me­ nyertai replikasi kromosom. Sebagian besar sel (bakteri, tumbuhan, dan hewan) mengandung satu, dua, atau sejumlah kecil dari kebanyakan gen. Namun, untuk menghadapi situasi tertentu, beberapa sel akan memproduksi banyak duplikat suatu gen. Proses ini dikenal sebagai amplifikasi gen atau amplifikasi DNA, yang melibatkan beberapa kali lipat replikasi segmen tertentu dari suatu DNA. Kesalahan dalam replikasi dan perbaikan DNA pada sel hewan bisa menyebabkan kecenderungan terbentuknya kanker. Hal ini menekankan pentingnya proses tersebut dalam biologi. Namun, banyak pemahaman mengenai bagaimana hal itu terjadi pada level molekul, telah tergantung pada penelitian dengan bakteri sederhana. DNA di dalam kromosom sebagian besar organisme merupakan heliks ganda (double-helix), yakni terdiri atas dua rantai (atau untai) polideoksinukleotida yang melilit mengelilingi satu sama lain dalam bentuk heliks. Informasi genetik terkandung di dalam urutan nukleotida di sepanjang salah satu rantai, dengan urutan rantai itu komplementer terhadap rantai yang lainnya. Suatu replika DNA merupakan duplikat yang persis sama dari DNA itu sendiri. Setiap rantai dari heliks ganda DNA terikat pada rantai yang satunya melalui pasangan basa komplementer, yakni adenin (A) di salah satu rantai berikatan hidrogen dengan timin (T) pada rantai lainnya, dan guanin (G) dengan sitosin (C). Watson dan Crick mengusulkan bahwa untuk mendapatkan duplikat persis suatu urutan nukleotida (basa), kedua rantai DNA harus dilepas gulungannya dari satu sama

Bab 5 Asam Nukleat

217

lain untuk memungkinkan masing-masing rantai tunggal berperan sebagai templat untuk sintesis yang baru. Dengan demikian, penyusun­an urutan dalam rantai yang baru disintesis adalah ditentukan oleh spesifisitas pasangan basa pada urutan dalam templat. Hal ini dilukiskan dalam Gambar 5-1 (dupleks DNA diperlihatkan sebagai struktur ladAsam Nukleat der-type).

AT GC CG TA TA AT AT GC CG CG CG GC TA AT CG GC AT

AT AT GC GC CG CG TA TA TA TA AT AT AT AT GC GC CG CG CG GC TA AT CG GC AT

(a)

(b)

AT GC CG TA TA AT AT GC CG CG CG GC TA AT CG GC AT

+

AT GC CG TA TA AT AT GC CG CG CG GC TA AT CG GC AT

(c)

Gambar 5-1 Untai DNA Gambar 5-1 Untai DNAyang yangberperan berperansebagai sebagaitemplat templatuntuk untukreplikasi. replikasi. Huruf yang tercetak miring menandakan DNA yang baru Huruf yang tercetak miring menandakan DNA yang baru disintesis. disintesis.

2. ASAM NUKLEAT DAN KONSTITUEN KIMIANYA 2. ASAM NUKLEAT DAN KONSTITUEN KIMIANYA

Asam nukleat utama dalam inti sel adalah asam deoksiribonukleat (atau Asam nukleat dalam sel adalah asam sebagai deoksiribonukleat DNA). Molekul ini utama memiliki gula inti pentosa deoksiribosa salah satuDNA). konstituen Kini diketahui bahwa sebagai DNA adalah (atau Molekulkimianya. ini memiliki gulatelah pentosa deoksiribosa salah satu material genetik. Tipe lain asam nukleat yakni asam ribonukleat (atau konstituen kimianya. Kini telah diketahui bahwa DNA adalah material genetik. Tipe lain asam nukleat yakni asam ribonukleat (atau RNA), yang memiliki ribosa menggantikan deoksiribosa. RNA berperan utama dalam transmisi informasi

218

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

RNA), yang memiliki ribosa menggantikan deoksiribosa. RNA berperan utama dalam transmisi informasi genetik dari DNA menjadi protein. Molekul DNA sangat besar, jauh lebih besar daripada protein. Ukuran RNA masih bisa dibandingkan dengan ukuran protein. Hidrolisis sempurna pada DNA (atau RNA) oleh asam membelah molekul tersebut menjadi campuran basa nitrogen, 2-deoksi-D-ribosa (atau Dribosa pada RNA), dan ortofosfat. Terdapat dua tipe umum basa nitroAsam Nukleat gen dalam DNA maupun RNA, yakni pirimidin dan purin. Pirimidin adalah turunan senyawa heterosiklik pirimidin: Pirimidin adalah turunan daridari senyawa heterosiklik pirimidin: H C 4

N3

5 CH

2

HC

6

1

CH

N Pirimidin

NH2

O

H

N O

O CH3

N

N

N N

O

O

H

H Sitosin (2-oksi-4-aminopirimidin)

Purin adalah turunan dari senyawa cincin-fusi purin: H C 6

5C

N H

Timin (2,4-dioksi-5-metilpirimidin)

N1

H

N

7

8

CH

Urasil (2,4-dioksipirimidin)

Bab 5 Asam Nukleat

219

Purin adalahdari turunan dari senyawa cincin-fusi Purin adalah turunan senyawa cincin-fusi purin:purin: H C N1

6

2

HC

3

5C 4

N

7

8

C

N Purin

CH

9

N H

NH2

O N

N N

N H

H

N

N H2N

N

N H

Adenin (6-aminopurin)

Guanin (2-amino-6-oksipurin)

Penomoran posisi dalam cincin Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

dibuat berdasarkan konvensi

(IUPAC). Pirimidin utama yang ditemukan dalam DNA adalah timin dan citosin. Sedangkan dalam RNA yakni urasil dan citosin. Ketiga pirimidin ini berbeda dalam tipe dan posisi gugus kimia yang menempel pada cincin. Timin adalah 5-metil-2,4-dioksipirimidin. Citosin adalah 2-oksi-4-aminopirimidin. Urasil adalah 2,4-dioksipirimidin. Struktur untuk (a) timin, (b) citosin, dan (c) urasil, adalah sebagai berikut:

208

Urasil adalah Citosin adalah2,4-dioksipirimidin. 2-oksi-4-aminopirimidin. Urasil adalah 2,4-dioksipirimidin. Struktur220 untuk (a) timin, (b) citosin, dan Biokimia: (c) urasil, adalah berikut: Struktur dan sebagai Fungsi Biomolekul Struktur untuk (a) timin, (b) citosin, dan (c) urasil, adalah sebagai berikut: O

NH2

O

C O

C 2 NH

C O

C

HN

N

C

CH CH3 C N C H CH Timin N H

C O HN O

CH3

CH

C

CH N C H CH Citosin N H C N

O O

Timin

Citosin

CH

HN

CH N C H CH Urasil N H

C O HN O

C

Urasil

Timin juga bisa digambarkan sebagai 5-metilurasil. Pirimidin termetilasi lainnya

Timin sebagian juga bisaasam digambarkan sebagai 5-metilurasil. Pirimidin ditemukan nukleat. Timin juga dalam bisa digambarkan sebagai 5-metilurasil. Pirimidin termetilasi lainnya termetilasi lainnya ditemukan dalam sebagian asam nukleat. Sedangkan struktur 5-metilcitosin adalah : ditemukan dalam sebagian asam nukleat. Sedangkan struktur 5-metilcitosin adalah.

Sedangkan struktur 5-metilcitosin adalah : NH2

N O O

C N C

C NH 2 C N H

C

CH3

CH CH C 3 CH

5-Metilcitosin N

H

5-Metilcitosin

Metilasi citosin dalam DNA maupun RNA mempunyai implikasi Metilasi citosin dalam DNA maupun RNA mempunyai implikasi biologis penting biologis penting yang berkaitan dengan perlindungan material genetik yang berkaitan dengan perlindungan material genetik dan ekspresinya. dan ekspresinya. Metilasi citosin dalam DNA maupun RNA mempunyai implikasi biologis penting 5-Bromourasiladalah adalah analog analog dari yang berbeda hanyahanya pada pada 5-Bromourasil daritimin, timin, yang berbeda yang berkaitan dengan perlindungan material genetik dan ekspresinya. substituen C-5 (Br menggantikan CH3). Kedua macam substituen ini substituen C-5 ruang (Br menggantikan CH3).sama, Kedua macam substituen ini mengisi mengisi yang kurang lebih dan enzim bertanggung 5-Bromourasil adalah analog dari timin, yangyang berbeda hanya pada jawab untuk membuat mengakomodasi keduanya ruang yang kurang lebih sama,DNA dan ).dapat enzim yang bertanggung untuk substituen C-5 (Br menggantikan CH Kedua macam substituenjawab ini mengisi 3 sehingga memungkinkan 5-bromourasil masuk ke dalam DNA dalam membuat DNA dapatlebih mengakomodasi keduanya sehingga memungkinkan 5ruang yang kurang dan enzim yang jawab untuk beberapa sel dan virussama, tipe tertentu. Sifat ini bisa bertanggung dimanfaatkan untuk mempelajari sintesis DNA. membuat DNA dapat mengakomodasi keduanya sehingga memungkinkan 5Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

209

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

209

Asam Nukleat

bromourasil masuk ke dalam DNA dalam beberapa sel dan virus tipe tertentu. bromourasil masuk ke dalam dalam DNA DNA dalam dalam beberapa beberapa sel sel dan dan virus virus tipe tipe tertentu. Bab 5 Asam Nukleat 221 tertentu. bromourasil masuk ke Sifat ini bisa dimanfaatkan untuk mempelajari sintesis DNA. Sifat ini bisa bisa dimanfaatkan dimanfaatkan untuk untuk mempelajari mempelajari sintesis sintesis DNA. DNA. Sifat ini O O O C C C Br HN C C Br HN C Br HN CH O C CH O C N CH O C NH N H H 5-Bromourasil 5-Bromourasil 5-Bromourasil

Purin utama yang ditemukan dalam DNA dan RNA adalah adenin dan Purin utama yang yang ditemukan ditemukan dalam dalam DNA DNA dan dan RNA RNA adalah adalah adenin adenin dan dan Purin utama Purin utama yang ditemukan dalam DNA dan RNA adalah adenin guanin. Keduanya memiliki perbedaan dalam tipe dan posisi gugus kimia yang guanin. Keduanya memilikimemiliki perbedaan dalamdalam tipe dan dan posisi gugus kimia yang yang guanin. memiliki perbedaan dalam tipe gugus kimia danKeduanya guanin. Keduanya perbedaan tipeposisi dan posisi gugus menempel pada cincin purin, seperti terlihat di bawah ini: menempel pada cincin purin, purin, seperti terlihat di bawah ini: di bawah ini: kimiapada yang cincin menempel pada cincinterlihat purin, di seperti terlihat menempel seperti bawah ini:

N N N HC HC HC

NH2 NH2 NH2 C N C C N C C N CH C CH C CH N C N NH N C N H N AdeninH Adenin Adenin

O O O C C HN C C HN C HN C C H2N C C H2N C H2N C NN C NGuanin Guanin Guanin

N N N CH CH NCH NH N H H

Semua pirimidin maupun purin bisa terdapat dalam bentuk isomer Semua pirimidin maupun purin bisa terdapat dalam bentuk bentuk isomer isomer Semua pirimidin pirimidinmaupun maupun purin purin bisa bisa terdapat terdapat dalam dalam Semua bentuk alternatif yang disebut tautomer. Misalnya, urasil bisa terdapat dalam bentuk isomer alternatif yang disebut tautomer. Misalnya, urasil bisa terdapat alternatif yang disebut tautomer. Misalnya, urasil bisa terdapat dalam bentuk alternatif yang disebut tautomer. Misalnya, urasil bisa terdapat dalam bentuk dalam bentuk keto atau enol. keto atau enol. keto atau enol. enol. keto atau O O O C C HN C CH HN CH HN CH CH O C CH O C N O C NH CH N H Keto H Keto Keto

N N N C C HO C HO HO

OH OH OH C C CH C CH CH CH CH N CH N N

Enol Enol Enol

(Panah besar menunjukkan bahwa bentuk keto lebih dipilih pada pH netral). (Panah besar menunjukkan menunjukkan bahwa bahwa bentuk bentuk keto keto lebih lebih dipilih dipilih pada pada pH pH netral). netral). (Panah besar

Asam Nukleat Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

222

Asam Nukleat

OH (Panah besar menunjukkan bahwa bentuk keto lebih dipilih pada pH netral). Bentuk enol dari guanine adalah sebagai berikut: C N

C OH

C N N

NH2

C C

N

CH N CH

N

Guanin dalam bentuk enol

C NH2

C N

CH

N H

Guanin dalam enoladenin tidak memiliki gugus Adenin tidak bisa ditulis dalam bentuk enol, bentuk karena

keto. Namun demikian, adenin bisa berisomerisasi menjadi bentuk tautomer

Adenin bisa ditulis dalam enol, bentuk enol, karena tidak gugus Adenin tidak bisatidak ditulis dalam bentuk karena adeninadenin tidak memiliki imino, tetapi bentuk amino lebih mendominasi.

memiliki keto. Namun demikian, adenin bisa berisomerisasi Gula DNAgugus adalah 2-deoksi-D-ribosa, sedangkan dalam RNA yaknitautomer Dketo.dalam Namun demikian, adenin bisa berisomerisasi menjadi bentuk

menjadi bentuk tautomer imino, tetapi bentuk amino lebih imino, tetapi bentuk amino lebih mendominasi. ribosa. mendominasi. GulaDNA dalam DNA2-deoksi-D-ribosa, adalah 2-deoksi-D-ribosa, sedangkan Gula dalam adalah sedangkan dalam dalam RNA yakni DRNA yakni D-ribosa. Bentuk gulaBentuk sepertigula terdapat DNA dan DNA RNA adalah sebagai sepertidalam terdapat dalam dan RNA adalahberikut: sebagai ribosa. berikut: 5

5

Bentuk gula seperti terdapat dalam DNA dan RNA adalah sebagai berikut: OH OH HOCH HOCH 2

4C

2

O

H

H 5

HOCH H C32 4 C OH H

C

O

4C

C1 2

H

H H

2-Deoksi- -D-ribosa C (2-deoksiH C3 -D-ribofuranosa) 2

OH C1 H

O

H

H 5

C 2 HHOCH 3 OH H 4C

C

O

C1 2

OH

H

OH H

-D-Ribosa C (H-D-ribofuranosa) 3

C

C1 2

H

H OH Perhatikan bahwa dalam asam nukleat hanya terdapat anomer . 2-Deoksi-D-ribosa -D-Ribosa OH anomer b. PerhatikanOH bahwa dalam asam nukleat hanya terdapat (2-deoksi- -D-ribofuranosa)

( -D-ribofuranosa)

3. NUKLEOSIDA bahwa dalam asam nukleat hanya terdapat anomer . 3.Perhatikan NUKLEOSIDA Di dalam struktur asam nukleat, pirimidin atau purin berikatan dengan

gula (2-deoksi-D-ribosa atau D-ribosa) membentuk suatu nukleosida.

Di dalam struktur asam nukleat, pirimidin atau purin berikatan dengan

gula (2-deoksi-D-ribosa atau D-ribosa) membentuk suatu nukleosida. 3. NUKLEOSIDA Nukleosida yang mengandung deoksiribosa disebut deoksiribonukleosida, dan

Bab 5 Asam Nukleat

223

Nukleosida yang mengandung deoksiribosa disebut deoksiribonukleosida, dan yang mengandung ribosa disebut ribonukleosida. Nukleosida purin memiliki ikatan b-glikosida dari N-9 pada basa ke C-1 pada gula. Dalam nukleosida pirimidin, ikatan ini yakni dari N-1 pada basa ke C-1 pada Asam Nukleat gula. Berikut ini digambarkan struktur dari ribonukleosida yang mengandung adenin, dan deoksiribonukleosida yang mengandung citosin. NH2

NH2

C N

C

N

C

N

CH

CH HC

C

O

N

N

5'

HOCH2

HOCH2

H

O

H

H

C

C

OH

OH

3'

2'

C 1' H

(a) 9- -D-Ribofuranosil adenin (adenosin)

4'C

H

CH N

5'

4'C

C

O

H

H

C

C

OH

H

3'

2'

C 1' H

(b) 1,2'-Deoksi- -D-ribofuranosil citosin (deoksicitidin)

Oleh karena ikatan glikosida menuju ke nitrogen pada pirimidin karena glikosida menuju ke ini nitrogen padaN-glikosida. pirimidin atau atau Oleh purin, makaikatan nukleosida-nukleosida disebut purin, maka nukleosida-nukleosida ini disebut N-glikosida. Atom-atom dalam cincin furanosa pada gula ditandaiAtom-atom dengan 1’,dalam 2’, …, furanosa 5’ untukpada membedakannya dengan1’,atom-atom dalam cincin basa. cincin gula ditandai dengan 2’, …, 5’ untuk membedakannya Penamaan akan lebih mudah bila menggunakan istilah sederhana, dengan atom-atom dalam cincin basa. Penamaan akan lebih mudah bila yakni: menggunakan istilah sederhana, yakni:

Adenin berikatan pada ribosa adenosin ≡ adenosin Urasil berikatan pada ribosa ≡ uridin Urasil berikatan pada ribosa uridin Guanin berikatan pada ribosa ≡ guanosin Guanin berikatan pada ribosa guanosin Guanin berikatan pada deoksiribosa ≡ deoksiguanosin Guanin Citosin berikatanberikatan pada deoksiribosa deoksiguanosin pada deoksiribosa ≡ deoksicitidin Citosin Timin berikatan pada deoksiribosa berikatan pada deoksiribosa deoksicitidin ≡ deoksitimidin

Adenin berikatan pada ribosa

Timin berikatan pada deoksiribosa

deoksitimidin

Struktur dari deoksiguanosin dan citidin adalah sebagai berikut:

224

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul Asam Nukleat

Struktur dari deoksiguanosin dan citidin adalah sebagai berikut: O

NH2

C HN

C

C

N

N

CH NH2 HOCH2

C

C N

O

N

C

H

H

H

C

C

OH

H

(a) Deoksiguanosin

C

CH N

HOCH2

O

CH

O

C

C

H

H

H

H

C

C

OH

OH

C H

(b) Citidin

4.4.NUKLEOTIDA NUKLEOTIDA Nukleotida nukleosida, dengan dengan fosfat Nukleotida adalah adalah ester ester asamasam fosfatfosfat daridari nukleosida, fosfat padaposisi posisi C-5’. dengan fosforilasi pada posisi lainposisi telah diketahui, pada C-5’.Nukleotida Nukleotida dengan fosforilasi pada lain telah diketahui, tetapimerupakan bukan merupakan asam nukleat. Nukleotida tetapi bukan komponenkomponen asam nukleat. Nukleotida yang yang mengandung deoksiribosa disebut deoksiribonukleotida, sedangkan mengandung deoksiribosa disebut deoksiribonukleotida, sedangkan yang yang mengandung ribosasebagai disebut sebagai ribonukleotida. Berikut mengandung ribosa disebut ribonukleotida. Berikut gambar backbone Asam Nukleat gambar (tulang punggung) dari nukleotida: (tulang backbone punggung) dari nukleotida:

Unit nukleotida

Sedangkan struktur dari

ribonukleotida yang mengandung adenin,

deoksiribonukleotida yang mengandung timin adalah sebagai berikut:

dan

Bab 5 Asam Nukleat

225

Sedangkan struktur ribonukleotida mengandung Sedangkan struktur dari dari ribonukleotida yang yang mengandung adenin,adenin, dan

dan deoksiribonukleotida yang mengandung adalah sebagai berideoksiribonukleotida yang mengandung timin adalahtimin sebagai berikut: kut: O

NH2 C N

C

HC

C

C

N

HN CH

OH HO

N

C

HO

OCH2

O

C

H

H

H

C

C

P

OCH2

O

C

H

H

H

C

C

OH

H

O C H

OH

(a) Adenosin 5'-fosfat (AMP)

CH3

CH N

5'

5'

P

OH

O

OH

N

C

O C H

(b) Deoksitimidin 5'-fosfat (dTMP)

Adenosin 5’-fosfat juga dikenal sebagai AMP (adenosin monofosfat) atau asam adenilat. Jika deoksiribosa menggantikan ribosa dalam adenosin 5’-fosfat, maka istilahnya menjadi dAMP atau asam deoksiadenilat. Singkatan nama untuk beberapa ribonukleotida 214 dan Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul deoksiribonukleotida ditulis dalam daftar di bawah ini. Basa

Ribonukleotida

Deoksiribonukleotida

Adenin, A

Asam adenilat, AMP

Asam deoksiadenilat, dAMP

Guanin, G

Asam guanilat, GMP

Asam deoksiguanilat, dGMP

Citosin, C

Asam citidilat, CMP

Asam deoksicitidilat, dCMP

Urasil, U

Asam uridilat, UMP

Asam deoksiuridilat, dUMP

Timin, T

Asam timidilat, TMP

Asam deoksitimidilat, dTMP

Istilah di atas menunjukkan bahwa nukleotida merupakan suatu asam. Sifat ini berasal dari ionisasi fosfat primer, yang memiliki nilai pKa sekitar 1. karena itu nukleotida memiliki muatan negatif pada pH netral. Muatan negatif ini juga disumbang oleh ionisasi fosfat sekunder, yang memiliki nilai pKa sekitar 6. Pada pH netral, tidak ada muatan pada basa apapun.

pH netral, tidak ada muatan pada basa apapun. 226

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

AMP pada pH 7 dalam bentuk bermuatan adalah: Struktur AMP pada pH 7 dalam bentuk bermuatan adalah:

O-

O

P

O

H2C

O

A

O

C

H

H

H

C

C

OH

OH

C H

AMP (bentuk bermuatan)

Perhatikan bahwa dua muatan negatif berada pada fosfat. Dalam A menggambarkan adenin, yang tidak memiliki an bahwastruktur dua ini, muatan negatif berada pada fosfat. muatan Dalam struktur apapun. 5’-nukleotida juga terdapat sebagaimuatan 5’-difosfat apapun. dan 5’trifosfat, mbarkan Semua adenin, yang tidak memiliki yang memiliki dua dan tiga fosfat. Adenosin 5’-nukleotida yang bersesuaian dengan kedua molekul tersebut dikenal sebagai ADP dan 5’trifosfat, 5’-nukleotida juga terdapat sebagai 5’-difosfat dan ATP. Asam Nukleat Struktur Adenosin Trifosfat adalah seperti yang digambarkan berikut: dua dan tiga fosfat. Adenosin 5’-nukleotida yang bersesuaian de

molekul tersebut OHdikenal OH sebagai OH ADP dan ATP. 5' AdenosinHO Trifosfat adalah seperti yang P O P O P O H2C digambarkanAberikut:

O

O

O

O

C

H

H

H

C

C

OH

OH

C H

ATP

Struktur dan Fungsi Biomolekul

Perhatikan bahwa molekul di atas digambarkan dalam bentuk tak

ermuatan.

Atom fosfor ditandai dengan

,

, dan

, dengan fosfor

Bab 5 Asam Nukleat

227

Perhatikan bahwa molekul di atas digambarkan dalam bentuk tak bermuatan. Atom fosfor ditandai dengan a, b, dan g, dengan fosfor a menempel pada C 5’ dari ribosa. ADP hanya memiliki fosfat a dan b. Pada pH netral, ATP mempunyai muatan total negatif, yakni antara –2 sampai –4. Hal ini dikarenakan ATP (dan semua nukleosida trifosfat) bisa melepaskan empat proton dari gugus fosfat. Yang pertama memiliki nilai pKa ~1, yang kedua, ketiga, dan keempat bernilai antara 6 sampai 7. Ribonukleosida di- dan trifosfat (NDP, NTP) maupun deoksiribonukleosida di- dan trifosfat (dNDP, dNTP) memiliki fungsi penting dalam sel. Molekul-molekul ini bekerja sebagai pembawa energi dalam berbagai reaksi, serta sebagai prekursor untuk sintesis asam nukleat.

5. POLINUKLEOTIDA Asam nukleat DNA maupun RNA merupakan polinukleotida, yakni merupakan polimer dari berbagai tipe nukleotida (sebagai subunit yang berulang). Nukleotida-nukleotida ini bergabung satu sama lain melalui ikatan fosfodiester antara C 3’ pada satu nukleotida dengan C 5’ pada nukleotida sebelahnya. Ikatan ini terjadi berulang-ulang untuk membangun struktur besar (rantai atau untai) yang mengandung ratusan sampai jutaan nukleotida di dalam suatu molekul tunggal raksasa. Berikut ini adalah struktur suatu bagian rantai poliribonukleotida (RNA) yang mengandung adenin, guanin, dan citosin.

Asam Nukleat

228

Berikut ini adalah struktur suatu bagian rantai poliribonukleotida (RNA) Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

yang mengandung adenin, guanin, dan citosin.

O O

P

5' O-

O H2C 5' 4'

H H

H

1' 2'

3'

H

OH

O O

Adenin

O

O-

P O

H2C 5' 4'

H H

H

Arah rantai

1' 2'

3'

H

OH

O O

Guanin

O

O-

P O

H2C 5' 4'

H H

H

P

1' 2'

3'

H

OH

O O

Citosin

O

O-

3'

O

Perhatikan bahwa strukturdidiatas atasditulis ditulis dalam dalam bentuk bentuk bermuatan. Perhatikan bahwa struktur bermuatan. Ikatan fosfodiester karbon-karbon yang berbedayang yakni berbeda 3’ dan Ikatan fosfodiestermenggabungkan menggabungkan karbon-karbon 5’ pada yang bersebelahan. Hal ini menyebabkan rantai yakni 3’ nukleotida-nukleotida dan 5’ pada nukleotida-nukleotida yang bersebelahan. Hal memiliki arah kimia, atau polaritas. Menurut struktur yang initersebut menyebabkan rantai tersebut memiliki arah konvensi, kimia, atau polaritas. Menurut konvensi, struktur yang di(atau atas3’memiliki arah digambarkan di atas memiliki arah 5’ digambarkan 3’ ke arah bawah 5’ ke arah 5’ → 3’ ke arah bawah (atau 3’ → 5’ ke arah atas). Berdasarkan konvensi, semua urutan nukleotida ditulis dalam arah 5’ → 3’. Dengan demikian, Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

217

atas). Berdasarkan konvensi, semua urutan nukleotida ditulis dalam arah 5’ 3’. Dengan demikian, bagian yang diperlihatkan di atas memiliki urutan adenin, guanin,Bab citosin; 5 Asamyang Nukleatdisingkat AGC. Untuk menunjukkan terdapatnya 229 fosfat yang menempel pada ujung 5’ dan 3’ dalam struktur di atas, akan lebih tepat dituliskan pApGpCp. Bentuk singkatan ini tidakurutan menunjukkan bahwa urutan bagian yang diperlihatkan di atas memiliki adenin, guanin,

citosin; yang disingkat AGC.bagian Untuk dari menunjukkan terdapatnya fosfat tiga nukleotida tersebut hanyalah struktur yang jauh lebih panjang,

yang menempel pada ujung 5’ dan 3’ dalam struktur di atas, akan lebih karena tepat pApGpCp bisa pApGpCp. jadi merupakan molekul yangmenunjukkan hanya memiliki tiga dituliskan Bentuksuatu singkatan ini tidak bahwa urutan tiga nukleotida tersebut struktur Jika unit nukleotida (trinukleotida) dengan ujung hanyalah 5’ dan 3’bagian yang dari terfosforilasi. yang jauh lebih panjang, karena pApGpCp bisa jadi merupakan suatu urutan AGC terdapat dalam suatu polideoksinukleotida, maka struktur tersebut molekul yang hanya memiliki tiga unit nukleotida (trinukleotida) ditulis dalam d-pApGpCp atau Jika dAGC. denganbentuk ujung singkatan 5’ dan 3’ yang terfosforilasi. urutan AGC terdapat dalam suatu polideoksinukleotida, maka struktur tersebut ditulis dalam bentuk singkatan d-pApGpCp atau dAGC. Sedangkan struktur dinukleotida d-ApTp adalah sebagai berikut: Sedangkan struktur dinukleotida d-ApTp adalah sebagai berikut: HOH2C 5' 4'

H H

H

P

1' 2'

3'

H

H

O O

Adenin

O

O-

O H2C 5' 4'

H H

H

P

1' 2'

3'

H

H

O O

Timin

O

O-

O-

Perhatikan bahwa tidak terdapat fosfat pada ujung 5’, dan adanya deoksiribosa. Bentuk singkat lain yang umum digunakan untuk Bentuk menggambarkan singkat lain yang umum untuk menggambarkan struktur ini struktur inidigunakan adalah Perhatikan bahwa tidak terdapat fosfat pada ujung 5’, dan adanya deoksiribosa. adalah

Asam Nukleat 230

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

A 3'

T

A 3'

T P

Asam Nukleat

3'

HO

P 3'

P HO 5'

3' P

5'

3'

Perhatikan bahwa bentuk singkat di atas tidak menggambarkan sifat gula.

bahwa bentuk singkat di atas tidaksingkat menggambarkan SedangkanPerhatikan struktur pApUpGpCpApCp dalam bentuk adalah sebagai sifat bahwa gula. Sedangkan struktur dalam bentuk Perhatikan bentuk singkat di pApUpGpCpApCp atas tidak menggambarkan sifat gula. berikut: singkat adalah sebagai berikut: Sedangkan struktur pApUpGpCpApCp dalam bentuk singkat adalah sebagai berikut:

A

U

G

C

A

C

3' A

3' U

3' G

3' C

3' A

3' C

3'

P

P P

5'

P

3'

P

5'

P

3'

P

5'

P

3'

P

5'

P

3'

P

5'

P

3'

P

5'

P

Struktur ini memiliki enam unit nukleotida sehingga disebut sebagai 5' 5' 5' 5' 5' 5' untuksehingga struktur yang mengandung Struktursuatu ini heksanukleotida. memiliki enamIstilah unit umum nukleotida disebut sebagai suatu beberapa nukleotida (10 atau kurang) adalah oligonukleotida.

heksanukleotida. Istilah umum untuk struktur yang mengandung beberapa Struktur ini memiliki enam unit nukleotida sehingga disebut sebagai suatu nukleotida (10 atau kurang) adalah oligonukleotida. heksanukleotida. 6. STRUKTURIstilah DNA umum untuk struktur yang mengandung beberapa nukleotida (10 atau kurang) adalah oligonukleotida. DNA merupakan suatu polideoksinukleotida yang termasuk makro6. STRUKTUR DNA

molekul biologis yang paling besar. Sebagian molekul DNA terdiri atas lebih 108 nukleotida.suatu DNA mengandung adenin, timin, guanin, DNAdarimerupakan polideoksinukleotida yang termasuk 6. STRUKTUR DNA dan citosin sebagai basa. Informasi genetik dikode di dalam urutan nukmakromolekul biologis yang paling besar. Sebagian molekul DNAterseterdiri atas leotida DNA, yang ditentukan dengan tepat sepanjang molekul DNASalah merupakan suatu polideoksinukleotida yangurut­an termasuk but. satu metode paling sederhana untuk menentukan lebih dari 108 nukleotida. DNA mengandung adenin, timin, guanin, dan citosin

makromolekul biologis yang paling besar. Sebagian molekul DNA terdiri atas sebagai basa. Informasi genetik dikode di dalam urutan nukleotida DNA, yang lebih dari 108 nukleotida. DNA mengandung adenin, timin, guanin, dan citosin ditentukan dengan tepat sepanjang molekul tersebut. Salah satu metoda paling

Bab 5 Asam Nukleat

231

nukleotida dari DNA adalah dengan menggunakan enzim DNA polimerase yang mengkatalisis sintesis DNA. Komposisi basa DNA dari berbagai spesies telah berhasil ditentukan. Komposisi ini bervariasi satu dengan lainnya (Lihat tabel 5-1 berikut ini). Tabel 5-1 Komposisi Basa DNA dalam Berbagai Spesies Komposisi Basa (mol %) Spesies

G

A

C

T

Sarcina lutea

37,1

13,4

37,1

12,4

Alcaligenes faecalis

33,9

16,5

32,8

16,8

E. coli K12

24,9

26,0

25,2

23,9

Biji gandum

22,7

27,3

22,8*

27,1

Bovine thymus

21,5

28,2

22,5*

27,8

Hati manusia

19,5

30,3

19,9

30,3

Saccharomyces cerevisiae

18,3

31,7

17,4

32,6

Clostridium perfringens

14,0

36,9

12,8

36,3

*Citosin + metilcitosin.

Komposisi basa DNA ginjal manusia adalah sama seperti untuk hati manusia, yang ditunjukkan dalam tabel 5-1 di atas, karena komposisi basa DNA merupakan karakteristik dari spesies tertentu dan tidak bervariasi antara satu tipe sel dengan tipe sel lainnya. Hal ini menunjukkan fakta bahwa urutan nukleotida dan informasi genetiknya pada tiap tipe sel di dalam suatu organisme adalah persis sama. Akan tetapi, informasi ini diekspresikan secara berbeda-beda dalam berbagai tipe sel dari suatu organisme. Perbandingan purin (A + G) terhadap pirimidin (T + C) adalah hampir sama di semua spesies. Mungkin yang lebih luar biasa adalah bahwa perbandingan A terhadap T dan perbandingan G terhadap C masing-masing juga hampir sama. Kedua fakta ini menunjukkan corak struktur yang penting dalam kebanyakan DNA.

Asam Nukleat

232

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul diperlihatkan dalam gambar. Terdapat dua ikatan H pada pasangan A : T dan tiga pada pasangan G : C. H

CH3 N

O

H

H

O

H N

N N

H

Gula

N H

Gula

N

N

N

N

N

O H

O

N

N

N H

N

N Gula

Gula T

A (a)

G

C (b)

Gambar 5-2 Pasangan Basa dalam DNA. (a) Basa A dari satu Gambar 5-2 Pasangan Basa dalam DNA. (a) Basa A dari satu nukleotida selalu nukleotida selalu berikatan dengan basa T dari nukleotida lainnya, berikatan dengan basa T dari nukleotida lainnya, sedangkan (b) basa G selalu G berpasangan dengan basa C.dengan Pasangan A dan terbentuk sedangkan (b) basa selalu berpasangan basa C.TPasangan A dengan dua ikatan hidrogen, sedangkan pasangan G dan C terbentuk tiga ikatan karena itu,sedangkan pasangan G-C pasangan lebih stabil dan T terbentukdengan dengan duahidrogen. ikatanOleh hidrogen, G daripada pasangan A-T. dan C terbentuk dengan tiga ikatan hidrogen. Oleh karena itu, pasangan G-C lebih stabil daripada pasangan A-T. Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

221

DNA merupakan molekul rangkap, yakni dua rantai (atau untai) polinukleotida dihubungkan satu sama lain melalui pasangan basa tertentu (Gambar 5-2, dibawah ini). Adenin dalam salah satu untai berpasangan dengan timin dalam untai yang lain, sedangkan guanin

Bab 5 Asam Nukleat

233

berpasangan dengan citosin. Kedua rantai ini disebut komplementer. Ini merupakan salah satu hal penting dari usulan Watson dan Crick mengenai struktur DNA. Ikatan hidrogen terbentuk di antara basaAsam Nukleat basa yang berhadapan di dalam suatu pasangan. Dalam struktur yang diusulkan oleh Watson dan Crick, pasangan basa A : T dan G basa DNA tersusun di atas satu sama lain, dengan bidang : C kurang Pasangan lebih planar, dengan ikatan H (garis putus-putus) seperti pasangan basa yang tegak lurus terhadap panjang molekul rangkap tersebut. diperlihatkan dalam gambar. Terdapat dua ikatan H pada pasangan A : ini ditunjukkan dalam diagram struktur tipe tangga pada Gambar 5-3. T danHal tiga pada pasangan G : C. Ujung 3'

Ujung 5'

OH

P 51

31

A

T

C

G

P

P

51 51

31

3

31

5

31

P T

A

G

C

51

31 P

P 1

51

31

P 51

51

31

1

31

51

31

P

51

P

51

31

A

T

51

31 P

OH

Ujung 5'

Ujung 3' Ujung 5’

Ujung 3’

Ujung 3’ Ujung 5’

Gambar 5-3 Tumpukkan pasangan basa dalam dupleks DNA Gambar 5-3 Tumpukkan pasangan basa dalam dupleks DNA

Kedua rantai DNA terorientasi dalam arah yang berlawanan. Suatu model

DNA

yang

menunjukkan

pasangan

basa

antara

untai-untai

234

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

Pasangan basa DNA tersusun di atas satu sama lain, dengan bidang pasangan basa yang tegak lurus terhadap panjang molekul rangkap tersebut. Hal ini ditunjukkan dalam diagram struktur tipe tangga pada Gambar 5-3. Kedua rantai DNA terorientasi dalam arah yang berlawanan. Suatu model DNA yang menunjukkan pasangan basa antara untaiuntai komplementer dan konsisten dengan data difraksi sinar-x telah dikembangkan oleh James Dewey Watson dan Francis Crick pada tahun 1953. Dasar struktur ini adalah membelitnya kedua untai mengelilingi satu sama lain membentuk suatu untai ganda (heliks ganda, double heliks). Untuk mendapatkan struktur yang konsisten dengan data yang tersedia pada saat itu, diperlukan orientasi rantai-rantai komplementer dalam arah yang berlawanan (Gambar 5-3). Bukti nyata untuk polaritas berlawanan dalam arah rantai ini didapatkan sekitar 10 tahun kemudian. Pembentukan heliks DNA menyumbang kestabilan struktur DNA keseluruhan. Salah satu efek besar dari pembelitan untai membentuk heliks adalah menggiring pasangan basa menjadi sangat dekat satu sama lain. Dalam bentuk B (Gambar 5-4), jarak pasangan basa adalah 0,34 nm (jarak ini disebut rise). Dengan demikian, air dikeluarkan dari inti hidrofob, dan fosfat bermuatan berada pada permukaan. Interaksi hidrofob di dalam inti serta ikatan H antara pasangan basa turut menyumbang kestabilan heliks keseluruhan. Terjadi satu belitan heliks sempurna di setiap 10 pasang basa atau 3,4 nm. Jarak ini disebut pitch heliks. Permukaan heliks menunjukkan alur mayor dan alur minor, yang mengikuti sepanjang belitan molekul untai-ganda. Alur mayor kini diketahui mengakomodasi interaksi dengan protein yang mengenali dan mengikat urutan-urutan nukleotida tertentu. Struktur heliks ganda dalam Gambar 5-4 disebut bentuk B. Data difraksi sinar-x yang dipakai oleh Watson dan Crick diperoleh dari serat DNA yang dalam kondisi kelembaban tinggi. Pada kelembaban yang lebih rendah (<75 persen), serat DNA akan memendek. Hal ini mengakibatkan perubahan menjadi bentuk A, yang pasangan basanya tidak tegak lurus terhadap sumbu heliks, melainkan dimiringkan sekitar

Bab 5 Asam Nukleat

235

200, dan jarak pitch memendek menjadi 2,8 nm dengan 11 pasang basa per putaran. Bentuk-B heliks mendominasi di dalam sel, tetapi molekul hibrid untai ganda RNA dan DNA/RNA menghasilkan bentuk A heliks. Suatu bentuk heliks ganda yang sangat berbeda ditemukan dalam DNA yang mengandung pertukaran urutan purin–pirimidin, terutama d(CG)n serta d(TG)n. Heliks ini berbentuk heliks tangan-kiri, bukan heliks tangan-kanan seperti biasanya. Bentuk heliks tangan-kiri ini dikenal sebagai DNA bentuk Z. Parameter heliks dapat diperbandingkan seperti dalam Tabel 5.2, sedangkan model ruang untuk DNA bentuk Z dan bentuk B dapat diperbandingkan dalam Gambar 5-5.Asam Nukleat

Pasangan Basa

Alur Kecil

Alur Besar

Pasangan Basa

Tulang Punggung DNA

Pasanga n Basa Tulang TulangPunggung Punggung DNA DNA

Gambar 5-4 Gambar DNA Heliksganda ganda (disebut juga bentuk B) Gambar 5-4 Gambar DNA Heliks (disebut juga bentuk B) Struktur heliks ganda dalam gambar 5-4 disebut bentuk B.

Data

difraksi sinar-x yang dipakai oleh Watson dan Crick diperoleh dari serat DNA

236

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

Dalam bentuk Z, unit yang berulang adalah suatu dinukleotida sehingga struktur yang dihasilkan berbentuk tangga zig-zag pada tulang punggung gula-fosfat, karena itulah dinamakan Z. Mungkin saja DNA bentuk Z ini memiliki peran biologis yang penting, tetapi sampai saat ini hal tersebut belum pasti. Urutan d(TG)n dengan n>25 biasa ditemukan dalam DNA eukariot (≈105 salinan dalam genom manusia), tetapi tidak terlihat dalam bentuk Z in vivo. Tabel 5-2 Perbandingan Heliks-heliks DNA Parameter Heliks

A-DNA

B-DNA

Z-DNA

Kaidah

Kanan

Kanan

Kiri

Pasang basa per putaran

11

10

12

Rise (nm)

0,29

0,34

0,37

Pitch (nm)

3,2

3,4

3,5

Difraksi sinar-x pada serat DNA hanya dapat menghasilkan data yang merupakan rata-rata dari pengaruh variasi urutan pada konformasi DNA. Penelitian dengan resolusi yang lebih tinggi memerlukan analisis difraksi sinar-x pada kristal DNA tunggal, dan hal ini hanya mungkin dilakukan dengan sintesis kimia DNA murni yang memiliki panjang dan urutan tertentu. Pemeriksaan pada fragmen DNA kristal dari berbagai komposisi basa menunjukkan variasi bergantung urutan (sequence-dependent) dalam heliks ganda. Selain itu juga terlihat penekanan bentuk A, B, dan Z sebagai struktur yang berbeda. Variasi terjadi dalam orientasi tiap pasang basa ke pasang basa berikutnya oleh rotasi di sekitar sumbu X atau tilt, sumbu Y atau roll, atau sumbu Z atau twist, pada heliks. Basa-basa dalam pasangan juga bisa berotasi berlawanan, membentuk variasi bentuk buckle, propeller, dan opening (gambar 5-6). Parameter dalam tabel 5.2 merupakan nilai rata-rata. Sebagai contoh, rata-rata rise untuk bentuk B adalah 0,34 nm, tetapi sebenarnya nilai ini bervariasi dari 0,25 nm sampai 0,44 nm.

Asam Nukleat

Parameter dalam tabel 5.2 merupakan nilai rata-rata. Sebagai contoh, rata-rata rise untuk bentuk B adalah 0,34nilai nm, tetapi sebenarnya nilai ini Parameter dalam tabel 5.2 merupakan rata-rata. Sebagai contoh, Babbervariasi 5 Asam Nukleat 237 dariuntuk 0,25 bentuk nm sampai 0,44 nm. rata-rata rise B adalah 0,34 nm, tetapi sebenarnya nilai ini bervariasi dari 0,25 nm sampai 0,44 nm.

(a) Bentuk Z (a) Bentuk Z

(b) Bentuk B (b) Bentuk B

Gambar BentukZZdan dan bentuk DNA Gambar 5-55-5Bentuk bentukB Bdari DNA. Gambar 5-5 Bentuk Z dan bentuk B dari DNA Sumbu heliks Sumbu heliks

Miring Miring

Baling-baling Baling-baling

Gesper Gesper

Twist Twist

Gulung Gulung

Membuka Membuka

Gambar 5-6 yang tergantung pada urutan dalam geometri pasangan basa basa Gambar 5-6 Variasi Variasi yang tergantung pada urutan dalam geometri pasangan DNA. Gambar 5-6 Variasi yang tergantung pada urutan dalam geometri DNA.

pasangan basa DNA.

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

226 226

238

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

Rangkaian dAn dengan n = 4–6 terdapat pada heliks yang berulang setiap ≈10–11 pasang basa, menimbulkan pelengkungan sumbu heliks dalam bentuk B. Dengan cara yang sama, urutan berulang purinpirimidin-x-x-x-pirimidin-purin-x-x-x dengan x merupakan basa apapun, juga menimbulkan lengkungan. Penemuan heliks bentuk Z dihasilkan dari penelitian kristal yang dibentuk dari urutan dCGCGCG. Bagian dari DNA yang memperlihatkan alternatif urutan purin-pirimidin ini dapat menimbulkan “pengerutan” heliks bentuk B, yang menghasilkan alur minor lebih dalam. Selain itu, bisa saja terjadi transformasi menjadi heliks bentuk Z. Oligonukleotida dapat disintesis dalam laboratorium. Metode umum untuk sintesis DNA yakni metode fosfit triester (Gambar 5-7). Suatu untai tunggal oligonukleotida dibentuk dengan menciptakan bagian ikatan diester antara 5’-hidroksil pada satu residu dengan 3’fosfat pada residu berikutnya. 3’-Fosfat diaktivasi oleh substitusi dialkil fosfoamidit (DPA) sehingga mudah bereaksi dengan 5’-OH bebas pada nukleotida pertama. Untuk mencegah pembentukan ikatan yang tak diinginkan, nukleotida pertama diikat oleh 3’-OH pada pendukung padat (sering dipakai silika gel) dalam suatu kolom atau corong. 5’OH pada nukleotida kedua dicegah bereaksi oleh gugus dimetoksitritil (DMT). Reaksi yang terjadi menghasilkan fosfit triester, yang kemudian dioksidasi dengan cara membilas kolom memakai yodium sehingga terbentuk fosfodiester. Setelah itu, gugus DMT dihilangkan dari nukleotida kedua dengan memakai asam asetat 80% (detritilasi), untuk menyiapkan reaksi dengan monomer DPA-teraktivasi berikutnya. Siklus ini terus berlangsung sampai oligonukleotida terbentuk sempurna. Metode ini dapat membuat urutan sampai 150 residu. Pengurutan DNA dilakukan dengan metode pengurutan rantai terminasi (chain-termination sequencing) yang paling banyak digunakan. Metode ini disebut juga sebagai metode dideoksi.

Bab 5 Asam Nukleat

Asam239 Nukleat

5' DMT

O

Basa

O 2 H

H O P

H3CO

H DPA DMT

O

Basa

O 2

+ Katalis H HO

Basa

O 1 H

H O P

H3CO

H O

H O

Basa

O 1

H

H

H O

H

Pendukung Pendukung

Dioksidasi DMT

O

Basa

O 2 H

H3CO

HO Detritilasi

H O P O O

H

H Basa

O 1 H

H O

H

Pendukung

Basa

O 2

H3CO

H O P O O

H Basa

O 1 H

H O

H

Pendukung

Gambar 5-7 Sistesis oligonukleotida fase padat Gambar 5-7 Sistesis oligonukleotida fase padat

7. DENATURASI DNA Pengurutan DNA dilakukan dengan metoda pengurutan Heliks ganda merupakan molekul yang kaku dan diperpanjang. Karenarantai itulah(chain-termination larutan DNA mempunyai viskositas larutan digunakan. DNA terminasi sequencing) yangtinggi. palingJikabanyak dipanaskan sampai ~950C, maka viskositasnya akan turun drastis, Metoda ini disebut juga sebagai metoda dideoksi. menandakan terjadinya kehancuran struktur heliks ganda. Peristiwa ini disebut sebagai denaturasi yang diiringi dengan pemisahan untai rangkap menjadi untai-untai tunggalnya yang sedikit fleksibel. 7. DENATURASI DNA Denaturasi dan renaturasi menyediakan informasi berharga mengenai Heliks ganda merupakan molekul yang kaku dan diperpanjang. Karena itulah larutan DNA mempunyai viskositas tinggi. Jika larutan DNA dipanaskan 0

240

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

sifat-sifat penting DNA yang diperoleh dari berbagai sumber. Asam Nukleat Denaturasi juga menyediakan dasar pendekatan yang sangat tepat dan sensitif untuk identifikasi urutan tertentu dalam DNA maupun RNA. sumber. Denaturasi juga menyediakan dasar pendekatan yang sangat tepat Hal ini merupakan inti dari perkembangan pesat genetika molekul. dan sensitif untuk identifikasi urutan tertentu dalam DNA maupun RNA. Hal ini Denaturasi bisaintidideteksi denganpesat cepat melalui perubahan viskositas, merupakan dari perkembangan genetika molekul. tetapi cara lain yang jauh lebih mudahdengan adalahcepat dengan pengukuran absorpsi Denaturasi bisa dideteksi melalui perubahan viskositas, ultraviolettetapi (uv).caraPerbedaan spektrum uvadalah untuk bentuk DNAabsorpsi aslinya lain yang jauh lebih mudah dengan pengukuran (heliks ganda) dan(uv).bentuk terdenaturasi tunggal) diperlihatkan ultraviolet Perbedaan spektrum uv (untai untuk bentuk DNA aslinya (heliks ganda) dan (untai tunggal) diperlihatkan dalam Gambar(260 5dalam Gambar 5-8.bentuk Padaterdenaturasi panjang gelombang absorpsi maksimum 8. Pada panjang gelombang absorpsi oleh DNA nm), absorpsi oleh DNA untai absorpsi tunggalmaksimum kira-kira(26040nm), persen lebih tinggi untai tunggal 40 persen lebihdisebut tinggi daripada DNA untai Hal ini daripada DNA untaikira-kira ganda. Hal ini sebagai efek ganda. hiperkromat disebut sebagai efek hiperkromat tumpukan yang diakibatkan oleh terbongkarnya yang diakibatkan oleh terbongkarnya pasangan basa dalam heliks. tumpukan pasangan basa dalam heliks.

Absorbansi

UntaiTunggal

Heliksganda

Panjang gelombang (nm)

GambarGambar 5-8 Perbedaan spektra uv dalam bentuk native 5-8 Perbedaan spektra absorbansi absorbansi uv dalam bentuk native (heliks ganda), dan bentuk terdenaturasi (untai tunggal). (heliks ganda), dan bentuk terdenaturasi (untai tunggal). Heliks DNA distabilkan oleh ikatan H antara pasang-pasang basa Heliks DNA distabilkan oleh ikatan H antara pasang-pasang individu dan oleh gaya hidrofob antara pasang-pasang basa yang bertumpuk. basa individu dan oleh gaya hidrofob antara pasang-pasang basa yang Pereaksi yang bisa mereduksi ikatan H serta menurunkan polaritas medium bertumpuk. Pereaksi yang bisa mereduksi ikatan H serta menurunkan polaritas medium yang mengelilinginya akan menyebabkan denaturasi, Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

229

Asam Nukleat Bab 5 Asam Nukleat

241

yang mengelilinginya akan menyebabkan denaturasi, contohnya adalah pereaksi formamida. pH ekstrim yang memberi muatan pada basa juga efektif

contohnya adalah DNA. pereaksiKarena formamida. untuk mendenaturasi itulah pH padaekstrim pH 12 yang DNA memberi menunjukkan

muatan pada basa juga efektif untuk mendenaturasi DNA. Karena itulah pada pH 12 DNA menunjukkan absorpsi (pada 260 nm) 40 Jika secara berangsur-angsur, persen lebihsuhu tinggilarutan daripadaDNA bentukditingkatkan aslinya. Jika menjadi suhu larutan DNAterdenaturasi ditingkatkan secara berangsur-angsur, perubahan bentuk bisa dipantau dengan pemelihat rubahan menjadi bentuk terdenaturasi bisa dipantau dengan melihat perubahan absorbansi pada panjang gelombang 260 nm. Hasil pemantauan perubahan absorbansi pada panjang gelombang 260 nm. Hasil pemanuntuk beberapa DNA tipe diperlihatkan dalam Gambar tauan untuk tipe beberapa DNA diperlihatkan dalam5-9. Gambar 5-9. absorpsi (pada 260 nm) 40 persen lebih tinggi daripada bentuk aslinya.

Absorbans relatif pada 260 nm

1,40

1,36

Pneumococcus 1,24

M. phlei

E. coli 1,12

S. marcescens 1,0

62

68

74

86

80

92

98

0

Suhu ( C)

Gambar 5-9 Kurva pelelehan untuk DNA pada beberapa jenis spesies.

Gambar 5-9 Kurva pelelehan untuk DNA pada beberapa jenis spesies. Kurva dalam 5-9 disebut sebagai kurva pelelehan (melting curves), Kurvagambar dalam gambar 5-9 disebut sebagai kurva pelelehan (melting

curves), karena daerah di absorbansinya atas yang absorbansinya menankarena daerah di atas yang meningkatmeningkat menandakan robohnya

dakan robohnya (atau melelehnya) heliks ganda DNA yang sangat terorganisir dan berbentuk semikristal. Suhu pada saat terjadi 50 persen semikristal. Suhu pada saat terjadi pelelehan disebut suhu pelelehan, atau50 Tm.persen pelelehan disebut suhu (atau melelehnya) heliks ganda DNA yang sangat terorganisir dan berbentuk pelelehan, atau Tm. Selain panas, faktor lain yang mempengaruhi Tm pada DNA tertentu adalah pada pH netral, Tm tergantung pada konsentrasi garam (atau kekuatan

242

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

Selain panas, faktor lain yang mempengaruhi Tm pada DNA tertentu adalah pada pH netral, Tm tergantung pada konsentrasi garam (atau kekuatan ionik) medium. Kurva yang diperlihatkan dalam Gambar 5-9 diperoleh pada kekuatan ionik sedikit di atas 0,15. Bila Asam Nukleat dikurangi 90 persen, maka semua nilai Tm akan turun sekitar 200C. Nilai ini diakibatkan oleh penambahan muatan negatif dan tolakan Tm akan turun sekitar 200C. Nilai ini diakibatkan oleh penambahan muatan elektrostatik yang lebih besar (yang menambah gangguan pada heliks) negatif dan tolakan elektrostatik yang lebih besar (yang menambah gangguan dalam struktur DNA pada kekuatan ionik yang lebih rendah. pada heliks) dalam struktur DNA pada kekuatan ionik yang lebih rendah. DNA dari sumber yang berbeda memiliki nilai Tm yang berbeda dari sumber yang berbeda memiliki nilai Tm yang berbeda pula. pula. Hal iniDNAdikarenakan DNA-DNA tersebut memiliki jumlah Hal ini dikarenakan DNA-DNA tersebut memiliki jumlah pasangan basa G : C pasangan basa G : C dan A : T yang berbeda. Pasangan basa G : C dan A : T yang berbeda. Pasangan basa G : C memberikan stabilitas yang memberikan stabilitas yang lebih besar pada heliks, mungkin melalui lebih besar pada heliks, mungkin melalui adanya tiga ikatan H di setiap adanya tiga ikatan H di setiap pasangan basa (Gambar 5-1). Dengan pasangan basa (Gambar 5-1). Dengan demikian, semakin tinggi kandungan demikian, semakin tinggi kandungan GC maka semakin tinggi pula GC maka semakin tinggi pula nilai Tm. Karena itu, nilai Tm dalam kondisi nilai Tm. Karena itu, nilai Tm dalam kondisi standar bisa dipakai untuk standar bisa dipakai untuk mendapatkan perkiraan kandungan G + C dalam mendapatkan perkiraan kandungan G + C dalam DNA tak dikenal. DNA tak dikenal. Hal ini ditunjukkan dalam Gambar 5-10 yang memperlihatkan Hal ini ditunjukkan dalam Gambar 5-10 yang memperlihatkan plot plot Tm terhadap kandungan G + C dalam sejumlah DNA. Tm terhadap kandungan G + C dalam sejumlah DNA. 100

Persen mol G + C

80

60

40

20

0

60

70

80

90

100

110

Tm (0C)

Gambar 5-10 Suhu pelelehan DNA sebagai fungsi dari Gambar 5-10 Suhu pelelehan DNA sebagai fungsi dari kandungan G + C kandungan G + C Untai DNA komplementer yang dipisahkan oleh panas akan bergabung kembali secara spontan ketika suhu diturunkan sampai di bawah nilai Tm. Renaturasi ini disebut juga annealing (pendinginan).

Asam Nukleat

Bab 5 Asam Nukleat

243

Laju renaturasi tergantung pada konsentrasi urutan komplementer.

Untai DNA komplementer yang dipisahkan oleh panas akan

DNA virus memilikikembali variasi secara urutanspontan yang lebih kecil dari pada DNA bakteri, bergabung ketika suhu diturunkan sampai di yang

bawah lebih nilai Tm. Renaturasi ini disebut juga annealing (pendinginan). menandakan tingginya tingkatan kompleksitas genetik dalam bakteri.

Laju renaturasi tergantung pada konsentrasi urutan komplementer. DNA virus memiliki variasi urutan yang lebih kecil dari pada DNA pada konsentrasi yang sama, akan terdapat bakteri, yangmolar menandakan lebih tingginya tingkatankonsentrasi kompleksitasurutan genetikyang dalamlebih bakteri. Untuk DNA danKarena bakteri itu dengan komplementer tinggi padafragmen fragmen DNAvirus virus. DNA virus ukuran rata-rata yang sama dan pada konsentrasi molar yang sama, akan berenaturasi lebih cepat daripada bakteri. Dengan katatinggi lain, DNA akan terdapat konsentrasi urutan DNA komplementer yang lebih pada fragmen DNA virus. urutan Karenayang itu DNA akan berenaturasi bakteri mempunyai heterogenitas lebih virus besar. lebih cepat daripada DNA bakteri. Dengan kata lain, DNA bakteri Laju renaturasi dan heterogenitas urutan (atau kompleksitas) bisa mempunyai heterogenitas urutan yang lebih besar. diperoleh secara analisis COT. C0 adalah konsentrasi Laju kuantitatif renaturasi melalui dan heterogenitas urutanJika (atau kompleksitas) bisa diperoleh melalui COT. Jika C0 adalah awal DNA (mol per secara liter kuantitatif DNA fosfat) dananalisis k adalah tetapan laju untuk konsentrasi awal DNA (mol per liter DNA fosfat) dan k adalah tetapan penggabungan untai-untai komplementer, fraksi f molekul laju untuk penggabungan untai-untaimaka komplementer, maka untai fraksi tunggal f akan mengalami penurunan dengan waktu t (s) menurut persamaan molekul untai tunggal seiring akan mengalami penurunan seiring dengan berikut: waktu t (s) menurut persamaan berikut: Untuk fragmen DNA virus dan bakteri dengan ukuran rata-rata yang sama dan

f

1 1 kC 0 t

Hasil analisis COT diplotkan sebagai f terhadap C0t. Plot beberapa DNA dalam

Hasil analisis COT diplotkan sebagai f terhadap C0t. Plot beberapa DNA dalam kondisi tertentu (ukuran fragmen DNA, suhu, dalam Gambar 5-11. Nilai C0diperlihatkan t pada f = 0,5 dalam disebutGambar sebagai5-11. C0t1/2Nilai . pH, kekuatan ionik) C0t f pada f = 0,5 disebut sebagai C0t1/2.

kondisi tertentu (ukuran fragmen DNA, suhu, pH, kekuatan ionik) diperlihatkan

1,0

Tetapan laju k merupakan karakteristik dari DNA tertentu dan berkaitan dengan kompleksitas komposisi urutannya. C0t1/2 merupakan resiprok dari k sehingga bisa digunakan sebagai ukuran kompleksitas DNAsemakin kompleks DNA urutan. Semakin tinggi nilai C0t1/2 maka Sedikit terdapat DNA Bakteri berulang pada anak sapi tersebut.

0,5 Banyak DNA berulang pada Tikus

DNA Virus

1 1 kC 0 t

f

244

Hasil analisis COT diplotkan sebagai f terhadap C0t. Plot beberapa DNA dalam

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

kondisi tertentu (ukuran fragmen DNA, suhu, pH, kekuatan ionik) diperlihatkan dalam Gambar 5-11. Nilai C0t pada f = 0,5 disebut sebagai C0t1/2. f 1,0

DNA Bakteri

Sedikit terdapat DNA berulang pada anak sapi

0,5 DNA Virus

Banyak DNA berulang pada Tikus

10-4

10-3

Gambar 5-11

10-2

10-1

1

10

102

103

104

Analisis COT pada berbagai DNA Cot (M s)

Tetapan laju k merupakan dari DNA tertentu dan berkaitan Gambar 5-11karakteristik Analisis COT pada berbagai DNA dengan

kompleksitas komposisi urutannya. C0t1/2 merupakan resiprok dari k sehingga

Dalam gambar 5-11, terlihat bahwa highly repeated DNA pada tikus memiliki C0t1/2 sebesar ~10-3 M s, yang menunjukkan renaturasi Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul 232 DNA paling cepat daripada yang lain. Genom tikus mengandung sekitar 106 salinan urutan berulang ~300 pasang basa; hal ini dikenal sebagai highly repeated DNA. Karena itu, fraksi DNA ini strukturnya sederhana, dengan konsentrasi molar relatif tinggi, dan mampu berenaturasi dengan cepat. Kurva paling kanan pada gambar 5-11, yakni nonrepeated DNA pada thymus anak sapi memiliki nilai C0t1/2 yang sangat tinggi. Nilai ini menandakan penggabungan kembali salinan-salinan urutan yang unik dalam genom yang cukup kompleks. Bila DNA total dari sel hewan telah dianalisis dengan analisis COT, maka biasanya ditemukan kurva tiga-langkah yang berasal dari urutan highly repeated, moderately repeated, dan nonrepeated (unik). Urutan unik adalah urutan yang mengkode suatu produk protein. Urutan highly repeated terdapat dalam daerah sentromer kromosom, yang bisa terlibat dalam pengenalan kromosom-kromosom. Hanya sedikit yang diketahui mengenai urutan moderately repeated. DNA virus dan bakteri tidak menunjukkan banyak langkah dalam analisis COT dan tidak mengandung urutan highly repeated atau moderately repeated.

Bab 5 Asam Nukleat

245

8. UKURAN, ORGANISASI, DAN TOPOLOGI DNA Molekul DNA berukuran sangat panjang. Misalnya, DNA dalam sel bakteri yang berupa satu molekul heliks ganda, bila dibentangkan akan berukuran sekitar 1.000 kali lebih panjang dari diameter sel itu sendiri. Molekul ini membawa semua informasi genetik dari sel yang menggambarkan genom (komplemen tunggal dari material genetik). Kromosom adalah unit fisik atau unit tersusun yang di dalamnya terdapat sebagian atau keseluruhan genom. Seluruh genom E. coli terdapat di dalam satu kromosom, yang berisikan suatu molekul DNA tunggal berukuran 2,5 x 109 Da dan mengandung sekitar 4,6 x 106 pasang basa. Ukuran molekul DNA lebih sering dituliskan dalam pasangan kilobasa (kilobase pairs), yakni 1 kb = 1.000 pasang basa. Kromosom E. coli berukuran 4.639 kb. Ciri lain dari kromosom E. coli yakni molekul tersebut berupa struktur tertutup (atau “lingkar”) yang tidak memiliki ujung bebas. Informasi untuk virus, bakteri, dan eukariot dapat dilihat dalam tabel di bawah ini. Organisme

Ukuran Genom (kilobasa)

Kromosom per Genom

Topologi DNA

Virus Virus simian 40 (SV40)

5,1

1

Lingkar

Bakteriofag fX174

5,4

1

Lingkar, untai tunggal

Bakteriofag l

48,6

1

Linear

Bakteri Escherichia coli

4.639

1

Lingkar

Ragi

13.500

17

Linear

Manusia

2.900.000

23

Linear

Eukariot

Dalam contoh di atas, terlihat bahwa DNA bakteriofag fX174 merupakan untai tunggal, bukan untai ganda. Dalam hal ini, ukuran genom dalam kb merupakan jumlah pasang basa dalam bentuk rangkap yang ekuivalen. Jumlah informasi dalam genom meningkat mulai dari virus sederhana sampai eukariot. Sebagai perkiraan kasar, jumlah

246

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

kilobasa dalam genom virus dan bakteri dapat dianggap ekuivalen dengan jumlah gen yang masing-masing mengkode suatu produk protein. Namun hal ini tidak berlaku untuk eukariot karena adanya urutan basa yang tidak diekspresikan. Dalam virus dan bakteri (prokariot) banyak terdapat DNA lingkar. Dalam eukariot biasanya dianggap setiap kromosom berisi molekul linear tunggal DNA heliks ganda. Molekul DNA yang sangat panjang berkondensasi menjadi struktur yang lebih padat di dalam kromosom. Dalam eukariot, DNA tidak terdapat bebas. DNA membentuk kompleks dengan suatu protein basa yang memiliki massa kurang lebih sama, yang disebut histon. Dahulu disangka bahwa DNA bakteri tidak membentuk kompleks seperti itu. Jika histon tidak ada dalam bakteri, maka terdapat bukti adanya protein mirip histon dalam bakteri yang memungkinkan kondensasi DNA membentuk nukleoid yang padat. Terdapat lima tipe histon yang diberi nama H1, H2A, H2B, H3, dan H4. Histon memiliki berat molekul sedikit rendah (Mr = 11.000 – 23.000) dan mengandung bagian besar asam amino basa arginin dan lisin. Distribusi asam-asam amino dalam molekul histon tergolong unik. Di sepanjang rantai polipeptida tunggalnya, asam amino basa cenderung berkumpul di setengah bagian, sedangkan setengah bagian lainnya relatif hidrofob. Selain itu, histon banyak mengandung rantai samping asam amino modifikasi, misalnya arginin termetilasi dan lisin terasetilasi. Kompleks nukleoprotein yang terbentuk disebut kromatin. Kromatin bisa diisolasi sebagai serat dari inti. Ketika dibentangkan dan dianalisis menggunakan mikroskop elektron, serat-serat ini tampak seperti “butiran manik-manik pada senar”. Kebanyakan histon terdapat dalam butiran tersebut, yang disebut nukleosom. Butiran nukleosom terdiri atas suatu rangkaian delapan histon (dua kali dari H2A, H2B, H3, dan H4) yang dibungkus oleh sekitar 200 pasang basa DNA yang mengelilinginya. Pencernaan kromatin oleh nuklease menghasilkan partikel inti yang masih mengandung delapan histon dan hanya 140 pasang basa DNA. Sisa DNA berfungsi sebagai penghubung antara inti-inti tersebut, dan sepertinya histon H1 bergabung dengan

histon (dua kali dari H2A, H2B, H3, dan H4) yang dibungkus oleh sekitar 200 pasang basa DNA yang mengelilinginya. Pencernaan kromatin oleh nuklease Bab 5 Asam Nukleat 247 menghasilkan partikel inti yang masih mengandung delapan histon dan hanya

140 pasang basa DNA. Sisa DNA berfungsi sebagai penghubung antara intiinti tersebut, ini. dan Struktur sepertinya partikel histon H1 dengan penghubung penghubung intibergabung telah dianalisis oleh difraksiini. StrukturGambar partikel 5-12 inti telah dianalisis oleh difraksi sinar-x. Gambar 5-12 sinar-x. menunjukkan penataan DNA dengan oktamer menunjukkan DNA dengan histon. Untuk memadatkan DNA histon. Untukpenataan memadatkan DNA oktamer dalam nukleus, nukleosom disusun menjadi struktur terkondensasi. dalam nukleus, nukleosom disusun menjadi struktur terkondensasi.

Histon H2A, H2B, H3, H4

Histon H1 Penghubung DNA

Inti DNA

Penghubung DNA

Gambar 5-12 Penyusunan histon dan DNA dalam suatu nukleosom Gambar 5-12

Penyusunan histon dan DNA dalam suatu nukleosom

Sel bakteri seringkali mengandung molekul DNA tambahan yang disebut plasmid. Molekul ini relatif kecil (sampai 200 kb), dan terdapat dalam bentuk lingkar rangkap. Plasmid bisa bereplikasi sendiri dan Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul 235 tidak tergantung pada kromosom bakteri. Dalam satu sel bisa terdapat banyak salinan plasmid. Normalnya, plasmid terdapat dalam suatu sel dalam konformasi supercoiled negatif, sama seperti semua DNA. Sel eukariot juga bisa mengandung DNA tambahan selain yang terdapat dalam nukleus. DNA ekstrakromosomal seperti itu terdapat dalam mitokondria dan kloroplas. DNA supercoiled adalah heliks ganda DNA yang membelit dirinya sendiri. Hal ini terjadi dalam DNA lingkar dan dalam DNA yang dibatasi secara topologi untuk membentuk kompleks dengan protein. Jika molekul DNA lingkar dalam konformasi rileks (tidak ada supercoil) diputuskan kedua untainya secara melintang, lalu satu putaran heliks tangan kanan tambahan atau lebih dimasukkan sebelum

dalam konformasi rileks (tidak ada supercoil) diputuskan kedua untainya secara melintang, lalu satu putaran heliks tangan kanan tambahan atau lebih 248

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

dimasukkan sebelum penggabungan kembali ujung-ujung untai, maka molekul akan membelit dirinya sendiri membentuk supercoil positif.

Sebaliknya, jika

penggabungan kembali ujung-ujung untai,kiri,maka akan yang dimasukkan adalah putaran heliks tangan maka molekul akan dihasilkan membelit dirinya sendiri membentuk positif. supercoil negatif. Bentuk-bentuk ini disebutsupercoil topoisomer, yang Sebaliknya, diperlihatkan

jika yang dimasukkan adalah putaran heliks tangan kiri, maka akan Masing-masing supercoil yang dilukiskan di sini dihasilkan supercoil negatif. Bentuk-bentuk ini disebut topoisomer, mengandung supertwistdalam tunggal. Jumlah supertwist dalam suatu molekul bisa yang diperlihatkan gambar 5-13. Masing-masing supercoil yang sangat besar. di DNA supercoiled mudah diubah menjadi bentuk rileksnya dilukiskan sini mengandung supertwist tunggal. Jumlah supertwist dalammemasukkan suatu molekul bisaretakan sangat(atau besar.torehan) DNA di supercoiled mudah dengan suatu antara nukleotidadiubah menjadi bentuk rileksnya dengan memasukkan suatu retakan nukleotida yang bersebelahan dalam salah satu untai. Bentuk ini tidak lagi (atau torehan) di antara nukleotida-nukleotida yang bersebelahan dibatasi secara topologi. dalam salah satu untai. Bentuk ini tidak lagi dibatasi secara topologi. dalam gambar 5-13.

Supercoil negatif

Konformasi longgar

Supercoil positif

Gambar 5-13 Bentuk-bentuk topoisomer

Gambar 5-13 Bentuk-bentuk topoisomer

9. STRUKTUR DAN TIPE RNA RNA terdiri atas rantai poliribonukleotida yang basa-basanya biasanya 236 adalah adenin, guanin, urasil, dan citosin. RNA ditemukan dalam nukleus maupun sitoplasma sel. Variasi bentuk RNA lebih banyak daripada DNA. RNA memiliki berat molekul antara 25.000 sampai beberapa juta. Kebanyakan RNA berisi rantai polinukleotida tunggal, tetapi rantai ini bisa terlipat sedemikian rupa membentuk daerah heliks ganda yang mengandung pasangan basa A : U dan G : C. Terdapat tiga tipe utama RNA, yakni transfer RNA (tRNA), ribosomal RNA (r@RNA), dan messenger RNA (mRNA). RNA berperan dalam ekspresi informasi genetik. tRNA (Mr25.000) berfungsi sebagai suatu adapter dalam sintesis rantai polipeptida. tRNA meliputi 10 – 20

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

membentuk daerah heliks ganda yang mengandung pasangan basa A : U dan G : C. Terdapat tiga tipe utama RNA, yakni transfer RNA (tRNA), ribosomal

Bab 5 Asam Nukleat

RNA (rRNA), dan messenger RNA (mRNA). RNA berperan dalam ekspresi

249

informasi genetik. tRNA (Mr 25.000) berfungsi sebagai suatu adapter dalam sintesis rantai polipeptida. tRNASetidaknya meliputi 10 –terdapat 20 persensatu totaltipe RNAtRNA dalam untuk sel. persen total RNA dalam sel. Setidaknya terdapat satu tRNA tipe tRNA untuk setiap tipe nukleosida asam amino.yang tRNA setiap tipe asam amino. memiliki proporsi relanukleosida yang relatif struktur tinggi. Nukleosida ini memilikiadenin, struktur citifmemiliki tinggi.proporsi Nukleosida ini memiliki unik, misalnya unik, guanin, misalnyaserta adenin, citosin, sertaatau urasil yang termetilasi atau tosin, urasil yang guanin, termetilasi terasetilasi. Sebagai conterasetilasi. contoh, struktur pseudouridin inosindi adalah seperti toh, strukturSebagai pseudouridin dan inosin adalahdan seperti bawah ini. diInosinbawah memiliki peranan penting kodon-antikodon. ini. Inosin memiliki peranandalam pentingpasangan dalam pasangan kodon-antikodon. O

O

C

C HN O

C

1 5

NH

HN

C

CH

HC

C

CH N

C HOCH2

HOCH2

O

C

H

H

H

C

C

OH

OH

Pseudouridin (5-Ribosilurasil)

N

N

O

C

C

H

H

H

H

C

C

OH

OH

C H

Inosin

rRNA terdapat dalam dalam ribosom,ribosom, yang mengandung protein yangprotein massanya rRNA terdapat yang mengandung yang

kurang lebih sama. lebih rRNA sama. meliputirRNA sekitar 80 persen total RNA 80 dalam sel dan massanya kurang meliputi sekitar persen total terdiridalam atas beberapa tipe.terdiri Tipe-tipe RNA bisa dibedakan sama lainRNA melaluibisa RNA sel dan atas beberapa tipe. satu Tipe-tipe dibedakan satu sama lain melalui laju sedimentasinya dalam suatu ultrasentrifuga. Sebagai contoh, ribosom bakteri mengandung tiga tipe Biokimia: 237 RNA: 5S,Struktur 16S, dan danFungsi 23S.Biomolekul mRNA adalah jenis RNA yang sangat heterogen. Setiap molekul membawa salinan urutan DNA, yang ditranslasikan dalam sitoplasma menjadi satu rantai polipeptida atau lebih.

10. NUKLEASE Nuklease adalah enzim yang mendegradasi asam nukleat dengan memotong ikatan fosfodiester. Enzim ini ada yang spesifik untuk DNA

250

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

atau RNA, dan ada juga yang bisa memotong keduanya. Nuklease yang spesifik untuk DNA disebut deoksiribonuklease (DNase), dan yang spesifik untuk RNA disebut ribonuklease (RNase). Nuklease terbagi ke dalam dua kelompok: (1) eksonuklease, dan (2) endonuklease. Eksonuklease mengikat pada ujung rantai (5’ atau 3’), dan memindahkan satu atau beberapa nukleotida. Sebagian molekul bekerja pada ujung 5’ dalam arah 5’ → 3’ (5’ → 3’ eksonuklease; sedangkan yang lain (3’ → 5’ eksonuklease) mulai pada ujung 3’ dan mendegradasi dalam arah berlawanan. Terdapat beberapa eksonuklease yang bisa bekerja pada salah satu dari kedua ujung. Eksonuklease tidak menunjukkan spesifisitas basa atau urutan. Endonuklease tidak hanya bekerja pada ujung rantai, dan akan mengkatalisis pemotongan rantai polinukleotida pada satu sisi atau lebih. Seringkali molekul ini spesifik untuk sisi-sisi tertentu (urutan basa tertentu) di dalam polinukleotida. Banyak nuklease yang membedakan bentuk asam nukleat untai tunggal dengan untai ganda, tetapi beberapa nuklease bisa mengkatalisis atau menghidrolisis keduanya. Contohnya, DNase I (bovin pankreas) dan DNase II (thymus anak sapi) menghidrolisis kedua bentuk asam nukleat tersebut. Perbedaan antara kedua enzim ini yakni DNase I menghasilkan oligonukleotida ujung-P-5’ sedangkan DNase II menghasilkan oligonukleotida ujung-P-3’. Enzim nuklease lain, yakni eksonuklease III (E. coli) yang merupakan 3’ → 5’ eksonuklease memilih DNA untai ganda sebagai substratnya. Endonuklease restriksi adalah bagian dari “sistem kekebalan DNA” dalam bakteri. Enzim ini melindungi sel terhadap masuknya DNA asing dengan cara mengkatalisis pemotongan untai ganda, sehingga DNA sel itu sendiri terlindungi. Terdapat tiga tipe endonuklease restriksi. Endonuklease restriksi tipe II sangat berguna dalam analisis dan pembuatan molekul DNA. Enzim ini memotong DNA untai ganda pada sisi spesifik yang terdiri atas urutan empat sampai delapan nukleotida. Urutan ini bersifat simetri putar lipat dua (twofold rotational symmetry). Sisi-sisi hasil potongan oleh hampir 300 endonuklease restriksi tipe II kini telah ditentukan urutannya, dan banyak potongan yang disusun overlap pada ujung 3’-hidroksil atau 5’fosfat. Pengenalan

Bab 5 Asam Nukleat

251

urutan dan sisi pemotongan oleh endonuklease EcoRI yang banyak digunakan adalah seperti di bawah ini. Tanda panah menunjukkan sisi pemotongan pada tiap untai.

5’ G A A T T C







C T T A A G 5’

11. DNA REKOMBINAN DAN ISOLASI GEN Dengan perkembangan teknologi DNA rekombinan, telah dimungkinkan untuk mengisolasi segmen DNA tertentu yang terkadang mengandung seluruh atau sebagian gen, lalu memeriksa struktur dan sifatsifat lainnya secara rinci. Hal ini telah memberikan keuntungan yang sangat besar untuk pemahaman berbagai aspek replikasi dan ekspresi material genetik pada tingkat molekul yang sangat terperinci. DNA rekombinan merupakan molekul yang dibentuk secara buatan yang mengandung segmen-segmen DNA dari organisme-organisme yang berbeda. Jika salah satu segmen membawa origin of replication, maka molekul rekombinan (atau molekul gabungan) memiliki potensi untuk direplikasi di dalam organisme yang mampu mengenali origin tersebut. Dalam situasi seperti ini, segmen yang membawa origin (yang memungkinkan terjadinya replikasi) disebut sebagai vektor. Terdapat beberapa metode yang tersedia untuk membuat molekul DNA rekombinan. Salah satu pendekatan yang paling banyak digunakan memanfaatkan ujung untai tunggal segmen DNA yang dibentuk oleh endonuklease restriksi tipe II seperti EcoRI. Fragmen-fragmen yang dihasilkan oleh enzim ini mengandung ujung-ujung 5’ yang overlap. Ujung-ujung untai tunggal pendek ini secara spontan bergabung satu sama lain dalam kondisi suhu dan kekuatan ionik yang sesuai, melalui pemasangan basa komplementer. Proses ini disebut annealing

endonuklease restriksi tipe II seperti EcoRI. Fragmen-fragmen yang dihasilkan oleh enzim ini mengandung ujung-ujung 5’ yang overlap. Ujung-ujung untai 252

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

tunggal pendek ini secara spontan bergabung satu sama lain dalam kondisi suhu

dan

kekuatan

ionik

yang

sesuai,

melalui

pemasangan

basa

komplementer. Proses ini disebut Molekul yang (Gambar 5-14). Molekul yang annealing bergabung(Gambar kembali5-14). ini diikat melalui

empat pasang basa, terdapatempat nick pada setiap ini bisa bergabung kembali ini tetapi diikat melalui pasang basa,untai. tetapiNick terdapat nick di gabung kembali DNA ligase. kembali oleh DNA ligase. pada setiap untai. Nickoleh ini bisa di gabung 5’

GAATTC

3’

3’

CTTAAG

5’

EcoRI 5’

G

3’

CTTAA

+

AATTC

3’

G

5’

Annealing 5’

3’

3’

5’

Gambar 5-14

Pemanjangan DNA melalui pasangan basa yang ujungnya

Gambar 5-14 Pemanjangan DNA melaluioleh pasangan overlapping yang dilakukan EcoRI. basa yang ujungnya overlapping yang dilakukan oleh EcoRI. Vektor yang sering digunakan yakni plasmid bakteri.

Plasmid ini

Vektor yang DNA sering digunakan yakni plasmid bakteri. Plasmid merupakan molekul lingkar kecil berukuran 3 – 100 kb. Bentuk lingkar

ini merupakan molekul DNA lingkar kecil berukuran 3 – 100 kb. Jika suatu plasmid dipotong secara Bentuk lingkar sangat penting untuk replikasinya. Jika suatu plasmid enzimatik hanya pada satu sisi oleh misalnya EcoRI, maka fragmen linear yang dipotong secara enzimatik hanya pada satu sisi oleh misalnya EcoRI, diperoleh bisa di-anneal oleh fragmen yang dibentuk dengan memotong maka fragmen linear yang diperoleh bisatelah di-anneal oleh fragmen yang DNA dengan dengan EcoRI. memotong Proses ini menghasilkan molekulEcoRI. gabungan lingkar telahlain dibentuk DNA lain dengan Proses ini menghasilkan molekul lingkar gabungan yang disegel oleh DNA ligase. yang disegel oleh DNA gabungan ligase. Molekul lingkar ini kemudian Molekul gabungan lingkar inisesuai, kemudian dimasukkan ke dalam dimasukkan ke dalam inang yang misalnya E. coli melalui suatu inang proses yang sesuai, misalnya E. coli melalui suatu proses yang disebut sebagai yang disebut sebagai transformasi. Proses ini melibatkan reaksi sel bakteri transformasi. Proses ini melibatkan reaksi sel bakteri dengan CaCl2 dengan CaCl2 pada suhu rendah (untuk memungkinkan pengambilan DNA), pada suhu rendah (untuk memungkinkan pengambilan DNA), diikuti dengan inkubasi bersama DNA dalam kondisi yang sesuai. DNA asing bereplikasi dalam kendali vektor. Jika DNA asing membawa suatu Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul 240 gen utuh, maka kemungkinan gen tersebut akan diekspresikan dalam bakteri. Jenis pendekatan ini telah bermanfaat dalam produksi insulin manusia dalam sel bakteri. Keseluruhan teknik tersebut kadangkala disebut kloning gen. sangat penting untuk replikasinya.

maka kemungkinan gen tersebut akan diekspresikan dalam bakteri.

Jenis

pendekatan ini telah bermanfaat dalam produksi insulin manusia dalam sel Bab 5 Asam Nukleat

bakteri. Keseluruhan teknik tersebut kadangkala disebut kloning gen.

253

DNA yang mau diklon

Tempel dan sambung dengan DNA ligase

DNA rekombinan

Gambar 5-15 Langkah-langkah pembentukkan suatu sambungan, atau

Gambar 5-15 Langkah-langkah pembentukkan suatu sambungan, atau rekombinasi rekombinasi dari molekul DNA. dari molekul DNA.

12. POLYMERASE CHAIN REACTION

12. POLYMERASE CHAIN REACTION

Suatu sampel DNA tertentu dalam jumlah yang cukup diperlukan Suatumemungkinkan sampel DNA tertentu dalam jumlah yangJumlah cukup diperlukan untuk penentuan sifat-sifatnya. ini bisa di-untuk dapat dengan menggunakan polymerase chain ini reaction memungkinkan penentuan sifat-sifatnya. Jumlah bisa (PCR) didapatyang dengan tentu saja merupakan suatu tipe reaksi rantai. PCR menyediakan cara menggunakan polymerase chain reaction (PCR) yang tentu saja merupakan untuk menghasilkan duplikat untai ganda urutan DNA tertentu dalam suatu jumlah tipe reaksi rantai. PCR menyediakan cara untuk menghasilkan duplikat banyak. Duplikat ini biasanya sepanjang ~1 kb, namun dengan untai ganda urutan DNA tertentu dalam jumlah banyak. Duplikat ini biasanya

254

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

memodifikasi reaksi secara khusus maka produk yang lebih panjang bisa dibuat. Polymerase chain reaction menggunakan: (1) DNA polimerase termostabil seperti Taq polimerase yang diambil dari bakteri termofil Thermus aquaticus, (2) templat DNA yang akan diamplifikasi, (3) dua primer yang masing-masing sepanjang 20 nukleotida, yang menempel pada bagian-bagian berbeda pada untai komplementer pada target dan berperan sebagai sisi untuk memulai reaksi DNA polimerase, (4) larutan yang mengandung keempat deoksinukleosida trifosfat dATP, dCTP, dGTP, dan dTTP, Mg2+, garam, dan penyangga pH. PCR menggunakan DNA polimerase untuk membuat duplikat DNA komplementer yang sesuai dengan daerah yang diamati. Untuk mengarahkan enzim pada urutan yang tepat, PCR tergantung pada primer yang menempel pada urutan komplementer dalam target DNA untai tunggal. DNA polimerase tidak bisa memulai sintesis DNA de novo, dan dapat memperpanjang rantai hanya dari primer yang me­ nempel. Primer berlebih disediakan dalam campuran reaksi untuk memberikan material yang cukup untuk menghasilkan produk amplifikasi. Reaksi PCR antara lain penggunaan suhu tinggi siklis yang bisa menyebabkan denaturasi enzim yang termolabil. Karena itulah digunakan DNA polimerase termostabil yakni Taq polimerase. Untuk PCR, terdapat hanya tiga langkah yang melibatkan DNA, yakni (1) denaturasi untai ganda DNA, (2) annealing DNA, dan (3) perpanjangan DNA. Setiap langkah biasanya dilakukan pada suhu yang berbeda dalam suatu mesin yang dapat diprogram yang disebut thermal cycler. Satu “langkah” dalam reaksi rantai memakan waktu kurang dari beberapa menit, dan ketiga langkah digambarkan sebagai suatu siklus. Tiap siklus menghasilkan kira-kira dua kali lipat dari jumlah molekul DNA target. Biasanya lebih dari 30 putaran dilakukan. Jika setiap siklus dimisalkan menghasilkan dua kali lipat duplikat urutan target, maka 30 putaran akan menghasilkan lebih dari satu miliar (>109) duplikat DNA untai ganda dengan urutan tertentu.

Bab 5 Asam Nukleat

255

Selama proses denaturasi, DNA target untai ganda dipanaskan sampai sekitar 950C untuk memisahkan untai-untai dan menyediakan target DNA untai tunggal. Untuk langkah annealing, campuran reaksi didinginkan untuk membiarkan primer menempel (mengikat) pada tiap untai di lokasi yang spesifik oleh urutannya. Primer ini dipilih dengan hati-hati (dan dibuat dengan alat sintesis DNA otomatis) agar komplementer terhadap urutan target, dan suhu annealing tergantung pada kandungan basa dalam urutan. Suhu yang dipilih biasanya sekitar 500C. Kedua primer menempel pada untai-untai yang berhadapan, mengapit daerah untuk diamplifikasi yang jauhnya kurang dari beberapa kilobasa (meskipun tidak selalu). Primer-primer inilah yang menentukan spesifisitas PCR. Jika dipilih urutan yang berbeda, maka urutan target yang lainlah yang akan diamplifikasi. Selama langkah perpanjangan yang berlangsung pada sekitar 720C, Taq polimerase memperpanjang ujung 3’ hidroksil pada tiap primer dan membuat DNA dengan cara yang tergantung pada templat. Produk yang dihasilkan yakni DNA untai ganda dengan satu untai yang merupakan templat dan untai yang lain merupakan produk yang baru disintesis. Jika kurang dari beberapa menit yang diberikan untuk reaksi ini, maka sintesis DNA terbatas sebanyak kurang dari beberapa kilobasa. Hal ini menjelaskan pilihan pemisahan sisi primer, karena material yang diamplifikasi harus memiliki sisi yang memungkinkan annealing selanjutnya pada primer kedua jika amplifikasi eksponensial adalah yang diinginkan. Diagram dalam Gambar 5-16 melukiskan proses denaturasi, annealing, dan perpanjangan yang menggunakan urutan DNA sampel. Ujung 5’ dan 3’ ditandai, dan urutan di antara sisi-sisi primer digambarkan oleh serangkaian garis putus-putus.

256

5 3

I

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

Asam Nukleat

TGACGATACGAGCCAGTGCC - - - - - - GGCTGTGGTCCAAGTGTTGG ACTGCTATGCTCGGTCACGG - - - - - - CCGACACCAGGTTCACAACC

I

3

I

I

5

Denaturasi I

I

5

3

TGACGATACGAGCCAGTGCC - - - - - - GGCTGTGGTCCAAGTGTTGG

ACTGCTATGCTCGGTCACGG - - - - - - CCGACACCAGGTTCACAACC

I

3

I

5

Penempelan primer 5

I

3

I

TGACGATACGAGCCAGTGCC I ACTGCTATGCTCGGTCACGG - - - - - - CCGACACCAGGTTCACAACC 3 I

5

TGACGATACGAGCCAGTGCC - - - - - - GGCTGTGGTCCAAGTGTTGG I 3 CCGACACCAGGTTCACAACC

5 3

I

I

I

5

Pemanjangan 5 3

I

I

TGACGATACGAGCCAGTGCC - - - - - - GGCTGTGGTCCAAGTGTTGG ACTGCTATGCTCGGTCACGG - - - - - - CCGACACCAGGTTCACAACC

I

5

TGACGATACGAGCCAGTGCC - - - - - - GGCTGTGGTCCAAGTGTTGG I ACTGCTATGCTCGGTCACGG - - - - - - CCGACACCAGGTTCACAACC 3

I

3

5

I

I

3

I

5

Gambar 5-16 Proses denaturasi, penempelan primer, dan pemanjangan dalamdenaturasi, Polymerasepenempelan Chain Reactin (PCR) Gambar 5-16 Proses primer, dan pemanjangan dalam Polymerase Chain Reactin (PCR)

Molekul DNA untai ganda (di atas, pada Gambar 5-16) bisa terdiriMolekul atas hampir semua urutan apapun dan dengan panjang yang DNA untai ganda (di atas, pada Gambar 5-16) bisa terdiri atas bervariasi (ditunjukkan oleh garis putus-putus), dan PCR masih tetap hampir semua urutan apapun dan dengan panjang yang bervariasi (ditunjukkan bisa membuat banyak duplikat molekul tersebut. DNA didenaturasi oleh garis putus-putus), dan PCR masih tetap bisa membuat banyak duplikat molekul tersebut. DNA didenaturasi dengan menaikkan suhu, kemudian primer menempel untuk mengapit lokasi yang mengurung daerah tersebut untuk

Bab 5 Asam Nukleat

257

dengan menaikkan suhu, kemudian primer menempel untuk mengapit lokasi yang mengurung daerah tersebut untuk diamplifikasi. Suhu annealing tergantung pada urutan oligonukleotida. Jika kandungan G+C kurang lebih sama untuk kedua primer, maka primer-primer ini harus menempel dengan kuat pada suhu yang kira-kira sama pula. Primer masing-masing mempunyai ujung 3’ yang diarahkan untuk diperpanjang oleh Taq DNA polimerase untuk menyelesaikan sintesis pada tiap templat untai tunggal. Proses ini (disebut siklus) kemudian diulangi beberapa kali. Putaran berulang menghasilkan jumlah besar produk DNA untai ganda hasil amplifikasi dengan panjang yang tepat, yang digambarkan oleh jarak antara ujung-ujung 5’ kedua primer. Diagram dalam Gambar 5-17 menunjukkan langkah-langkah yang terlibat dalam produksi produk DNA untai ganda yang menyertai dua siklus PCR. Tiap untai DNA dan primer digambarkan dengan garis. Dengan mengulangi perputaran melalui kombinasi ketiga langkah (denaturasi, annealing, dan perpanjangan), maka diperoleh peningkatan molekul produk secara eksponensial. Metode PCR digunakan dalam penerapan yang membutuhkan deteksi atau analisis dari sejumlah kecil urutan target asli. Karena itu PCR sangat berguna dalam identifikasi cepat untuk bahan penginfeksi seperti virus dan bakteri, dalam pekerjaan forensik yang sampel buktinya cukup terbatas, dan dalam penelitian yang produk PCR tertentunya bisa diurutkan dan digunakan untuk tujuan-tujuan tertentu. RNA juga bisa diteliti menggunakan PCR dengan menyediakan langkah transkripsi kebalikan (duplikasi RNA menjadi DNA) untuk menghasilkan DNA komplementer yang kemudian diproses dengan PCR. Penempelan primer sangatlah penting karena tahap ini menentukan spesifisitas reaksi PCR dan menentukan urutan DNA yang akan diamplifikasi. Jika tidak ada primer yang bisa berikatan, maka DNA polimerase tidak bisa memperpanjang DNA sehingga tidak ada DNA yang disintesis. Jika hanya satu primer yang berikatan, maka amplifikasi tidak akan eksponensial. Agar PCR dapat berhasil, kedua primer harus menempel.

258

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul Asam Nukleat

Denaturasi

Penempelan primer

Pemanjangan

Pengulangan : denaturasi, penempelan primer, pemanjangan

Gambar 5-17 Reaksi PCR

Gambar 5-17 Reaksi PCR

Metoda PCR digunakan dalam penerapan yang membutuhkan

Bab 5 Asam Nukleat

259

DNA polimerase termostabil digunakan dalam PCR. Putaran melalui cakupan suhu tinggi akan mendenaturasi banyak enzim laboratorium yang umum. Hal ini terutama terjadi ketika suhu tertinggi (~950C) digunakan untuk memisahkan untai-untai DNA. Jika DNA polimerase tidak termostabil maka akan terdenaturasi. DNA polimerase termostabil bisa berasal dari organisme seperti bakteri Thermus aquaticus yang tumbuh pada suhu tinggi. -oo0oo-

Bab

6

KATALIS DAN KINETIKA ENZIM

1. KONSEP DASAR KATALISIS ENZIM Enzim adalah protein yang mengkatalisis reaksi biokimia. Enzim biasanya terdapat dalam konsentrasi yang sangat rendah di dalam sel, di mana mereka meningkatkan laju reaksi tanpa mengubah posisi kesetimbangan. Laju reaksi ke depan maupun reaksi kebalikan ditingkatkan oleh faktor yang sama. Faktor ini biasanya sekitar 103 – 1012. Meskipun fenomena fermentasi dan pencernaan telah lama dikenal, tetapi penjelasan pertama tentang enzim baru dibuat oleh Payen dan Persoz ketika mereka menemukan bahwa endapan alkohol dari ekstrak ragi mengandung suatu zat yang tidak tahan panas yang dapat mengubah tepung menjadi gula. Zat dalam penjelasan di atas disebut diastase (dari bahasa Yunani yang berarti “pemisahan”) karena kemampuannya untuk memisahkan dekstrin yang dapat larut dengan butiran tepung yang tidak larut. Diastase menjadi istilah yang biasa digunakan untuk campuran enzim ini sampai tahun 1898, ketika Duclaux mengusulkan penggunaan akhiran –ase dalam nama enzim. Banyak enzim yang dimurnikan dari berbagai sumber, tetapi yang pertama kali mengkristalkan enzim adalah J.B. Sumner. Enzim yang dikristalkan ini berasal dari jack beans. Untuk hasil yang memakan waktu 6 tahun penelitian ini (1924 – 1930),

pertama kali mengkristalkan enzim adalah J.B. Sumner.

Enzim yang

dikristalkan ini berasal dari jack beans. Untuk hasil yang memakan waktu 6 262

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

tahun penelitian ini (1924 – 1930), Sumner mendapatkan hadiah Nobel pada tahun 1946.

Pekerjaannya didemonstrasikan sekali saja meskipun enzim-

Sumner mendapatkan hadiah Nobel pada tahun 1946. Pekerjaannya enzim merupakan kesatuan kimiasaja yang berbeda. enzim-enzim merupakan didemonstrasikan sekali meskipun kesatuan kimia dioksida yang berbeda. Gas karbon mudah larut dalam air dan terhidrasi secara Gas karbon dioksida mudah larut dalam air dan terhidrasi secara spontan membentuk asam karbonat, yang terdisosiasi dengan cepat menjadi spontan membentuk asam karbonat, yang terdisosiasi dengan cepat suatu proton dansuatu ion bikarbonat: menjadi proton dan ion bikarbonat: CO2 +

H 2O

H+ +

HCO 3-

Laju reaksi hidrasi untuk 20 mmol L-1 CO2 pada 250C dan pH 7,2 adalah ~0,6

Laju reaksi hidrasi untuk 20 mmol L-1 CO2 pada 250C dan pH 7,2 adalah ~0,6 mmol L-1 s-1. Dalam sel darah merah mamalia, enzim karbonat anhidrase konsentrasi 1 – 2 g per liter sel (Mr = 30.000), sehingga Biokimia:terdapat Struktur dalam dan Fungsi Biomolekul konsentrasi molarnya ~50 x 10-6. Laju reaksi hidrasi dengan adanya enzim karbonat anhidrase dalam kondisi seperti di atas adalah ~50 mol L-1 s-1, yakni mengalami peningkatan laju 8 x 104 kali lipat dari proses tanpa katalis. Terdapat lebih dari 2.500 macam reaksi biokimia dengan enzim spesifik yang membantu peningkatan laju reaksi. Spesies organisme yang berbeda memproduksi variasi struktur enzim yang berbeda pula, sehingga jumlah macam protein enzim dalam seluruh sistem biologis adalah lebih dari 106. Setiap enzim dikarakterisasi oleh spesifisitas substrat kimia (reaktan) serta molekul lain yang mengatur aktivitasnya. Molekul lain ini disebut efektor, yang bisa merupakan aktivator, inhibitor, atau keduanya. Dalam enzim yang lebih kompleks, satu senyawa bisa memiliki salah satu efek, yang tergantung pada kondisi fisik atau kimia lainnya. Enzim berukuran mulai dari kompleks subunit banyak yang besar (disebut enzim multimer, Mr @106) sampai bentuk subunit tunggal yang kecil. Aspartat karbomoiltransferase mengkatalisis pembentukan karbamoil aspartat dari karbamoil fosfat dan aspartat, dalam langkah pertama yang dilakukan untuk biosintesis pirimidin. Enzim yang berasal dari bakteri E. coli ini (Mr = 310.000) terdiri atas 12 subunit, yakni mmol L-1 s-1.

248

Bab 6 Katalis dan Kinetika Enzim

263

enam regulator dan enam katalis. CTP adalah efektor negatif, yakni menginhibisi enzim tersebut melalui pengikatan pada subunit regulator. ATP adalah efektor positif yang bekerja melalui subunit regulator, sedangkan suksinat menginhibisi reaksi yang terjadi dengan cara berkompetisi langsung dengan aspartat pada sisi aktif. Luas permukaan enzim yang paling kecil sekalipun (seperti ribonuklease, Mr = 12.000) yang ditempati oleh gugus kimia yang akan diikat oleh reaktan, adalah kurang dari 5 persen dari luas total. Daerah ini disebut sisi aktif. Penataan tertentu pada rantai samping asam amino suatu enzim di sisi aktifnya menentukan tipe molekul yang bisa terikat dan bereaksi di situ. Biasanya ada sekitar lima rantai samping seperti itu dalam enzim apapun. Selain itu, banyak enzim yang memiliki molekul-molekul nonprotein kecil yang terhubung dengan sisi aktif atau di dekatnya, yang menentukan spesifisitas substrat. Molekul-molekul ini disebut kofaktor jika terikat secara nonkovalen pada protein, atau disebut gugus prostetik jika terikat secara kovalen. Dalam beberapa enzim, ion logam tertentu diperlukan untuk aktivitasnya. Karbonat anhidrase memiliki satu ion Zn2+ per molekul enzim. Ion logam tersebut berada pada sisi aktif. Aspartat karbamoiltransferase memiliki enam ion Zn2+ per dodekamer, yang diperlukan untuk stabilisasi kompleks. Tanpa Zn2+, heksamer ini akan terdisosiasi.

2. KLASIFIKASI ENZIM Semua enzim diberi nama menurut sistem yang dirancang oleh Komisi Enzim (Enzyme Commission, EC) dari International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC), dan berdasarkan pada tipe reaksi yang dikatalisis enzim tersebut. Setiap tipe enzim mempunyai empat digit nomor EC yang spesifik, serta nama yang kompleks namun jelas dan bisa menepis kebingungan tentang enzim-enzim yang mengkatalisis reaksi yang serupa tetapi tidak identik. Dalam prakteknya, banyak enzim yang lebih dikenal dengan nama umum, yang biasanya berasal dari nama reaktan utamanya yang spesifik, dengan ditambahkan

264

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

akhiran –ase. Beberapa nama umum tidak memiliki akhiran –ase, yang biasanya merupakan enzim yang dipelajari dan diberi nama sebelum klasifikasi sistematik enzim dibuat. Contoh nama-nama enzim yang lazim yakni arginase, yang bekerja pada arginin; dan urease, yang bekerja pada urea. Dua nama umum yang tidak lazim yakni pepsin, suatu enzim proteolitik dalam jalur pencernaan (nomor EC 3.4.23.1); dan rodanese (tiosulfat: sianida sulfurtransferase, EC 2.8.1.1), yang berada dalam hati dan ginjal mamalia untuk mengkatalisis penghilangan sianida dan tiosulfat dari tubuh. Digit pertama dalam nomor EC menunjukkan termasuk kelas mana enzim tersebut, dari enam kelas utama yang ada (Tabel 6-1). Tabel 6-1 Kelas-kelas Utama Enzim Digit Pertama EC Kelas Enzim

Tipe Reaksi yang Dikatalisis

1.

Oksidoreduktase Oksidasi-reduksi. Pendonor hidrogen atau elektron adalah salah satu substratnya.

2

Tranferase

Transfer gugus kimia dari bentuk umum A––X + B→ A + B––X.

3.

Tranferase

Pemotongan hidrolitik pada C––C, C––N, C––O, dan ikatan lainnya.

4.

Liase

Pemotongan (bukan hidrolitik) pada C––C, C––N, C––O, dan ikatan lainnya, meninggalkan ikatan rangkap; atau alternatifnya yakni penambahan gugus pada suatu ikatan rangkap.

5.

Isomerase

Perubahan penataan geometris (spasial) suatu molekul.

6.

Ligase

Ligasi (menghubungkan) dua molekul dengan mengikutsertakan hidrolisis senyawa yang memiliki DG besar untuk hidrolisis.

Digit kedua dalam nomor enzim EC menandakan sub-kelas; sedangkan untuk hidrolase, digit kedua ini menandakan tipe ikatan target kerja enzim (Tabel 6-2).

Bab 6 Katalis dan Kinetika Enzim

265

Katalis Enzim

Tabel 6-2 Subklasifikasi Hidrolase Dua Digit Pertama EC

Tipe Ikatan Target

O C C O Ester, Nonpeptida, O

3.5 3.1

C

3.6

C

3.3

3.10 3.11

Eter, R

C

O

R' , atau dengan S menggantikan O

O

Peptida, C

N

Halida (X), C C C Nonpeptida,

3.5

X , atau dengan P menggantikan

N

Anhidrida asam, R

3.6

3.9

O

R

O

3.4

3.8

N

O dengan C NR'atau S menggantikan Anhidrida asam,C R O C R , atau Glikolisil, gula

3.2

3.7

S

R , atau dengan S atau P menggantikan C, atau

P

3.7

S

3.8

N

C

C

P

O

C

O

C

R'

C

Halida (X), C N P

3.9

O

X , atau dengan P menggantikan C

N

3.10

S

N

3.11

C

P

Arginase adalah suatu hidrolase yang ada dalam hati organisme

Arginase adalah suatu hidrolase yang ada dalam hati organisme

penghasil urea (ureoteles). Enzim ini mengkatalisis reaksi: penghasil urea (ureoteles). Enzim ini mengkatalisis reaksi:

NH3 C

NH2

NH

H2O

(CH2)3 H

C

NH3

NH2 C NH2

O

(CH2)3

+ H

C

NH3

COO-

COOArginin

NH3

Urea

Ornitin

Nama EC resmi untuk enzim ini adalah L-arginin amidinohidrolase, yang kata terakhirnya berasal dari reaksi pemotongan gugus amidino pada arginin (lingkaran putus-putus dalam persamaan di atas) dengan memasukkan

266

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

Nama EC resmi untuk enzim ini adalah L-arginin amidinohidrolase, yang kata terakhirnya berasal dari reaksi pemotongan gugus amidino pada arginin (lingkaran putus-putus dalam persamaan di atas) dengan memasukkan molekul air pada ikatan C––N. Dalam reaksi, ikatan C– –N nonpeptida dipotong, sehingga didapat nomor kedua EC untuk arginase adalah 5. Nomor klasifikasi lengkapnya adalah 3.5.3.1. Angka ketiga adalah subklasifikasi tipe ikatan target enzim, atau gugus yang ditransfer dalam reaksi, atau keduanya. Kategori angka ini bervariasi dari satu kelas EC utama ke kelas berikutnya. Nomor keempat adalah nomor seri enzim.

3. MODE PENINGKATAN LAJU PEMOTONGAN IKATAN Mekanisme dasar suatu enzim dalam meningkatkan laju reaksi kimia dapat diklasifikasikan ke dalam empat kelompok. Facilitation of proximity, atau kemudahan kedekatan, yang disebut juga sebagai efek keakraban, yang berarti bahwa laju reaksi antara dua molekul ditingkatkan bila dalam larutan encer keduanya dijaga dalam jarak dekat satu sama lain dalam sisi aktif enzim, sehingga menaikkan konsentrasi efektif reaktan. Katalisis kovalen, yakni rantai-rantai samping asam amino menyediakan sejumlah gugus nukleofilik untuk katalisis. Gugus-gugus nukleofilik ini antara lain RCOO–, R––NH2, aromatik––OH, histidil, R––OH, dan RS–. Gugus-gugus ini menyerang bagian elektrofilik (kekurangan elektron) pada substran untuk membentuk ikatan kovalen antara substran dengan enzim, yakni membentuk suatu reaksi intermediet. Tipe proses ini terutama terbukti pada enzim pentransfer gugus (EC Kelas 2). Dalam pembentukan intermediet yang berikatan kovalen, penyerangan oleh enzim nukleofil (Enz-X dalam contoh di bawah) pada substrat bisa menghasilkan asilasi, fosforilasi, atau glikosilasi pada nukleofil. Menuliskan mekanisme kimia suatu reaksi berarti menggambarkan penataan ulang elektron pada saat substrat diubah menjadi produk melalui suatu keadaan transisi. Cara yang biasanya digunakan untuk

pada nukleofil. Menuliskan mekanisme kimia suatu reaksi berarti menggambarkan Bab 6 Katalisulang dan Kinetika Enzim 267 penataan elektron pada saat substrat diubah menjadi produk melalui suatu keadaan transisi. Cara yang biasanya digunakan untuk melukiskan alur penataan ulang ikatan adalah memakai panahmemakai lengkungpanah yang melukiskan alur penataan ulangdengan ikatan adalah dengan lengkung yang menandakan arah aliran elektron. menandakan arah aliran elektron. Diagram aliran elektron untuk hidrolisis ikatan seperti peptida adalah Diagram aliran elektron untuk hidrolisis ikatan peptida adalah berikut: seperti berikut: H

H O R

H H

C

N

O

H

+

R

R'

H+

H O H

-

C

N+ R'

O

H

H

H

R

O

O

H

C

N+ R'

-O

R

H

C + N+ R'

Katalis O H

H

Enzim

O nukleofilik menyerang karbon karbonil elektrofilik, yang H2O Hnukleofilik menyerang karbon karbonilpada elektrofilik, yang kedua menjadi 2 Perhatikan bahwa dalam intermediet tetrahedral struktur yang dan

menjadi kekurangan elektron karena penarikan elektron kepada kekurangan elektron karena penarikan elektron kepada oksigen karbonil. ketiga, karbon memiliki penataanbahwa tetrahedral yang tetrahedral terdiri ataspada empat oksigen karbonil. Perhatikan dalam biasa intermediet ikatan. struktur yang kedua dan ketiga, karbon memiliki penataan tetrahedral biasa yang terdiri empat ikatan. Biokimia: Struktur dan atas Fungsi Biomolekul 253 Suatu intermediet fosfoenzim dibentuk dalam salah satu tipe katalisis Suatu intermediet fosfoenzim dibentuk dalam salah satu tipe kovalen enzim: katalisis kovalen enzim: O O

R

R

R

Enz-X

R'

Enz-X O

O

P O-

-

O

R'

Enz-X O

O

P + -O

P O-

O

R'

O-

Banyak contoh mekanisme dasar katalisis ini yang bisa ditemukan Banyak contoh mekanismeEC dasar katalisis ini yang ditemukanyakni dalam dalam enzim-enzim Kelas 2. Salah satubisa contohnya heksokinase. enzim-enzim EC Kelas 2. Salah satu contohnya yakni heksokinase. Intermediet kovalen kovalen bisa bisa diserang Intermediet diserang oleh oleh nukleofil nukleofil kedua keduayang yang menyebabkan pelepasan produk. Bila nukleofil kedua adalah air, maka menyebabkan pelepasan produk. Bila nukleofil kedua adalah air, maka reaksi reaksi keseluruhan dinamakan hidrolisis. Banyak nukleofil yang bukan keseluruhan dinamakan hidrolisis. Banyak yangtetapi bukanmerupakan hanya suatu hanya suatu rantai samping asam aminonukleofil pada enzim, gugus asam prostetik, misalnya fosfatmerupakan dalam transaminase. rantaisuatu samping amino pada piridoksal enzim, tetapi suatu gugus umum didefinisikan sebagai proses pemindaprostetik, Katalisis misalnya asam-basa piridoksal fosfat dalam transaminase. han proton dalam keadaan transisi. Proses ini tidak melibatkan pembentukan ikatan kovalen di dalamnya, tetapi reaksi enzimatik keseluruKatalisis asam-basa umum didefinisikan sebagai proses pemindahan proton han bisa melibatkan ini juga.

dalam keadaan transisi.

Proses ini tidak melibatkan pembentukan ikatan

kovalen di dalamnya, tetapi reaksi enzimatik keseluruhan bisa melibatkan ini

kovalen di dalamnya, tetapi reaksi enzimatik keseluruhan bisa melibatkan ini juga. Struktur dan Fungsi Biomolekul Contoh 268 katalisis asam-basa umum dari Biokimia: kimia organik adalah seperti ilustrasi

berikut, tetapi perhatikan bahwa hemiasetal juga terbentuk dalam beberapa

Contoh katalisis asam-basa umum dari kimia organik adalah reaksi enzimatik.

seperti ilustrasi berikut, tetapi perhatikan bahwa hemiasetal juga terbentuk dalam beberapa reaksi enzimatik. Reaksi keseluruhan: Reaksi keseluruhan: CH3 C

CH3 O + CH3

OH

HO

C

OCH 3 Katalis Enzim

H

H

Katalis Enzim Mekanisme reaksi A: Suatu basa (OH-) mempercepat pembentukan Hemiasetal hemiasetal Asetaldehid Metanol

seperti berikut: - (OH-) mempercepat pembentukan Mekanisme Suatu(OH basa Mekanisme reaksi A:- reaksi SuatuA:basa ) mempercepat pembentukan hemiasetal -

CH3 CH3 OHseperti + OH berikut: hemiasetal

seperti berikut: CH3

O + H 2O

Nukleofil

CH 3

OCH

H2O

CH3 O- 3+ H2O

CH3 OH - + OH

C O +dan O Fungsi CH3 C Biokimia: Struktur Biomolekul Nukleofil O

H

H

CH3 Serangan

CH 3

nukleofilik -

C

-

O+ O

CH3

H2O

OCH 3

OCH3

CH3

+ OH-

C OH

H

OCH3

CH3

H2O

+ OH-

C

C O-

H

254

OH

H

H2O

Catatan:H OH- didaur ulang dalam reaksi ini, sehingga bisa dianggap sebagai Serangan

suatu katalis artiulang sebenarnya. Catatan: OHdalam didaur dalam reaksi ini, sehingga bisa dianggap nukleofilik sebagai suatu katalis dalam arti sebenarnya. Mekanisme reaksi B: Katalis asam juga terdapat dalam reaksi, yang Mekanisme reaksi B: Katalis asam juga terdapat dalam reaksi, yang Catatan: OH didaur ulang dalam reaksidiikuti ini, sehingga bisa dianggap sebagai melibatkan pembentukan garam oksonium, reaksioleh dengan alkohol melibatkan pembentukan garam oksonium,oleh diikuti reaksi dengan suatu katalis dalam arti sebenarnya. seperti berikut: alkohol seperti berikut:

CH3B: Mekanisme reaksi

CH3 Katalis asam juga terdapat dalam reaksi, yang +

+

C O + H C O H melibatkan pembentukan garam oksonium, diikuti oleh reaksi dengan alkohol

seperti berikut:

H

H Oksonium

CH3

CH3 C

H

CH3 O

+

H+ O

C

H

H

CH3

CH3

O + H+

CH3

+CH

O 3 C H C O+ OH H

H

CH3 O C H

+ H+

OH

H Oksonium

Dalam contoh di atas, laju pembentukan hemiasetal ditingkatkan dalam asam CH CH3

kuat atau basa kuat. Dalam reaksi lain bisa CH3

3

+ saja

CH3

O hanya salah satu CH3 (basa O atau

Bab 6 Katalis dan Kinetika Enzim

269

Dalam contoh di atas, laju pembentukan hemiasetal ditingkatkan dalam asam kuat atau basa kuat. Dalam reaksi lain bisa saja hanya salah satu (basa atau asam) yang menjadi katalis. Hidrolisis nitramida adalah peka terhadap katalis basa, tetapi tidak peka terhadap katalis asam. Peningkatan pH menimbulkan peningkatan laju reaksi yang totalnya tanpa pemakaian basa, seperti ditunjukkan dalam reaksi berikut: NH2NO2 + OH- → H2O + NHNO2NHNO2- → N2O + OHOH- bukanlah satu-satunya basa yang dapat mengkatalisis hidrolisis ini. Basa-basa lain seperti asetat juga bereaksi, misalnya, NH2NO2 + CH3COO- → CH3COOH + NHNO2NHNO2- → N2O + OHOH + CH3COOH → H2O + CH3COOMenurut definisi Brønsted-Lowry (dan seperti dalam contoh di atas), suatu asam adalah bagian apapun yang mendonorkan proton, sedangkan basa adalah yang akan menerima proton dari bagian lain. Katalisis asam-basa tidak meningkatkan laju oleh faktor yang lebih besar dari ~100, tetapi bersama dengan mekanisme lain yang bekerja dalam sisi aktif suatu enzim, maka peningkatan laju reaksi enzimatik akan sangat berarti. Rantai samping asam amino asam glutamat, histidin, asam aspartat, lisin, tirosin, dan sistein dalam bentuk terprotonasinya bisa berperan sebagai katalis asam, sedangkan bentuk tidak terprotonasinya sebagai katalis basa. Keefektifan rantai samping sebagai suatu katalis tergantung pada pKa dalam lingkungan sisi aktif, serta pada pH bekerjanya enzim. Perubahan tegangan, distorsi molekul, dan bentuk. Tegangan dalam sistem ikatan reaktan serta pelepasan tegangan ketika keadaan transisi berubah menjadi produk dapat memberikan peningkatan laju reaksi kimia.

lingkungan sisi aktif, serta pada pH bekerjanya enzim. Perubahan tegangan, distorsi molekul, dan bentuk.

Tegangan dalam

Biokimia: Struktur ketika dan Fungsi Biomolekul transisi sistem 270 ikatan reaktan serta pelepasan tegangan keadaan

berubah menjadi produk dapat memberikan peningkatan laju reaksi kimia.

Dua reaksi kimia berikut ini melibatkan hidrolisis ikatan fosfat ester.

Dua reaksi kimia berikut ini melibatkan hidrolisis ikatan fosfat ester. CH2

CH2

O

O

H2O

CH2

CH2

O

OH

P

P -

O

OH

O

O-

O (a)

CH3

CH3

O

O

CH3 O

H2O

P O

+ OH

CH3 OH

P O-

O

O-

(b)

Dalam kondisi standar, reaksi (a) berlangsung 108 kali lebih cepat daripada reaksi (b). Senyawa siklik pada (a) memiliki tegangan ikatan yang cukup besar (energi potensial dalam konfigurasi ini tinggi), yang dilepaskan saat pembukaan cincin selama hidrolisis. Tipe tegangan ini tidak terdapat dalam diester pada (b). Pada enzim, substrat tidak saja bisa terdistorsi (memiliki tegangan), tetapi suatu derajat kebebasan ekstra juga dimasukkan, yakni enzim dengan semua rantai samping asam aminonya. Pengikatan substrat pada enzim melibatkan energi interaksi yang bisa memudahkan katalisis. Untuk peningkatan laju katalitik, harus ada juga suatu destabilisasi keseluruhan pada kompleks enzim-substrat serta suatu peningkatan stabilitas keadaan transisi. Hal ini dilukiskan dalam gambar 6-1. Dalam reaksi tanpa katalis (Gambar 6-1-a), reaktan memiliki probabilitas rendah untuk mengasumsikan konformasi bertegangan yang diperlukan untuk interaksi antara dua gugus reaktif. Agar reaksi bisa berlangsung, molekul harus melewati yang disebut batas energi aktivasi. Dalam reaksi dengan katalis (Gambar 6-1-b), pengikatan

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

256

cincin selama hidrolisis. Tipe tegangan ini tidak terdapat dalam diester pada (b). Pada enzim, substrat tidak saja bisa terdistorsi (memiliki tegangan),

Bab 6 Katalis dan Kinetika Enzim

271

tetapi suatu derajat kebebasan ekstra juga dimasukkan, yakni enzim dengan semua rantai samping asam aminonya.

Pengikatan substrat pada enzim

reaktan pada enzim menyebabkan pembentukan struktur gabungan melibatkan energi interaksi yang bisa memudahkan katalisis. (kompleks enzim-substrat) dengan kecenderungan substrat yang lebih Untuk peningkatan laju katalitik, harus adatransisi, juga suatu destabilisasi keseluruhan besar untuk membentuk keadaan yakni lebih sedikit energi pada kompleks enzim-substrat serta suatu peningkatan stabilitas keadaan yang terlibat untuk menyatukan gugus-gugus reaktif. Karena itulah transisi. reaksi lebih gambar cepat. 6-1. Hal iniberlangsung dilukiskan dalam

Energi bebas (kJ mol-1)

S

G S

P G0

Koordinat reaksi

+

+

-

Gugus-gugus reaktif

(a) Reaksi yang tidak dikatalisis

Gambar 6-1 Energi aktivasi adalah energi yang lebih rendah untuk reaksi-reaksi yang dikatalisis. Grafik-grafik di atas, tiap skema reaksi menunjukkan energi substrat (yang dilukiskan disini adalah energi potensial dari substrat “yang dibengkokkan”) pada tiap tahap reaksi. Panah menunjukkan, sesuai dengan panjang dan ketebalan, dalam hal ini yakni kecepatan reaksi. DG‡ merupakan energi aktivasi dari keadaan-keadaan transisi molekul, dan DG0 adalah keseluruhan energi bebas dari reaksi. Perubahan-perubahan pada enzim dan substrat menghasilkan pengikatan yang lebih kuat pada keadaan transisi daripada keadaan E.S atau keadaan E.P. Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

257

272

Energi bebas (kJ mol-1)

Biokimia: Struktur danKatalis Fungsi Biomolekul Enzim

G

ES

E+S

E+P G0

E.P

E.S Koordinat reaksi

-

+

-

+

+

-

+

+

+

+

Kompleks E.S

Keadaan transisi E. S

Kompleks E.P

(b) Reaksi yang dikatalisis

Destabilisasi kompleks bisauntuk dibayangkan Gambar 6-1 Energi aktivasi adalahenzim-substrat energi yang lebih rendah reaksi-reaksi yangsebagai dikatalisis. Grafik-grafik di atas, tiap skema reaksi menunjukkan energi distorsi panjang dan(yang sudut ikatan dari energi konfigurasi substrat dilukiskan disini adalah potensial darisebelumnya substrat “yang yang dibengkokkan”) pada tiap tahap reaksi. Panah menunjukkan, sesuai lebih stabil. Hal ini bisa dicapai dengan tarikan atau tolakan elektrodengan panjang dan ketebalan, dalam hal ini yakni kecepatan reaksi. statik oleh gugus substrat dan enzim. Atau, bisatransisi jugamolekul, melibatkan merupakan energi aktivasi dari keadaan-keadaan G pada adalah keseluruhan energi bebas dari reaksi. Perubahandan G desolvasi (penghilangan air) dari gugus bermuatan pada sisi aktif hiperubahan pada enzim dan substrat menghasilkan pengikatan yang lebih kuat pada keadaan transisi daripada keadaan E.S atau keadaan E.P. drofob. Jika suatu substrat diikat tanpa tranformasi yang penting pada enDalam reaksi tanpa katalis (Gambar 6-1-a), reaktan memiliki ergi ikatan untuk membentuk tegangan distorsi, maka pengikatan ini probabilitas rendah untuk mengasumsikan konformasi bertegangan yang akan lebih kuat. Akan tetapi hal ini tidak terlalu mempengaruhi DG‡ diperlukan untuk interaksi antara dua gugus reaktif. Agar reaksi bisa (Gambar 6-1). Namun bila sebagian energi bebas ikatan digunakan berlangsung, molekul harus melewati yang disebut batas energi aktivasi. untuk mendistorsi enzim agar bisa lebih komplementer terhadap benDalam reaksi dengan katalis (Gambar 6-1-b), pengikatan reaktan pada enzim tuk keadaan transisi, maka pengikatan enzim pada substrat akan menmenyebabkan pembentukan struktur gabungan (kompleks enzim-substrat) jadi lebih lemah, sedangkan pengikatan pada keadaan transisi substrat dengan kecenderungan substrat yang lebih besar untuk membentuk keadaan akan lebih itu, pengikatan yang kuat tidak terlalu transisi,kuat. yakni Karena lebih sedikit energi yang terlibat substrat untuk menyatukan gugus-gugus berguna dalam meningkatkan laju reaksi enzim. reaktif. Karena itulah reaksi berlangsung lebih cepat. Misalkan suatu substrat dengan konsentrasi 10-7 mol L-1 menjenuh­ kan setengah bagian sisi Biomolekul aktif dalam larutan enzim (yakni Kd Biokimia: Struktur dan Fungsi 258= 10-7 mol L-1). Tetapi konsentrasi dalam kondisi fisiologis adalah 10-3 mol L-1. Sisi-sisi enzim jenuh sempurna dalam konsisi fisiologis (yakni 0

Bab 6 Katalis dan Kinetika Enzim

273

semua sisi telah terisi), sehingga peningkatan laju enzim bukanlah yang akan diperoleh bila energi pengikatan yang besar digunakan untuk mendestabilisasi kompleks enzim-substrat (E.S). Jika sebagian energi ikatan digunakan untuk memasukkan tegangan atau distorsi ke dalam molekul enzim atau substrat, maka ikatan keadaan transisi yang lebih kuat dicapai, dan afinitas ikatan enzim pada substrat akan berkurang. Banyak enzim yang mempunyai afinitas ikatan pada substratnya yang besarnya sekitar rata-rata konsentrasi fisiologis, kemungkinan sebagai akibat dari tekanan evolusioner untuk katalisis efisien. Analisis sinar-x pada kristal karboksipeptidase A (suatu eksopeptidase pankreatik) yang berikatan dengan pseudo substrat (substrat palsu yang Katalis Enzim tidak didegradasi oleh enzim, yakni suatu inhibitor), menunjukkan bahwa ikatan peptida yang peka telah berputar, menyimpang dari konfigurasi planar normal yang biasa terlihat dalam ikatan peptida. Dalam katalisis, kompleks enzim-substrat didestabilisasi dan energi Distorsi ini menimbulkan hilangnya energi resonansi dalam ikatan, dilepaskan ketika pembentukan keadaan transisi. Hal ini menyebabkan enzim yang meningkatkan kepekaannya terhadap serangan hidrolisis. katalisis, kompleks didestabilisasi dan energi mengikat Dalam substrat dengan sangat enzim-substrat kuat dalam keadaan transisi. Beberapa ketika pembentukan keadaan transisi. ini menyebabkan enzimdilepaskan bisa terinhibisi secara dramatis oleh yang Hal disebut analog keadaan enzim mengikat substrat dengan sangat kuat dalam keadaan transisi. -13 transisi. Keadaan transisi sangat pendek (<10disebut s), tetapi Beberapa enzim bisa normalnya terinhibisi berumur secara dramatis oleh yang analogmerupakan keadaan transisi. Keadaan normalnya berumur sangat analognya struktur stabil transisi yang menyerupai kompleks keadaan pendek (<10-13 s), tetapi analognya merupakan struktur stabil yang transisi yang sebenarnya. menyerupai kompleks keadaan transisi yang sebenarnya. Prolin adalahsuatu suatu enzim bakteri mengkatalisis Prolinrasemase rasemase adalah enzim bakteri yangyang mengkatalisis perubahan timbaltimbal balik isomer D danDLdan prolin: perubahan balik isomer L prolin: H H

H H

HH

HH COO-

H H H

N

COO-

H H

N

H

H

L-Prolin

D-Prolin

H

Dalam perubahan dari isomer L menjadi isomer D, suatu konfigurasi planar (bukan tetrahedral seperti biasanya) molekul terdapat hanya sesaat pada

H

H

L-Prolin

D-Prolin

274

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

Dalam perubahan dari isomer L menjadi isomer D, suatu konfigurasi planar

Dalam perubahan dari isomer L menjadi isomer D, suatu konfigurasi planar (bukan tetrahedral seperti biasanya) molekul terdapat karbon hanya . sesaat pada karbon a.

(bukan tetrahedral seperti biasanya) molekul terdapat hanya sesaat pada

H

H

H

COO-

N H

Pirol 2-karboksilat

Analog planar dari planar prolin adalah pirol 2-karboksilat, yang merupakan Analog dari prolin adalah pirol 2-karboksilat, yanginhibitor

merupakan inhibitor kuat menaikkan untuk rasemase, yaknisebesar menaikkan kuat untuk rasemase, yakni inhibisi 50 inhibisi persen pada sebesar 50 persen pada konsentrasi yang 160 kali lebih rendah daripada

konsentrasi yang D160atau kaliL-prolin lebih rendah daripada konsentrasi D- atau konsentrasi yang membentuk 50 persen ikatan. Ini L-prolin

adalah contoh baik ikatan. untuk suatu analog keadaan yang membentuk 50yang persen Ini adalah contoh transisi. yang baik untuk suatu

Katalis Enzim Ketika berinteraksi, baik enzim maupun substrat akan mengalami analog keadaan transisi. perubahan. Konsep induced fit (kecocokan pemasukan) suatu sisi aktif Ketika berinteraksi, baikadaptasi enzim maupun substrat akan mengalami pada substrat menekankan sisi aktif untuk mencocokkan substrat. Substrat yang lemah atau inhibitor tidak memasukkan konformasi gugus fungsi substrat. Substrat yangpemasukan) lemah atau inhibitor tidak yang benar padapada sisi aktif. perubahan. Konsep induced fit (kecocokan suatu sisi aktif pada memasukkan konformasi yang benar pada sisi aktif. substrat menekankan adaptasi sisi aktif untuk mencocokkan gugus fungsi Heksokinase menunjukkan induced ini pada Heksokinase menunjukkan fenomenafenomena induced fit. Enzimfit. ini Enzim mengkatalisis mengkatalisis transfer fosforil dari ATP ke C-6 pada glukosa seperti transfer fosforil dari ATP ke C-6 pada glukosa seperti berikut: berikut:

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

260

CH2OPO32-

CH2OH O

H H OH

H

HO OH Glukosa

ADP

O

H H OH

H OH

H

ATP

H

H OH

HO H

OH

Glukosa 6-fosfat

Enzim ini juga bisa mengkatalisis transfer fosforil ujung dari ATP kepada air. Dalam hal ini enzim tersebut bekerja sebagai ATPase, tetapi dengan laju 5 x 6

Bab 6 Katalis dan Kinetika Enzim

275

Enzim ini juga bisa mengkatalisis transfer fosforil ujung dari ATP kepada air. Dalam hal ini enzim tersebut bekerja sebagai ATPase, tetapi dengan laju 5 x 106 kali lebih lambat daripada reaksi pada persamaan di atas. Sifat basa dan sifat nukleofilik pada air dibandingkan dengan hidroksil pada C-6 glukosa adalah cukup mirip sehingga dikira tidak ada perbedaan besar pada laju reaksinya. Karena itu, penjelasan mengenai perbedaan laju adalah bahwa glukosa menyebabkan perubahan konformasi hingga membentuk geometri sisi aktif yang tepat pada enzim, sedangkan molekul air terlalu kecil untuk melakukan hal yang sama. Terbentuknya geometri yang tepat dalam sisi aktif enzim menyebabkan substrat yang baik dapat terikat dengan energi ikatan. Penjelasan lain mengenai induced fit adalah bahwa beberapa molekul kecil (seperti H2O dalam contoh heksokinase) terikat secara non produktif, yakni ukurannya yang kecil menyebabkan banyaknya kemungkinan orientasi dengan substrat lain (ATP dalam contoh heksokinase) yang tidak menimbulkan reaksi. Substrat besar pergerakannya terbatas dan terdapat dalam orientasi yang tepat jutaan kali lebih sering selama vibrasi molekul daripada molekul kecil seperti air.

4. PENINGKATAN LAJU DAN ENERGI AKTIVASI Sebagian zat biokimia bersifat stabil dalam bentuk murni, tetapi terurai dengan cepat bila terdapat enzim. Ada perbedaan penting antara stabilitas termodinamik (dilukiskan sebagai tetapan kesetimbangan reaksi) dan stabilitas kinetik suatu zat. Stabilitas kinetik yakni seberapa cepat reaksi berlangsung, sedangkan stabilitas termodinamik yakni posisi akhir reaksi yang dilukiskan dalam bentuk jumlah relatif substrat dan produk pada kesetimbangan. Enzim mempengaruhi stabilitas kinetik suatu zat. Kebanyakan molekul organik pereduksi (misalnya glukosa) tidak stabil menurut termodinamika dalam atmosfir bumi yang cenderung mengoksidasi. glukosa + 6O2 → 6CO2 + 6H2O



–DG0 = 2.872 kJ mol-1

276

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

Karena itu, oksidasi sangatlah eksergonik (menghasilkan panas), dan reaksinya memiliki –DG0 reaksi yang besar. Tetapi seperti diketahui, glukosa bersifat stabil ketika dibiarkan. Dengan demikian, glukosa tidak stabil menurut termodinamika, tetapi stabil menurut kinetika. Perbedaan antara stabilitas kinetika dan stabilitas termodinamika sangatlah penting. Perbedaan ini dijelaskan dengan konsep energi bebas aktivasi yang diperlukan untuk mengubah substrat ke dalam keadaan transisinya, yakni substrat harus melampaui suatu batasan energi. Batasan energi adalah energi bebas pada keadaan transisi, DG‡. Teori keadaan transisi ini diperkenalkan oleh H. Eyring yang mengkaitkan laju reaksi dengan besarnya DG‡. Pada tahun 1880-an, Arrhenius mengamati bahwa tetapan laju k untuk reaksi kimia sederhana bervariasi tergantung suhu menurut persamaan berikut: k = Ae–Ea/RT dengan Ez adalah yang disebut sebagai energi aktivasi Arrhenius pada reaksi, A adakah faktor preeksponensial, R adalah tetapan gas universal, dan T adalah suhu (K). Akan tetapi kemudian menjadi jelas bahwa A bisa saja bergantung suhu, terutama dalam reaksi dengan katalis. Karena itu Eyring mengusulkan bahwa semua keadaan transisi terurai dengan tetapan laju yang sama, yaitu kT/h; dengan k adalah tetapan Boltzmann dan h adalah tetapan Planck. Eyring mengusulkan bahwa untuk reaksi apapun, k=

kT − ∆G‡∆/RT e h

dengan DG‡ adalah energi aktivasi kompleks keadaan transisi. Energi bebas Gibbs suatu sistem diperoleh dari dua komponen, yakni DG = DH – TDS dengan DS adalah perubahan entropi dan DH adalah perubahan entalpi dalam sistem reaksi. Dengan demikian, bisa ditulis persamaan

Bab 6 Katalis dan Kinetika Enzim

277

 kT  k =   e − ∆H‡∆/RT  h Entropi merupakan kesatuan termodinamik kesetimbangan yang ditafsirkan secara mekanik sebagai derajat ketidakteraturan dalam suatu sistem. Dari persamaan di atas, terlihat bahwa (1) faktor preeksponensial A bisa ditafsirkan memiliki kaitan dengan penyusunan suatu reaktan dalam enzim sebagai kompleks keadaan transisi yang terbentuk, dan (2) faktor eksponensial berkaitan dengan entalpi (panas) reaksi. Faktor molekul apapun yang cenderung menstabilkan keadaan transisi akan menurunkan DG‡ sehingga meningkatkan laju reaksi. Dengan demikian, peningkatan laju ini bisa berasal dari efek entropi atau entalpi, atau dari keduanya.

5. MUTAGENESIS SISI-TERARAH (SITE-DIRECTED MUTAGENESIS) Pemahaman mengenai mekanisme reaksi enzim telah berhasil diperoleh melalui studi perbandingan enzim-enzim dari berbagai sumber, misalnya isoenzim yang berbeda, atau enzim dari spesies yang berbeda. Namun, jumlah variasi yang tersedia dari sumber ini seringkali terbatas. Modifikasi lebih lanjut pada aktivitas enzimatik telah ditemukan melalui penelitian efek aktivitas enzimatik dari suatu modifikasi kimia tertentu. Dengan adanya metode untuk kloning dan ekspresi DNA, telah dikembangkan metode-metode untuk modifikasi tertentu pada enzim melalui site-directed mutagenesis, yakni pengubahan suatu gen untuk menghasilkan protein dengan perubahan tertentu dalam urutannya. Studi perbandingan pada enzim-enzim mutan seperti ini di antara satu sama lain, serta dengan wild type enzim tersebut, telah memungkinkan diperolehnya informasi bernilai mengenai peranan residu asam amino tertentu dalam proses pengikatan substrat, katalisis, stabilitas enzim, serta regulasi. Spesifisitas tripsin terhadap ikatan peptida yang bersebelahan dengan lisin dan arginin telah diubah dengan menggantikan residu glisin dalam sisi aktif enzim dengan residu alanin, yang membawa gugus metil

278

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

tambahan. Penggantian ini memilih pengikatan lisin daripada arginin yang lebih besar. Dalam mekanisme katalisis serin protease subtilisin, intermediet tetrahedral diyakini terstabilkan oleh ikatan hidrogen pada rantai samping Asn 155. Penggantian Asn 155 dengan Gly tidak mempengaruhi pengikatan substrat, tetapi menginhibisi langkah katalisis. Hal ini menguatkan mekanisme yang diusulkan. Berdasarkan penelitian mengenai modifikasi kimia, Tyr 198 dari karboksipeptidase A dahulu disangka berperan sebagai donor proton (yakni asam pada umumnya) dalam mekanisme katalisis. Akan tetapi, ketika Tyr 198 digantikan dengan Phe dengan cara site-directed mutagenesis, enzim modifikasi ini tetap memiliki aktivitas enzimatik aslinya. Hal ini menandakan bahwa tirosil hidroksil kemungkinan tidak memiliki peran spesifik dalam katalisis. Penghilangan aktivitas dengan cara mutagenesis tidak selalu menandakan peranan katalisis residu yang termutasi. Penggantian satu asam amino dengan asam amino lainnya mungkin saja menghapus interaksi spesifik yang penting untuk pelipatan lokal atau bahkan stabilitas protein keseluruhan. Dalam penelitian mengenai hal ini, penting untuk memantau konformasi protein setelah mutagenesis. Akan lebih membantu bila tersedia struktur detil bentuk enzim wild-type serta enzim mutan, baik yang berasal dari kristalografi sinar-x atau yang berasal dari analisis NMR.

6. KINETIKA ENZIM Kinetika enzim berkaitan dengan pengukuran laju reaksi enzimatik, serta dengan faktor-faktor yang mempengaruhi laju tersebut. Faktor-faktor penting yang mempengaruhi laju reaksi enzimatik adalah konsentrasi substrat dan enzim, pH, suhu, dan adanya kofaktor serta ion logam. Penting untuk mempelajari mengenai faktor-faktor ini. Ada kalanya diperlukan optimalisasi laju reaksi tertentu. Laju yang tergantung pada variabel percobaan juga memungkinkan untuk memilih model-model

memperkirakan bagaimana enzim berfungsi (mekanismenya). Selain aspek-aspek percobaan kinetika enzim, rancangan percobaan, dan metoda penentuan reaksi enzimatik, aspek penting Bab 6 Katalis dan Kinetikakemajuan Enzim 279 lainnya adalah penafsiran data.

Aspek ini biasanya tergantung pada penulisan

yang untuk mungkin untukmodel memperkirakan bagaimana enzim berfungsi matematik skema reaksi, yang meramalkan bagaimana laju (mekanismenya). tergantung pada variabel reaksi.

Persamaan-persamaan matematik ini

Selain aspek-aspek percobaan kinetika enzim, rancangan percokemudian konsistensinya yang baan,diuji dan metode penentuan dengan kemajuan data reaksi percobaan, enzimatik, aspek pent-mungkin ing lainnya adalah penafsiran data. Aspek biasanya tergantung pada menghasilkan penolakan model-model yanginitidak sesuai dengan sifat-sifat penulisan matematik untuk skema model reaksi, yang meramalkan yang diukur. bagaimana laju tergantung pada variabel reaksi. Persamaan-persamaan Untuk langkah tunggal yang irreversibel dalam reaksi kimia matematik ini kemudian diuji konsistensinya dengan datasuatu percobaan, model-model tidak konsentrasi ses(yakni yang suatumungkin proses menghasilkan kimia dasar),penolakan laju reaksi sebandingyang dengan uai dengan sifat-sifat yang diukur. reaktan yang terlibat dalam proses tersebut. dalam Tetapan ini Untuk langkah tunggal yang irreversibel suatu kesebandingan reaksi kimia suatu proses dasar), laju reaksi dengan fakta kon- bahwa disebut(yakni tetapan laju, atau kimia kesatuan tetapan laju sebanding untuk menyoroti sentrasi reaktan yang terlibat dalam proses tersebut. Tetapan kesebandtetapan ini diterapkan pada proses dasar. Ungkapan laju juga menggunakan ingan ini disebut tetapan laju, atau kesatuan tetapan laju untuk meaktivitasnyoroti kimiafakta danbahwa bukantetapan hanyainikonsentrasi, melainkan koefisien diterapkan pada proses dasar. Ungka-aktivitas pan lajubiologis juga menggunakan aktivitas kimia dan dalam sistem yang biasanya mendekati 1. bukan hanya konsentrasi, melainkan koefisien aktivitas dalam sistem biologis yang biasanya Penerapan prinsip1.reaksi massa pada skema reaksi mendekati Penerapan prinsip reaksi massa pada skema reaksi A + B

k1 k-1

P + Q

dengan tetapan laju reaksi ke depan k1 dan tetapan laju reaksi kebalikannya k-1 memberikan ungkapan laju reaksi ke depan dan memberikan ungkapan laju reaksi ke depan dan kebalikan: kebalikan:

dengan tetapan laju reaksi ke depan k1 dan tetapan laju reaksi kebalikannya k-1 laju ke depan = k1[A][B] laju ke depan = k1[A][B] laju kebalikan = k-1[P][Q] laju kebalikan = k-1[P][Q]

Katalis Enzim

dengan kurung kotak menandakan konsentrasi dalam mol L-1.

Pada

dengan kurung kotak menandakan konsentrasi dalam mol L . Pada kesetimbangan kimia, kedua laju reaksi ini besarnya sama sehingga tidak-1ada kesetimbangan kimia, kedua laju reaksi ini besarnya sama sehingga hasil akhir dari reaktan apapun. Sehingga, tidak ada hasil akhir dari reaktan apapun. Sehingga, k1 [P] e [Q] e Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul k

1

[A] e [B] e

Ke

dengan Ke adalah tetapan kesetimbangan dan subscript e menandakan besar konsentrasi kesetimbangan. Secara sederhana, laju reaksi adalah perubahan konsentrasi suatu jenis per satuan waktu, sehingga dapat ditulis secara matematik sebagai

265

kesetimbangan kimia, kedua laju reaksi ini besarnya sama sehingga tidak ada

konsentrasi hasilkesetimbangan. akhir dari reaktan apapun. Sehingga, konsentrasi kesetimbangan. Secara Secara sederhana, sederhana, laju laju reaksi reaksi adalah adalah perubahan perubahan konsentrasi konsentrasi suatu suatu k1 [P] e [Q] Biokimia: e K e Struktur dan Fungsi Biomolekul sehingga dapat ditulis k [A] [B] sehingga dapat ditulis secara secara matematik matematik sebagai sebagai 1 e e

280

jenis jenis per per satuan satuan waktu, waktu, turunan. Namun, ungkapan matematik untuk laju perubahan turunan. Namun, ungkapan matematikdan untuk lajue keseluruhan keseluruhan perubahan dengan adalah tetapan kesetimbangan subscript menandakan besar dengan KeKeadalah tetapan kesetimbangan dan subscript e menandakan konsentrasi kesetimbangan. tersebut (misalnya [A]) harus besar konsentrasi tersebut (misalnya [A])kesetimbangan. harus termasuk termasuk fluxes fluxes (dari (dari bahasa bahasa Yunani Yunani yang yang berarti berarti Secara sederhana, reaksi adalah perubahan konsentrasi konsentrasi suatu sederhana, laju laju reaksi adalah perubahan suatu “mengalir”) ke dan misalnya “mengalir”)Secara kedepan depan dansebaliknya, sebaliknya, misalnya

jenis satuan waktu,sehingga sehingga dapat dapat ditulis ditulis secara matematik sebagai jenis perper satuan waktu, secara matematik sebagai turunan. Namun, Namun, ungkapan matematik untuk laju keseluruhan perubahan turunan. ungkapan matematik untuk laju keseluruhan dd[A] [A] termasuk perubahan tersebut[A])(misalnya harus bahasa tersebut (misalnya harus fluxes k(dari bahasa fluxes Yunani (dari yang berarti k[A]) k11[A][B] [A][B] ktermasuk [P][Q] 11[P][Q] dt Yunani yangkeberarti depan dan sebaliknya, misalnya “mengalir”) depan “mengalir”) dan dt sebaliknya,ke misalnya

Molekularitas molekul Molekularitas adalah adalahdjumlah jumlah molekul yang yang terlibat terlibat dalam dalam reaksi reaksi dasar. dasar. [A] k1 [A][B] k 1 [P][Q] dt Biasanya yang Biasanya hanya hanya dua dua molekul molekul yang bergabung bergabung membentuk membentuk produk produk Molekularitas adalah jumlah molekul yang terlibat dalam reaksi dasar. (molekularitas == 2) molekul mengalami reaksi (molekularitas 2) atau atau satu molekul tunggal mengalami reaksi fisi fisi Molekularitas adalahsatu jumlah molekultunggal yang terlibat dalam reaksi Biasanya hanya dua molekul yang bergabung membentuk produk dasar. Biasanya molekul bergabung reaksi membentuk (molekularitas == 1). Contoh soal di menunjukkan (molekularitas 1). hanya Contohdua soal di atas atasyang menunjukkan reaksi yang yang dalam dalam (molekularitas = 2) atau satu molekul tunggal mengalami reaksi fisi produk (molekularitas = 2) atau satu molekul tunggal mengalami proses ke depan maupun mempunyai molekularitas sebesar prosesreaksi ke(molekularitas depan maupun kebalikannya mempunyai sebesardua. dua. = 1). kebalikannya Contoh= soal atas menunjukkan reaksi yang dalam fisi (molekularitas 1). diContoh soal dimolekularitas atas menunjukkan proses ke depan maupun kebalikannya mempunyai molekularitas(atau sebesar dua. Orde adalah jumlah kekuatan, aktivitas kimia) reaksi yang dalam proses ke depan yakni maupun kebalikannya mempunyai Orde reaksi reaksi adalah jumlah kekuatan, yakni konsentrasi konsentrasi (atau aktivitas kimia) Orde reaksi adalah molekularitas sebesarjumlah dua. kekuatan, yakni konsentrasi (atau aktivitas kimia) yang dalam suatu ungkapan laju. yangmeningkat meningkat dalam suatu ungkapan laju. Orde reaksidalam adalah yakni konsentrasi (atau yang meningkat suatujumlah ungkapankekuatan, laju. aktivitas kimia) yang meningkat dalam suatu ungkapan laju. Dalam Dalamorde reaksipertama orde pertama Dalamreaksi reaksi orde pertama Dalam reaksi orde pertama A

AA

kkk

P

PP

ungkapan untuk perubahan laju [A] adalah

ungkapan untuk laju ungkapan untukperubahan perubahan laju[A] [A] adalah ungkapan untuk perubahan lajuadalah [A] adalah d [A] dt

k [A]

dd[A] [A] k [A] k [A] -1 Sisi sebelah kiri pada ungkapan di dt dtatas mempunyai satuan laju reaksi (mol L

s-1), sehingga satuan ini juga harus diterapkan pada sisi sebelah kanan

-1 -1 -1reaksi (mol L -1 Sisi pada ungkapan di mempunyai satuan (keseimbangan itu, satuan k[A] haruslah mol Llaju s , reaksi yang Sisi sebelah sebelah kiri padadimensi). ungkapan di atas atas mempunyai satuan laju Sisikiri sebelah kiri padaKarena ungkapan di atas mempunyai satuan laju (mol L reaksi (mol L-1 s-1),ini satuanditerapkan ini juga harus diterapkan pada kanan ss-1-1),), sehingga satuan juga pada sisi sehingga satuan inisehingga juga harus harus diterapkan pada sisi sebelah sebelah kanan

sisi sebelah kanan (keseimbangan dimensi). Karena itu, satuan k[A]

-1-1 -1-1 (keseimbangan dimensi). Karena itu, satuan k[A] haruslah mol L266 s , yang (keseimbangan dimensi). Karena itu, satuan k[A] haruslah mol L Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul haruslah mol L s , yang menandakan bahwa k mempunyai satuans , yang -1

-1

s-1. Dengann demikian, analisis dimensional sederhana secara langsung mengarah pada ungkapan umum untuk satuan-satuan bagi tetapan tertentu skemaBiomolekul reaksi tertentu. Biokimia: Strukturdalam dan Fungsi Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

266 266

untuk satuan-satuan bagi tetapan tertentu dalam skema reaksi tertentu. Bab 6 Katalis dan Kinetika Enzim

7.

281

KETERGANTUNGAN LAJU REAKSI ENZIM PADA KONSENTRASI SUBSTRAT

7. KETERGANTUNGAN LAJU REAKSI ENZIM PADA KONSENTRASI Dalam percobaan, pengaruh konsentrasi substrat pada SUBSTRAT

laju reaksi

enzim dipelajari dengan mencatat kemajuan reaksi katalis enzim, dengan

Dalam percobaan, pengaruh konsentrasi substrat pada laju reaksi

menggunakan konsentrasi enzim yang tetap dan serangkaian konsentrasi enzim dipelajari dengan mencatat kemajuan reaksi katalis enzim, substrat yang berbeda-beda. Kecepatan kemiringan 0) diukur dengan menggunakan konsentrasi enzimawal yang(vtetap dansebagai serangkaian

konsentrasi substrat berbeda-beda. Kecepatan (v0) diukur tangen dalam kurva yang kemajuan pada waktu t = 0.awalKecepatan awal ini

sebagai kemiringan tangen dalam kurva kemajuan pada waktu t = 0. Kecepatan awal ini digunakan, karena bisa saja terjadi degradasi enzim oleh produk reaksi, sehingga menimbulkan hasil yang mungkin sulit untuk selama reaksi atau inhibisi oleh produk reaksi, sehingga menimbulkan ditafsirkan. hasil yang mungkin sulit untuk ditafsirkan. Ketika [S]0 biasanya berbanding berbandinglurus lurusdengan Ketika [S]>> konsentrasienzim, enzim, v00 biasanya 0 >>konsentrasi dengan konsentrasi enzim dalam campuran Untuk kebanyakan konsentrasi enzim dalam campuran reaksi.reaksi. Untuk kebanyakan enzim, v0 enzim, v0 adalah fungsi hiperbola dari [S]0 (Gambar 6-2). Jika terdapat adalah fungsi hiperbola dari [S]0 (Gambar 6-2). Jika terdapat substrat-substrat substrat-substrat lain (ko-substrat), maka konsentrasinya biasanya lain (ko-substrat), makaselama konsentrasinya dijaga tetap[S]0 konstan dijaga tetap konstan rangkaianbiasanya percobaan dengan yangselama bervariasi.percobaan dengan [S]0 yang bervariasi. rangkaian digunakan, karena bisa saja terjadi degradasi enzim selama reaksi atau inhibisi

v0 (mmol L-1s-1)

Vmax

Vmax/2

Km

2Km [S]0

3Km

4Km

5Km

(mmol L-1)

Gambar 6-2.Hubungan Hubunganhiperbol hiperbol antara kecepatan awal (v0) dan antara kecepatan awal (v0) dan konsentrasi konsentrasi substrat awal([S] ([S]0 dari suatu reaksi katalisis enzim substrat awal suatu reaksi katalisis enzim 0 dari

Gambar 6-2.

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

267

Menten:

Katalis Enzim

282

Vmaks Struktur [S] 0 dan Fungsi Biomolekul d [S] Biokimia: v 0 Persamaan yang menggambarkan dt t 0 Khiperbola [S] 0 yang biasa menunjukkan m data reaksi enzim Gambar 6-2) disebut persamaan MichaelisPersamaan yang(misalnya menggambarkan hiperbola yang biasa menunjukkan Persamaan ini memiliki sifat yakni ketika besar Michaelismaka v0 = Vmaks 0 sangat data reaksi enzim (misalnya Gambar 6-2)[S] disebut persamaan Menten:

Menten: (kecepatan maksimal). Dan ketika v0 = Vmaks/2, maka nilai [S]0 adalah Km, yaitu yang disebut sebagai tetapan Michaelis. d [S] v0 dt t 0

Vmaks [S] 0 K m [S] 0

Persamaan iniGRAFIK memiliki sifat yakni ketika besarbesar maka v0 = Vmaks Vsifat 8. EVALUASI 0 sangat m DAN maks Persamaan ini Kmemiliki yakni [S] ketika [S]0 sangat maka

v0 = Vmaks (kecepatan maksimal). v0 =nilai Vmaks/2 nilaiKm, yaitu (kecepatan maksimal). Dan ketika v0 = Dan Vmaksketika /2, maka [S], 0maka adalah Persamaan Michaelis-Menten bisa disusun ulang ke dalam bentuk[S]0 adalah Km, yaitu yang disebut sebagai tetapan Michaelis. yang disebut sebagai tetapan Michaelis. bentuk baru yang menghasilkan garis lurus ketika satu variabel baru diplotkan terhadap yang lain. Keuntungan dari manipulasi matematik ini yakni (1) Vmaks

8. EVALUASI GRAFIK Km DAN Vmaks

Vmaks dengan cara mencocokkan garis lurus 8. EVALUASI GRAFIK dengan Km DANmudah, dan Km bisa ditentukan

Persamaan Michaelis-Menten bisa disusun ulang ke dalam bentuk-

pada data yang telah ditransformasikan; (2) data pada suatu garis lurus lebih Persamaan Michaelis-Menten bisalurus disusun ke dalam bentuk baru yang menghasilkan garis ketika ulang satu variabel baru bentukmudah diplotkan dideteksiterhadap daripadayang yang berasal dari hiperbola (data yang didapat dari lain. Keuntungan dari manipulasi matematik bentuk baru yang menghasilkan garis lurus ketika satu variabel baru diplotkan ini yakni (1) Vmaks dan ketidaksesuaian Km bisa ditentukan dengan mudah, dengan hiperbola bisa menunjukkan model enzim sederhana); (3) terhadap yang lain. Keuntungan dari manipulasi matematik ini yakni (1) V maks cara mencocokkan garis lurus pada data yang telah ditransformasikan; pengaruh inhibitor pada reaksi bisa dianalisis dengan lebih mudah. Juga lebih data pada suatu garis lurus lebih mudah daripada dan Km(2) bisa ditentukan dengan mudah, dengan cara dideteksi mencocokkan garis lurus dari hiperbola (data yang didapat dari hiperbolaintercept bisa mudah yang dan berasal lebih akurat untuk memperoleh suatu ekstrapolasi dari pada data yang telah ditransformasikan; (2) data pada suatu garis lurus lebih menunjukkan ketidaksesuaian model enzim sederhana); (3) pengaruh suatu plot linear daripada memperkirakan suatu asimtot dengan mata pada mudahinhibitor dideteksipada daripada berasal dengan dari hiperbola (data yang didapat dari reaksi yang bisa dianalisis lebih mudah. Juga lebih hiperbola. mudah lebih akurat untuk memperoleh suatu ekstrapolasi intercept hiperbola bisadan menunjukkan ketidaksesuaian model enzim sederhana); (3) dari suatu plot linear Michaelis-Menten daripada memperkirakan asimtot dengan Transformasi persamaan yang suatu paling banyak digunakan pengaruh inhibitor pada reaksi bisa dianalisis dengan lebih mudah. Juga lebih mata pada hiperbola. adalah persamaan “double reciprocal” Lineweaver-Burk. Michaelis-Menten paling banyak mudah danTransformasi lebih akuratpersamaan untuk memperoleh suatu yang ekstrapolasi intercept dari Persamaan ini diperkenalkan pertama kali Lineweaver-Burk. pada tahun 1935. Dengan digunakan adalah persamaan “double reciprocal” suatu plot linear daripada memperkirakan suatu asimtot dengan mata pada kali Michaelis-Menten, pada tahun 1935. maka mengambil Persamaan resiprok ini daridiperkenalkan kedua sisi pertama persamaan hiperbola. Dengan mengambil resiprok dari kedua sisi persamaan Michaelisdiperoleh Menten,persamaan maka diperoleh Transformasi Michaelis-Menten yang paling banyak digunakan K m Lineweaver-Burk. 1 1 1 adalah persamaan “double reciprocal” v0 Vmaks [S] 0 Vmaks Persamaan ini diperkenalkan pertama kali pada tahun 1935. Dengan mengambil resiprokdata dari(1/[S] kedua sisi maka Plot dari pasangan untuk i = 1, Michaelis-Menten, …, n, dengan n adalah 0,i, 1/v 0,i), persamaan diperoleh jumlah pasangan data, akan memberikan suatu garis lurus dengan ordinat dan

Bab 6 Katalis dan Kinetika Enzim

283

Plot dari pasangan data (1/[S]0,i, 1/v0,i), untuk i = 1, …, n, dengan Katalis Enzim n adalah jumlah pasangan data, akan memberikan suatu garis lurus dengan ordinat dan absis intercept 1/Vmaks dan -1/Km (Gambar 6-3). 1/v0

1/Vmaks -1/Km

0

1/[S]0

Gambar 6-3 Grafik Lineweaver-Burk, prosedur untuk menentukan 2 parameter kinetik steady-state pada persamaan Michaelis-Menten. Gambar 6-3 Grafik Lineweaver-Burk, prosedur untuk menentukan 2 parameter kinetik steady-state pada persamaan Michaelis-Menten.

Dengan adanya komputer, metode grafik telah digantikan oleh prosedur nonlinear least squares regression dari persamaan kinetik Dengan adanya komputer, metoda grafikMeskipun telah digantikan oleh langsung kepada data yang belum ditransformasikan. demikian, nonlinear prosedur grafik digunakan untuk prosedur least masih squares regression darimemperoleh persamaanpetunjuk kinetik langsung cepat mengenai nilai-nilai parameter steady-state atau untuk mempekepada yang awal belum Meskipun rolehdata perkiraan yangditransformasikan. diperlukan oleh metode numerik.demikian, prosedur grafik masih digunakan untuk memperoleh petunjuk cepat mengenai nilai-nilai parameter steady-state atau untuk memperoleh perkiraan awal yang diperlukan

9. DEFINISI INHIBISI ENZIM

oleh metoda numerik.

Seringkali laju reaksi enzimatik dipengaruhi oleh zat-zat yang bukan merupakan reaktan. Jika terdapat pengurangan laju yang disebabkan oleh suatu senyawa, maka senyawa tersebut dinamakan sebagai inhibi9. DEFINISI INHIBISI ENZIM tor. Peningkatan laju reaksi yang disebabkan oleh suatu aktivator adalah kebalikan dari efek Dalam kaitan dengan inhibitor, penting Seringkali laju inhibitor. reaksi enzimatik dipengaruhi oleh zat-zat yang bukan untuk membedakan antara efek yang diamati dalam percobaan dengan merupakan reaktan. Jika terdapat pengurangan laju yang disebabkan oleh mekanisme (atau model) untuk menjelaskan efek tersebut. suatu senyawa, maka senyawa tersebut dinamakan sebagai inhibitor. Peningkatan laju reaksi yang disebabkan oleh suatu aktivator adalah kebalikan

dari efek inhibitor. Dalam kaitan dengan inhibitor, penting untuk membedakan antara efek yang diamati dalam percobaan dengan mekanisme (atau model) 284

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

untuk menjelaskan efek tersebut.

Terdapat tiga tipe dasar inhibisi, yang didefinisikan dalam istilah derajat

Terdapat tiga tipe dasar inhibisi, yang didefinisikan dalam istilah derajat inhibisi i,inhibisi yakni :i, yakni: i

v0 v0

vi

dengan Dengan v0 adalah reaksi inhibisi, dan vi dan adalah laju reaksi v0 laju adalah laju awal reaksitanpa awal tanpa inhibisi, vi adalah laju awal

awal dengan adanya inhibisi. dengan reaksi adanya inhibisi.

1. Inhibisi nonkompetitif murni dikatakan terjadi bila i tidak terpengaruh oleh konsentrasi substrat. Biokimia: 2. Struktur dan Fungsi Biomolekul Inhibisi kompetitif terjadi bila i menurun pada saat konsentrasi substrat meningkat. 3. Inhibisi antikompetitif atau unkompetitif terjadi bila i meningkat pada saat konsentrasi substrat meningkat. Selain tipe-tipe inhibisi di atas, terdapat juga inhibisi campuran, yang terjadi bila i meningkat atau menurun pada saat konsentrasi substrat meningkat, tetapi besarnya tidak sama seperti pada inhibisi kompetitif murni maupun antikompetitif. Nyatanya, bisa ditunjukkan bahwa secara mekanis, inhibisi nonkompetitif adalah suatu kasus khusus dari inhibisi campuran. Namun secara operasional, inhibisi campuran adalah kombinasi dua tipe dasar dari tiga tipe di atas.

10. PERSAMAAN INHIBISI ENZIM Ungkapan matematis yang menghubungkan laju reaksi dengan konsentrasi inhibitor seringkali cukup rumit, tetapi terdapat empat persamaan sederhana yang merupakan perluasan dari rumus MichaelisMenten. Kinetika dari banyak enzim dapat dijelaskan dengan memuaskan oleh keempat persamaan tersebut. Dalam persamaanpersamaan di Tabel 6.3, [I] adalah konsentrasi inhibitor dan KI serta K’I adalah tetapan inhibisi yang satuannya sama seperti tetapan kesetimbangan disosiasi (mmol L-1).

269

dari banyak enzim dapat dijelaskan dengan memuaskan oleh keempat persamaan tersebut.

Dalam persamaan-persamaan di Tabel 6.3, [I] adalah

konsentrasi inhibitor dan KI serta K’I adalah tetapan inhibisi yang satuannya Bab 6 Katalis dan Kinetika Enzim

285

sama seperti tetapan kesetimbangan disosiasi (mmol L-1).

Tabel 6-36-3 Persamaan LajuLaju untuk Empat Enzim Tabel Persamaan untuk EmpatTipe TipeInhibisi Inhibisi Enzim Nonkompetitif Murni

Kompetitif Murni

Vmaks [S] 0

vi (K m i

[S] 0 ) 1

[I] KI [I] Km KI

Km 1

[I] KI

[I] KI

Vmaks [S] 0

vi

i

[I]

Vmaks [S] 0 Antikompetitif [I] K mdan 1VFungsi [S] 0 Biokimia: Struktur Biomolekul maks K I [S] 0 vi [I] K m [S] 1 [I] [S] 0 0K KI I i [I] [I] K m 1 [S] 0 K [S] 0 KI I i [I] [S] 0 Km 1 KI vi

Katalis Enzim

[I] 1 KI

[S] 0

Campuran



Km

Antikompetitif Nonkompetitif Murni Kompetitif Murni

[S] 0

Katalis Enzim

Vmaks [S] 0 Campuran [I] [I] 1 [S] 0 Km 1 [S] V K I maks 0K ' I vi [I] [I] 1 0 [S] 0 K m 1 K m [S] [I] K I K 'I KI K 'I i 0 [I] K m [S][I] [I] 1 Km 1 KK ' I ' [S] 0 KI KI I i [I] [I] 1 [S] 0 Km 1 KI K 'I

vi

270

11. DASAR MEKANIS PERSAMAAN MICHAELIS-MENTEN

11. DASAR MEKANIS PERSAMAAN MICHAELIS-MENTEN

UntukMEKANIS menjelaskan hasil yang diperoleh dalam konversi sukrosa 11. DASAR PERSAMAAN MICHAELIS-MENTEN Untuk menjelaskan hasil yang diperoleh dalam konversi sukrosa menjadi glukosa dan fruktosa oleh enzim invertase, pada tahun 1913 Michaelis menjadi glukosa dan fruktosa enzim invertase, padakonversi tahun 1913 Untuk menjelaskan hasiloleh yang diperoleh dalam sukrosa danMichaelis Menten mengusulkan skema reaksi berikut: dan Menten mengusulkan skema reaksi berikut: menjadi glukosa dan fruktosa oleh enzim invertase, pada tahun 1913 Michaelis dan Menten mengusulkan skemak1reaksi berikut: k2 E + S

E + S

k-1 k1

ES

ES

E + P

k2

E + P Dalam reaksi tersebut dianggap k-1besar lebih besar dibandingkan Dalam reaksi tersebut dianggap bahwa k-1 lebih dibandingkan dengan k2. k-1 bahwa

dengan k2. Maka, bagian pertama reaksi tersebut bisa dilukiskan Maka, bagian pertama reaksi tersebut bisa dilukiskan oleh oleh tetapan Dalam reaksi tersebut dianggap bahwa k-1 lebih besar dibandingkan dengan k2. kesetimbangan untuk disosiasi kompleks enzim-substrat: Ks = [E][S]/[ES]. Maka, bagian pertama reaksi tersebut bisa dilukiskan oleh tetapan Konsentrasi S dan E di setiap waktu diturunkan dari kondisi awal yang telah kesetimbangan untuk disosiasi kompleks enzim-substrat: Ks = [E][S]/[ES].

E + S E + S

kk-11 k-1

ES ES

k2

E + P E + P

Dalam reaksi tersebut dianggap bahwa k-1 lebih besar dibandingkan dengan k2. 286 Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul Dalam reaksi tersebut dianggap bahwa k-1 lebih besar dibandingkan dengan k2. Maka, bagian pertama reaksi tersebut bisa dilukiskan oleh tetapan Maka, bagian pertama reaksi tersebut bisa dilukiskan oleh tetapan kesetimbangan untuk disosiasi kompleks enzim-substrat: Ks = [E][S]/[ES]. tetapan kesetimbangan untuk disosiasi kompleks enzim-substrat: Ks = [E][S]/[ES]. kesetimbangan untuk disosiasi kompleks enzim-substrat: Konsentrasi S dan E di setiap waktu diturunkan dari kondisi awal yang telah Konsentrasi S dan E di setiap waktu diturunkan dari Ks = [E][S]/[ES]. Konsentrasi S dan E di setiap waktu diturunkan dari kondisi awal yang telah diketahui: kondisi awal yang telah diketahui: diketahui: [S][S]0 + [ES] + [P] 0 = [S] = [S] + [ES] + [P] [E] [E] + [ES] [S]0 = [S] + [P] [E]0 = [E] + [ES] [E]0 = [E] + [ES] [S]0 pada awal reaksi. Menurut percobaan, [S]0 >> [E]0 sehingga [S] Menurut percobaan, [S]0 >> [E]0 sehingga [S]  [S]0 reaksi. [S]0 pada padaawal awal reaksi. Menurut percobaan, [S]0 >> [E]0 sehingga [S] Diperoleh: Diperoleh: Diperoleh: ([E] 0 [ES]) [S] 0 Ks ([E] 0 [ES] [ES]) [S] 0 Ks [ES] Persamaan ini bisa diubah susunannya menjadi Persamaan ini bisa diubah susunannya menjadi Katalis Enzim Persamaan ini bisa diubah susunannya menjadi [E] 0 [S] 0 [ES] [E] [S] [ES] K s 0 [S]00 K s [S] 0

Tahap kedua adalah reaksi orde pertama, sehingga Tahap pada keduareaksi pada reaksi adalah reaksi orde pertama, sehingga Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul v0 = k2[ES] v0 = k2[ES] Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

271 271

Karena itu, laju keseluruhan penurunan substrat dilukiskan dengan

Karena itu, laju keseluruhan penurunan substrat dilukiskan dengan

k 2 [E] 0 [S] 0 K s [S] 0 yang akan persis sama seperti bentuk persamaan Michaelis-Menten bila Vmaks v0

akan = k2[E]0 yang dan K Ks. sama seperti bentuk persamaan Michaelis-Menten bila m = persis

Vmaks = k2[E]0 dan Km = Ks. Pada tahun 1925, Briggs dan Haldane memeriksa analisis MichaelisPada tahun 1925, Briggs dan Haldane memeriksa analisis MichaeMenten lis-Menten dan membuat suatusuatu perkembangan penting.Mereka Mereka dan membuat perkembangan penting. tidak tidak mengasumsikan bahwa tahap pertamareaksi reaksi berada berada dalam kesetimbanmengasumsikan bahwa tahap pertama dalam kesetimbangan, gan, melainkan mengasumsikan bahwa konsentrasi kompleks enzimmelainkan mengasumsikan bahwa menurut konsentrasi substrat kadang-kadang berubah waktu, kompleks yakni dalam enzim-substrat keadaan steady state. Keadaan ini ditulis sebagaiyakni matematis berikut kadang-kadang berubah menurut waktu, dalamsebagai keadaan steady state.

Keadaan ini ditulis sebagai matematis sebagai berikut d [ES]

0

Menten dan membuat suatu tidak melainkan mengasumsikan bahwaperkembangan konsentrasi penting. kompleksMereka enzim-substrat melainkan mengasumsikan bahwa konsentrasi kompleks enzim-substrat mengasumsikan bahwa tahap kesetimbangan, kadang-kadang berubah menurutpertama waktu,reaksi yakniberada dalamdalam keadaan steady state. kadang-kadang menurut waktu, yakni dalam keadaan melainkan berubah mengasumsikan bahwa konsentrasi kompleks enzim-substrat steady state. KeadaanBab ini6 ditulis sebagai sebagai berikut Katalis dan Kinetikamatematis Enzim 287 kadang-kadang berubahmatematis menurut waktu, yakniberikut dalam keadaan steady state. Keadaan ini ditulis sebagai sebagai Keadaan ini ditulis sebagai matematis sebagai berikut

d [ES] d dt [ES] 0 d [ES] 0 0 dtdt

Persamaan flux untuk [ES] adalah Persamaan flux untuk [ES] adalah Persamaan flux untuk [ES][ES] adalah Persamaan flux untuk adalah d [ES] d [ES] k1 [E][S] ( k 1 k 2 )[ES] d dt [ES] k1 [E][S] ( k 1 k 2 )[ES] dt k1 [E][S] ( k 1 k 2 )[ES] dt

Bila [S]  [S]0, maka

[S]0, maka [S]0, maka Bila [S] Bila[S] Bila [S] [S]0, maka 0 == kk01=[E]0[S]0 k-1 k2)[ES] k1[E]0[S]0––(k (k1[S]0 [S]0 ++k-1 + k+2)[ES] 0 1[E]0[S]0 – (k11[S]0 + k-1 + k2)[ES] 0 = k1[E]persamaan 0[S]0 – (k1[S]0 + k-1 + k2)[ES] Dengan penyusunan ulang ini dan v0 = k2[ES], maka diperoleh penyusunan ulang persamaan v0 =maka k2[ES], maka k2[ES], diperoleh Dengan Dengan penyusunan ulang persamaan ini dan ini v0 =dan Dengandiperoleh penyusunan ulang persamaank 2ini [E] 0dan [S] 0 v0 = k2[ES], maka diperoleh v0 (k 21[E]k 02 )[S] 0 [S] 0 v0 k 2k[E] 0 [S] 0 1k ) ( k 1 2 v0 (k 1k k 2 ) [S] 0 [S] 0 Michaelis-Menten, dengan 1 Persamaan ini juga sama seperti bentuk persamaan k1

Persamaan seperti bentuk oleh persamaan Km ditunjukkan olehini (k-1juga + k2)/ksama k2[E]0. 1 dan V maks ditunjukkan

Michaelis-

Persamaan ini juga samaKm seperti bentuk persamaan Menten, dengan ditunjukkan oleh (k-1 +Michaelis-Menten, k2)/k1 dan Vmaksdengan Persamaan ini juga sama seperti bentuk persamaan Michaelis-Menten, dengan ditunjukkan Km ditunjukkan oleh oleh (k +k2k[E]0. Vmaks ditunjukkan oleh k2[E]0. 2)/k1 dan Hal-hal yang perlu-1diperhatikan antara lain: Km ditunjukkan oleh (k-1 + k2)/k1 dan Vmaks ditunjukkan oleh k2[E]0.

Hal-hal yang perlu diperhatikan antara lain: Hal-hal yang perlu diperhatikan antara lain: Karena k2 menunjukkan jumlah Hal-hal 1. yang perlu diperhatikan antara lain: molekul substrat yang diubah menjadi setiap detiknya per molekul enzim, maka k2 diseBiokimia: Strukturproduk dan Fungsi Biomolekul 272 but angka perputaran (turnover number) enzim. Pada umumnya, dalam mekanisme enzim yang lebih kompleks, ungkapan untuk Vmaks oleh k2 yang digantikan oleh ungkapan perban­ Biokimia: Struktur dandipersulit Fungsi Biomolekul Biokimia: Struktur danjumlah Fungsi produk Biomolekul dingan pada kesatuan tetapan laju, yang disebut kcat. 2. Jika enzim tidak murni, maka konsentrasi aktifnya ([E]0) kemungkinan tidak bisa ditentukan. Meskipun demikian, Vmaks masih bisa diperoleh melalui analisis kinetika steady state. Jadi, untuk menstandarisasi hasil percobaan, maka mengacu pada satu

272 272

288

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

unit enzim (atau katal), yakni banyaknya larutan enzim yang diperlukan untuk mengubah 1 µmol substrat menjadi produk dalam 1 menit, dalam kondisi standar untuk pH, kekuatan ionik, serta suhu. 3. Apabila [S]0 sangat besar dibandingkan dengan Km, maka hampir seluruh E terdapat dalam bentuk ES sehingga enzim tersebut dikatakan jenuh, yakni bekerja pada kecepatan maksimumnya.

12. TURUNAN PERSAMAAN STEADY-STATE Pada dasarnya, ungkapan laju steady-state untuk enzim apapun dengan berapapun jumlah reaktan dapat diturunkan. Dalam prakteknya, prosedur penurunan ini memerlukan banyak tenaga sehingga digunakanlah metode algoritma yang diperkenalkan oleh King dan Altman pada tahun 1956. Metode ini tidak dapat diterapkan untuk (1) reaksi nonenzimatik (konsentrasi setiap reaktan harus >> [E]0), (2) campuran enzim, atau (3) reaksi dengan langkah-langkah nonenzimatik. Metode algoritma ini diterapkan sebagai berikut: 1. Menggambar skema reaksi (pola dasar) dengan panah-panah reaksi menghubungkan semua jenis enzim yang relevan (bentuk bebas dan bentuk kompleks). 2. Menambahkan semua panah reaksi dengan kesatuan tetapan laju yang sesuai. Untuk reaksi ke depan dengan keterlibatan substrat, huruf yang menandakannya ditempatkan dekat dengan tetapan laju dalam skema. Demikian juga dengan reaksi kebalikan yang melibatkan produk. 3. Untuk n bentuk enzim (satu enzim bebas dan sisanya adalah bentuk kompleks atau isomer enzim), pola reaksi digambar dengan jumlah panah n – 1 dan menghasilkan alur yang menuju pada setiap bentuk enzim. Selain itu, tidak diperbolehkan adanya langkah pengulangan tertutup dalam pola tersebut.

dan [E]T adalah konsentrasi enzim total, diberikan oleh hasil panah n – 1 dan menghasilkan alur yang menuju pada setiap bentuk

penjumlahan konsentrasi dan tetapanadanya laju dari setiap pola. enzim. Selain itu, tidak diperbolehkan langkah pengulangan 5.

Bab 6 Katalis dan Kinetikalaju Enzimpembentukan ungkapan untuk

tertutup dalam pola tersebut.

produk keseluruhan 289 diberikan

4. dengan Ungkapan untuk [ESi]·[E]T dengan [ESi] adalah bentuk enzim apapun cara mengalikan konsentrasi kompleks enzim-substrat yang 4. dan Ungkapan untukkonsentrasi [ESi]∙[E]T enzim dengantotal, [ESi]diberikan adalah bentuk enzim [E]T adalah oleh hasil

sesuai (misalnya [ESk]) dengan tetapan laju orde pertama dari

apapun dan [E]T adalah konsentrasi enzim penjumlahan konsentrasi dan tetapan laju dari setiaptotal, pola. diberikan

oleh penguraiannya (misalnya kj): hasil penjumlahan danproduk tetapankeseluruhan laju dari setiap pola. 5. ungkapan untuk laju konsentrasi pembentukan diberikan 5. dengan ungkapan untuk laju pembentukan produk keseluruhan diberikan cara mengalikan konsentrasi kompleks enzim-substrat yang k j [E]T [ESkompleks dengan cara mengalikan konsentrasi enzim-substrat k] sesuai (misalnya [ESk]) dengan tetapan laju orde pertama dari v yang sesuai (misalnya tetapan laju (jumlah [ESk]) seluruhdengan ungkapan untuk [E]orde dan pertama penguraiannya (misalnya kj): dari penguraiannya kj): dengan i 1, ..., n 1) [ES ](misalnya yang berbeda, i

k j [E]T [ES k ] v Hal-hal yang perlu diperhatikan ketika menerapkan metoda algoritma: (jumlah seluruh ungkapan untuk [E] dan dengan i 1, ...melibatkan , n 1) (a) Dalam semua [ES mekanisme yang tidak urutan reaksi i ] yang berbeda,

alternatif, Hal-hal yang perlu diperhatikan ketika menerapkan pembilang pada ungkapan laju hanya akan metode memiliki dua Hal-hal yang perlu diperhatikan ketika menerapkan metoda algoritma:

algoritma: (a) Dalam semua mekanisme yang tidak melibatkan urutan reaksi pada ungkapan lajusedangkan hanya akan memiliki dua kealternatif, depan pembilang dan konsentrasi substrat, lainnya alternatif, pembilang pada ungkapan laju hanya akanyang memiliki dua adalah bagian. Salah satu bagiannya adalah produk dari semua tetapan laju bagian. Salah satu untuk bagiannya adalah produk dari semua tetapan produk yang sesuai reaksi kebalikannya. ke depan dan konsentrasi substrat, sedangkan yang lainnya adalah laju ke depan dan konsentrasi substrat, sedangkan yang (b) Dengan mekanisme yang rumit, adalah mudah untuklainnya melewatkan produk sesuai untuk reaksi kebalikannya. adalahyang produk yang sesuai untuk reaksi kebalikannya. beberapa pola pada yang langkah ke-3 di atas. Rumus untuk menghasilkan (b)(b) Dengan adalah mudah untuk melewatkan Denganmekanisme mekanisme yangrumit, rumit, adalah mudah untuk melewatkan jumlah total (npada – 1)-garis pola untuk m langkah, dengan n adalah beberapa pola langkah ke-3 di atas. Rumus untuk menghasilkan beberapa pola pada langkah ke-3 di atas. Rumus untuk menghasilkan jumlah (n yakni – 1)-garis polamuntuk m langkah, jumlah total (ntotal – 1)-garis pola untuk langkah, dengan n dengan adalah n jumlah bentuk enzim, adalahbentuk jumlah bentuk enzim, yakni jumlah enzim, yakni (a) bagian. Dalam semua mekanisme yang adalah tidak melibatkan urutan reaksi Salah satu bagiannya produk dari semua tetapan laju

Total ( n 1)garis pola m Total ( n 1)garis pola

m n

n 1

m!

m! 1 ( n 1)! ( m n ( n 1)! ( m n 1)!

1)! Katalis Enzim

Persamaandididiatas atas memperkirakan jumlah 1)-garis pola,dengan (c)(c)(c) Persamaan atas memperkirakan jumlah (n(n– –1)-garis pola, Persamaan memperkirakan jumlah (n – 1)-garis pola, dengan dengan beberapa yang mungkin memiliki pengulangan tertutup. Pola pengulangan tertutup ini harus dihilangkan. Jumlah total (n pola dengan pengulangan tertutup sisi-r (Z) adalah – 1)-garis pola dengan pengulangan tertutup sisi-r (Z) adalah

beberapa yang mungkin pengulangan tertutup. beberapa yangtertutup mungkin memiliki pengulangan pengulangan ini memiliki harus dihilangkan. Jumlah totaltertutup. (n –Pola 1)-garis Pola

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

m r Biokimia: Struktur dan FungsiZ Biomolekul n 1 r

(m r )! (n 1 r )!(m n 1)!

274

Karena itu, Z ditentukan untuk cakupan dari 1 sampai n – 1, dan jumlah seluruh nilai Z ini adalah jumlah total pola yang dikeluarkan.

274

m r (m r )! n m1 rr r )!(rm)! n 1)! (n 1 (m Z m r (m r )! n 1 r (n 1 r )!(m n 1)! Z 290 Struktur dan Biomolekul n 1 untuk r n Biokimia: (cakupan 1 r )!dari (m 1)! Fungsi Karena itu, Z ditentukan 1n sampai n – 1, dan jumlah Z

Karena itu, Z ditentukan untuk cakupan dari 1 sampai n – 1, dan jumlah

Karena itu, ditentukan untuk 11sampai 1, dan dan jumlah seluruh nilai iniditentukan adalah jumlah total poladari yang dikeluarkan. Karena itu,Z Z untukcakupan cakupan dari sampai nn –– 1, seluruh nilai Z ini adalah jumlah total pola yang dikeluarkan.

jumlah seluruh nilai Z ini adalah jumlah total pola yang dikeluarkan.

seluruh nilai Z ini adalah jumlah total pola yang dikeluarkan.

steadyDengan menggunakan prosedur turunkanpersamaan persamaan steadyDengan menggunakan prosedurKing-Altman, King-Altman, turunkan lajulaju

Dengan menggunakan prosedur King-Altman, turunkan persastate untuk mekanisme enzim berikut: maan laju steady-state untuk mekanisme enzim berikut: state untuk mekanisme enzim berikut: Dengan menggunakan prosedur King-Altman, turunkan persamaan laju steadystate untuk mekanisme enzim berikut: kk kk A A+ +E E A + E

1 1

2

EA EA

k-1k-1 k1

kk-2 -2 k2

EA

k1A

k1A E yakni: Langkah (1) dan (2): Pola dasar

k3

Langkah (3): Pola reaksi untuk

k3

k-3

E + P

EA

k-1 k1A

k-2

k-3P

E E+ +P P

EA

k-1

E k3

k-3 k-3

EP

Langkah Pola dasar yakni: k-1 dasar k-2 Langkah (1) dan (2):dasar Pola yakni: Langkah (1) (1) dandan (2):(2): Pola yakni: E

k3k3

EP EP

k2

k-3P k-1 k-2

k2

EP

k3 ialah: k-3P k-2 EP

EP

EA

k2

Langkah (3): Pola reaksi untuk EP ialah: k1A

EP

k-1 ialah: Langkah (3): Pola reaksi untuk EP k1A reaksi Langkah (3): Pola untuk EP ialah:

k1A

EP

EP

k-3 P k-1

k2

EP

k-3P

k-3P

k2

EP

EP

Langkah (4): Oleh karena itu,

EP

EP

k2

k-3P

k-3P k-1 EP

k2

k-3P

Langkah (4): Oleh karena[EP] itu,= k1k2[A] + k-1k-3[P] + k2k-3[P]

k2 k2

EP

Langkah (4): karena Oleh karena Dengan caraOleh yang sama, ungkapan jenis enzim yang lain ialah Langkah (4): itu, [EP] = k1itu, k2[A]untuk + k-1kkedua -3[P] + k2k-3[P] [EA] = k1k-2[A] + k-2k-3[P] + k1k3[A]

==kk kk [A] kk22kk-3-3[P] [EP] [A] ++ kk-1-1kkedua k [P] [P] ++jenis [P] Dengan cara yang sama,[EP] ungkapan enzim yang lain ialah k k + k -3-3k [E] = k 11k 22+ untuk -1 3

2 3

-1 -2

Dengan cara yang ungkapan kedua yang lain ialah Dengan cara sama, yang[EA] sama, enzim yang lain = kungkapan + kuntuk [P]kedua + kjenis [A]enzim 1k-2[A]untuk -2k-3 1k3jenis Karena [E] = k-1dk[P] ialah 3 + k2k3 + k-1k-2 v k [EP] k 3 [E][P] [EA] = kdt + k1k3[A] 1k-2[A]3 + k-2k-3[P] [E] = k-1k3 + k2k3 + k-1k-2 Karena d [P] v k 3 [EP] k 3 [E][P] Karena dt Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul 275 d [P]

Langkah (4): Oleh karena itu, [EP] = k1k2[A] + k-1k-3[P] + k2k-3[P] Bab 6 Katalis dan Kinetika Enzim

291

Dengan cara yang sama, ungkapan untuk kedua jenis enzim yang lain ialah

[EA] == kk11kk-2-2[A] [A] ++ kk-2-2kk-3-3[P] [P] ++ kk11kk33[A] [A] [EA] [E] = [E] k-1k3= +k-1kk2k3 3+ +k2kk-13 k+-2k-1k-2 Karena

Karena v

d [P] dt

Katalis Katalis EnzimEnzim

k 3 [EP] k 3 [E][P]

Katalis Enzim

dan [E]=T [E] = [E]++[EA] [EA] ++[EP] [E]T [EP] dandan [E] T = [E] + [EA] + [EP] maka dan [E]T = [E] + [EA] + [EP] Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul maka maka

275

[E]T {k 3 (k1k 2 [A] k 1k 3 [P] k 2 k 3 [P]) k 3 [P](k 1k 3 k 2 k 3 k 1k 2 )} [E]T {kk 3k(k1[P] k 2 [A]k k k [P] k 2 k 3k[P]k ) [P]k 3 [P] 1k 3 [P] k1k 2 [A] k1k 2 [A] k1k(3 k[A]1k 3 k 1kk 32 k 3k 2 kk3 1kk 21)} k 2 1 3 2 3 2 3

maka

v

v

[E] {k (k k [A] k 1k 3 [P] k 1kk 3[A]k 2 kk3 k k 1kk2 )} 2 k 3 [P] 3 [P](k k1k 2k[A] k )2 k k3 [P] k 1k 1 3 1 3 2 k3 v k1k 2 [A] k T1k 33 [P]1 2 k 2 k 3 [P] k1kdisederhanakan k 1k 3 [P] menjadi k 2 k 3 [P] k1k 2 [A] k 2 k 3 [P] k1k 3 [A] k 1k 3 k 2 k 3 k 1k 2 yang 2 [A]

yang disederhanakan menjadi

yang disederhanakan menjadi

[E]T (k1k 2 k 3 [A] k 1k 2 k 3 [P]) yang disederhanakan menjadi v

v

( k 1k 3

k2 k3

k 1k[E] k1k(k 2k [A] k 3 kk 2 )k[A] k k [P]) 2 ) (k 3 (k 1 1 2 3 1 2 3 T

k2

k 2 )[P]

[E] (k k k [A] k k k [P]) v (k 1k 3 k 2 k 3 k 1k 2 ) T k11 (2k 23 k 3 k1 2 )2[A]3 k 3 (k 1 k 2 k 2 )[P] Jika [P] = 0, (k maka kungkapan k 1k di2 )atas k1 (menjadi k 2 k 3 bentuk k 2 )[A] k 3 (k 1 k 2 k 2 )[P] 1k 3 2 k3

Jika [P] = 0, maka ungkapan di atas menjadi bentuk

Jika [P] = 0, maka ungkapan di atas menjadi bentuk [E]T num1 [A]

Jika [P] =v 0, [E] maka ungkapan di atau atas menjadiv bentukkoefA T (num1)[A]

num1 koef num1 [E] [A] [A] [A] T [E] T [E] (num1)[A] koefA koefA T koefA atau v v [E] T (num1)[A] atau num1 danvvkeduakoef dengan koefisien pembilang ditulis sebagai koefisien penyebut koef koefA[A] koef koef koefA[A] [A] [A] ditulis sebagai koef dan koefA. Ketika pembilang dan penyebut koefAdibagi dengan koefA dengan pembilang ditulis num1 dan dankedua kedua koefisien penyebut dengan koefisien pembilang ditulisdisebagai sebagai num1 koefisien penyebut koefA,koefisien maka bentuk persamaan atas menjadi serupa dengan persamaan koef

koefA[A]

Dengan koefisien pembilang ditulis sebagai num1 dan kedua koefisien ditulis sebagai koef koefA. Ketika pembilang danpenyebut penyebut dibagi dengan Michaelis-Menten. Dengan demikian, analisis ini mengilustrasikan aturan yang ditulis sebagai koefdan dan koefA. Ketika pembilang dan dibagi dengan

penyebut ditulis sebagai koef dan koefA. Ketika pembilang dan penyebut dibagi dengan koefA, maka bentuk persamaan di atas menjadi serupa mekanisme langkah yang hanya melibatkan isomerisasi antara kompleks enzim Michaelis-Menten. Dengan demikian, analisis ini aturan yang Michaelis-Menten. Dengan demikian, analisis ini mengilustrasikan mengilustrasikan aturan yang dengan persamaan Michaelis-Menten. Dengan demikian, analisis ini (dalam penting hal ini EP) tidak mengubah bentuksteady-state persamaan ,laju steady-state . sangat dalam kinetika enzim Perkenalan pada sangat penting dalam kinetika enzim steady-state yakni: kinetika Perkenalan pada mengilustrasikan aturan yang sangat penting , yakni: dalam enzim mekanisme langkah yang hanya melibatkan melibatkan isomerisasi antara enzim steady-state, yakni: Perkenalan pada mekanisme yang hanya mekanisme langkah yang hanya isomerisasilangkah antarakompleks kompleks enzim melibatkan isomerisasi antara kompleks enzim (dalam hal ini EP) (dalam haliniiniEP) EP) tidak mengubah bentuk persamaan . . tidak 13. hal ENZIM-ENZIM MULTIREAKTAN (dalam tidak mengubah bentuk persamaanlaju lajusteady-state steady-state mengubah bentuk persamaan laju steady-state. sangat penting dalam kinetika enzim steady-state yakni: Perkenalan pada koefA, maka bentuk persamaan di atas menjadi koefA, maka bentuk persamaan di menjadi, serupa serupadengan denganpersamaan persamaan

Reaksi enzimatik yang paling umum adalah yang melibatkan dua

substrat atau lebih MULTIREAKTAN dengan banyak produk. 13. ENZIM-ENZIM

13. ENZIM-ENZIM MULTIREAKTAN

Tetapi banyak skema substrat

tunggal yang lebih sederhana diperlukan untuk perkembangan gagasan kinetik

Reaksi enzimatik yang paling umum adalah yang melibatkan dua

mengenai pengaruh pH, yang suhu, paling dan sebagainya pada laju enzim. dua Reaksi enzimatik umum adalah yangreaksi melibatkan

substrat atau lebih dengan banyak produk.

Tetapi banyak skema substrat

Meskipun reaksibanyak multisubstrat cukup rumit,banyak namun skema kinetikanya substrat ataumekanisme lebih dengan produk. Tetapi substrat

2

(dalam hal ini EP) tidak mengubah bentuk persamaan laju steady-state. 292

13. ENZIM-ENZIM MULTIREAKTAN

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

Reaksi enzimatik yang paling umum adalah yang melibatkan dua

13. ENZIM-ENZIM MULTIREAKTAN

substrat atau lebih dengan banyak produk.

Tetapi banyak skema substrat

Reaksi enzimatik yang paling umum adalah yang melibatkan dua substrat atau lebih dengan banyak produk. Tetapi banyak skema mengenai pengaruh pH, lebih suhu, dan sebagainya padaperkembangan laju reaksi enzim. substrat tunggal yang sederhana diperlukan untuk gagasan kinetik mengenai pengaruh pH, cukup suhu, dan sebagainya Meskipun mekanisme reaksi multisubstrat rumit, namun pada kinetikanya laju reaksi enzim. Meskipun mekanisme reaksi multisubstrat cukup seringkali dapat dilukiskan oleh persamaan dalam bentuk oleh berikut: rumit, namun kinetikanya seringkali dapat dilukiskan persamaan dalam bentuk berikut: tunggal yang lebih sederhana diperlukan untuk perkembangan gagasan kinetik

v

app Vmaks [A] K mapp [A]

Persamaan ini berlaku bila konsentrasi semua substrat selain A dibuat konstan selama percobaan. Nilai dan adalah fungsi konsentrasi reaktan lain. Biokimia: Struktur Fungsi Biomolekul Pada dan tahun 1963 W.W. Cleland menerbitkan klasifikasi reaksi katalis enzim yang berdasarkan atas jumlah substrat dan produk dalam reaksi. Klasifikasi ini adalah seperti berikut: 1. Reaktansi adalah jumlah substrat atau produk yang penting menurut kinetik dan ditulis dengan suku kata Uni, Bi, Ter, Quad. Contoh soal: Penamaan Cleland untuk reaksi berikut adalah

A A A + B A+B+C

P P + Q P + Q P + Q + R + S

Uni Uni Uni Bi Bi Bi Ter Quad

2. Jika semua substrat ditambahkan pada enzim sebelum pelepasan produk sama sekali, maka mekanismenya disebut sequential. Jika substrat ditambahkan dalam urutan tertentu, maka mekanismenya disebut sequential ordered. Jika tidak ada aturan tertentu pada penambahan substrat atau pelepasan produk, maka mekanismenya disebut sequential random. Apabila satu produk atau lebih dilepaskan sebelum semua substrat telah ditambahkan, maka enzim akan

276

2.

Jika semua substrat ditambahkan pada enzim sebelum pelepasan produk sama sekali, maka mekanismenya disebut sequential.

Jika

substrat ditambahkan dalam urutan tertentu, maka mekanismenya

Bab 6 Katalis dan Kinetika Enzim

disebut sequential ordered.

293

Jika tidak ada aturan tertentu pada

penambahan substrat atau pelepasan produk, maka mekanismenya disebut sequential random. stabil Apabila atau satu produk dilepaskan terdapat dalam dua bentuk lebih atau yanglebih saling bertukar semua substrat telah ditambahkan, maka enzim akan terdapat antara sebelum bentuk-bentuk tersebut selama reaksi berlangsung, sehingga dalam dua bentuk atau Ping lebih yang saling bertukar antara bentukmekanisme jenis ini stabil disebut Pong. Jika isomerisasi bentukbentuk tersebut selama reaksi berlangsung, sehingga mekanisme jenis bentuk enzim yang stabil dan berbeda terjadi (misalnya EAB dan ini disebut Ping Pong. Jika isomerisasi bentuk-bentuk enzim yang stabil EPQ dalam contoh di bawah), maka kata Iso ditambahkan dalam dan berbeda terjadi (misalnya EAB dan EPQ dalam contoh di bawah),Katalis Enzim penamaan mekanismenya. maka kata Iso ditambahkan dalam penamaan mekanismenya.

Mekanisme BiBiBiBi teratur bisa ditulis sebagai Mekanisme teratur bisa ditulis sebagai berikut: berikut: atau dengan menggunakan konvensi diagram Cleland * sebagai berikut: E + A

k1 k-1

A EPQ

k2

EA + B

EA

Bk4

k-2

EQ + P

k-4

k-3

E + Q

k-5

EPQ

Q Katalis Enzim

P

k5

EQ

k3

EAB

EAB

k1 k-1 k4 k*-4sebagai k2 konvensi k-2 k5 berikut: k-5* sebagai atau dengan menggunakan diagram Cleland atau dengan menggunakan konvensi diagram Cleland Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul 277 berikut: A

E

B

EA k1

EAB

k-1

k2

k-2

k3

Q

P

EQ

EPQ

k-3

k4

k-4

k5

E k-5

k

Dalam konvensi Cleland, huruf A,EAB B, C, 3D menandakan substrat, sedangkan P, E EA EPQ EQ E k-3

Q, R, S, menandakan produk yang ditulis sesuai dengan urutan penambahan

Dalam konvensi Cleland, huruf A, B, C, D menandakan substrat,

Dalam konvensi huruf A, B, C, Dproduk menandakan sedangkan P, dan pelepasannya. sedangkan P, Q,Cleland, R, S, menandakan yang substrat, ditulis sesuai dengan Q, R, S,penambahan menandakan produk yang ditulis sesuai dengan panah urutan penambahan dan pelepasannya. * Dalamurutan bentuk aslinya, notasi Cleland hanya memiliki tunggal, sehingga

*dan Dalam bentuk aslinya, notasi Cleland hanya memiliki panah tunggal, pelepasannya. sehingga mekanisme akan ditulishanya seperti berikut: * Dalam bentuk aslinya,ini notasi Cleland memiliki panah tunggal, sehingga

mekanisme ini akan ditulis seperti berikut: mekanisme ini akan ditulis seperti berikut: A B A

E

B

EA E

EA

Q

P Q

P

EAB EAB

EQ EQ

E E

Dengan menggunakan prosedur King-Altman, ungkapan laju untuk mekanisme Bi Bi teratur dalam contoh sebelumnya bisa ditunjukkan Dengan menggunakan prosedur King-Altman, ungkapan laju untuk Dengan menggunakan prosedur King-Altman, ungkapan laju untuk sebagai berikut: mekanisme Bi Bi teratur dalam contoh sebelumnya bisa ditunjukkan sebagai

mekanisme Bi Bi teratur dalam contoh sebelumnya bisa ditunjukkan sebagai berikut:

berikut: v = (k1k2k3k4k5[A][B] – k-1k-2k-3k-4k-5[P][Q]) ÷ {k5k-1(k3k4 + k4k-2 + k-2k-3) + [A]k k (k k + k k + k k ) + [B]k k k k + [P]k k k k

mekanisme Bi Bi teratur dalam contoh sebelumnya bisa ditunjukkan sebagai berikut: Dengan menggunakan prosedur King-Altman, ungkapan laju untuk 294

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

mekanisme dalam contoh sebagai v = (kBi k3kteratur – k-1k-2 k-3k-4k-5sebelumnya [P][Q]) ÷ {k5kbisa k-3) 1k2Bi 4k5[A][B] -1(k3kditunjukkan 4 + k4k-2 + k-2 + [A]k1k5(k3k4 + k4k-2 + k-2k-3) + [B]k2k3k4k5 + [P]k-1k-2k-3k-4 berikut: + [Q]k-1k-5(k3k4 + k4k-2 + k-2k-3) + [A][B]k1k2(k3k4 + k3k5 + k4k5 + k5k-3) v = (k+1k[P][Q]k [A][B] k-4+k-5k[P][Q]) ÷ {k k +(k[A][P]k k-2k-3) 2k3k4k5-4 3k4 + k14kk-2 -2k+ k-5(k3–k-1k-1+k-2 k-1k-3 k-2 -1k-3 + k-2k-35) -1 -3k-4 ++[A]k k34k+4kk-54k+-2 [A][B][P]k + k-2k-3) +1k[B]k k k k + [P]k-1k-2k-3k-4 2k-4k-5(k3 + k-3)} 1k5(k23k [B][Q]k 2k-42(k33 4+ 5k-3) + [B][P][Q]k + [Q]k-1k-5(k3k4 + k4k-2 + k-2k-3) + [A][B]k1k2(k3k4 + k3k5 + k4k5 + k5k-3) + [P][Q]k-4k-5(k3k-1 + k-1k-2 + k-1k-3 + k-2k-3) + [A][P]k1k-2k-3k-4 [B][P][Q]k2bahwa k-4k-5(k3 + k-3)} awal 2k3k 4k-5 + [A][B][P]k 1k2k-4(k3 + k -3) + dianggap Ungkapan+ [B][Q]k ini bisa sangat disederhanakan bila pada

reaksi [P]Ungkapan dan [Q] =ini0.bisa Lagipula, jika [B] jenuh, bila makadianggap pembilang maupun sangat disederhanakan bahwa Ungkapan ini bisa sangat disederhanakan bila dianggap bahwa pada awal penyebut dengan [B] dan limit[B][B]jenuh, ,maka sehingga pada bisa awal dibagi reaksi [P] dan [Q] = 0. mengambil Lagipula, jika reaksi pembilang [P] dan [Q] = 0. penyebut Lagipula, bisa jika dibagi [B] jenuh, maka maupun maupun dengan [B]pembilang dan mengambil persamaannya menjadi limitbisa [B]  , sehingga menjadilimit [B] penyebut dibagi dengan persamaannya [B] dan mengambil , sehingga persamaannya menjadi

Katalis Enzim num1[A] 0 koefB koefAB[A] 0 num1[A] dengan num1 dan koefAB serta koefB0 berkaitan dengan persamaan v0 dengan num1 dan koefAB serta koefAB[A] koefB berkaitan dengan persamaan koefB 0 sebelumnya. Oleh Oleh karenakarena itu, ungkapan untuk Vmaks dan KVmaks m diberikan sebelumnya. itu, ungkapan untuk danoleh Km

v0

diberikan oleh

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

Vmaks

278

num1 koefAB

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

278

Km

koefB koefAB

untuk parameter-parameter berkaitan denganB Bbisa UngkapanUngkapan untuk parameter-parameter yang yang berkaitan dengan bisa diturunkan dengan yang sama. diturunkan dengan cara yang cara sama.

PENGARUH PADA LAJU REAKSIENZIM ENZIM 14. 14. PENGARUH pHpH PADA LAJU REAKSI Dalam praktek, bisa menemukan nilai nilaipHpH Dalam praktek, bisasaja sajadiinginkan diinginkan untuk untuk menemukan ketika ketika enzim paling efisien mengkatalisis reaksi, yakni pH optimum. optimum . Selain enzimSelain paling mengkatalisis yakni itu,efisien penelitian mengenaireaksi, pengaruh pHpHpada kinetika reaksi itu, penelitian mengenai pengaruh pada pH pada kinetikamengenai reaksi enzimatik dapat enzimatik dapat mengarah pemahaman gugus-gugus fungsi pada apa saja dalam enzim atau substrat yang mungkin dalam mengarah pemahaman mengenai gugus-gugus fungsiterlibat apa saja dalam pengikatan atau katalisis. enzim atau substrat yang mungkin terlibat dalam pengikatan atau katalisis. Hampir

tidak

mungkin

untuk

menggambarkan

secara

lengkap

mengenai pengaruh perubahan pH pada katalis enzim. Banyak rantai samping asam amino dalam enzim yang dapat terionisasi, namun dalam lingkungan

Bab 6 Katalis dan Kinetika Enzim

295

Hampir tidak mungkin untuk menggambarkan secara lengkap mengenai pengaruh perubahan pH pada katalis enzim. Banyak rantai samping asam amino dalam enzim yang dapat terionisasi, namun dalam lingkungan yang polaritasnya berbeda dengan dalam larutan bebas, dengan demikian pKa-nya kemungkinan berubah secara signifikan. Akan tetapi, dalam eksperimen, adalah mudah untuk menentukan nilai-nilai parameter kinetik steady-state (Km, Vmaks) suatu enzim untuk berbagai kondisi pH. Pengaruh pH yang mungkin terjadi yakni mengubah keadaan ionisasi dari (1) gugus-gugus yang terlibat dalam katalisis, (2) gugusgugus yang terlibat dalam pengikatan substrat, (3) gugus-gugus yang terlibat dalam pengikatan sisi-sisi selain sisi aktif (disebut sisi Katalis efektor Katalis Enzim Enzim alosterik), dan (4) gugus-gugus pada substrat. Keadaan bermuatan yang telah berubah ini akan mempengaruhi afinitas enzim terhadap Skema tipe yang sederhanauntuk untukmenggambarkan menggambarkan Skema tipeMichaelis-Menten Michaelis-Menten yang paling paling sederhana substratnya, serta mempengaruhi laju katalisis. Skema tipe mengenai Michaelis-Menten yangionisasi paling sederhana untuk menggamsecara analitis mengenai pengaruh pengaruh enzim parameter kinetik secara analitis ionisasi enzim pada pada parameter kinetik barkan secara analitis mengenai pengaruh ionisasi enzim pada parameenzim adalah enzim adalah ter kinetik enzim adalah E-E

-

K

K2e2e

EH + S

EH + S K1e

k1

k1

k-1

k-1

EHS

k2

EHS

k2

EH + P

EH + P

K + 1e

EH2

EH2+

K 2e

dengan

dengan dengan K 2e



[E ][H ] [E [EH] ][H ]

K 1e

K 1e

[EH]

[EH][H ] [EH][H [EH 2 ] ]

[EH 2 ]

Ks

Ks

[EH][S] [EH][S] [EHS]

[EHS]

Ungkapan laju sesuai dengan skema di atas dapat diturunkan dengan mudah

Ungkapan laju sesuai dengan skema di atas dapat diturunkan

Ungkapan lajumudah sesuai dengan skema di Michaelis atas dapatdan diturunkan dengan menggunakan analisis kesetimbangan Menten. Konservasi dengan menggunakan analisis kesetimbangan Michaelis dan mudah

Menten.massa Konservasi persamaan massa Michaelis untuk enzim yakni persamaan untukkesetimbangan enzim yakni menggunakan analisis dan Menten. [E]0enzim = [E-] yakni + [EH] + [EHS] + [EH+2+] persamaan massa untuk [E]0 = [E ] + [EH] + [EHS] + [EH2 ] -

+

[EH] [EHS] + [EH2 ] Dengan menggunakan[E] hubungan atas,+ diperoleh 0 = [E ] +di

Konservasi

menggunakan menggunakan analisis analisis kesetimbangan kesetimbangan Michaelis Michaelis dan dan Menten. Menten. Konservasi Konservasi persamaan massa untuk enzim yakni persamaan persamaanmassa massauntuk untukenzim enzimyakni yakni 296

[E]0 = [E--] + [EH] + Biokimia: [EHS] +Struktur [EH2++]dan Fungsi Biomolekul [E] 0 = =[E 2 ]+] [E] [E] -+ ] +[EH] [EH]++[EHS] [EHS]++[EH [EH 0 2 Dengan menggunakan hubungan di atas, diperoleh Dengan menggunakan hubungan didiatas, Dengan menggunakan hubungan di diperoleh atas, diperoleh Dengan menggunakan hubungan atas, diperoleh [E] 0 [E] [EHS] 0 [E] [EHS] 0 K K [H ] [EHS] 2e s K K [H[H] ] 1 1 2 s e K 1 1 [S K 1 2 s e ] K 1e 1 [H 0 ]] [S[S [H[H] ] KK 0 ] 1e 0 1e Karena v0 = k2[EHS], maka = k [EHS], maka Karena v Karena 0v0 = 2k2[EHS], maka Karena v0 = k2[EHS], maka k 2 [E] 0 [S] 0 k 2k[E] v0 0 [S] 0 [E] v0v 2 0 [S] 0 K [H ] 2e 0 K [H[H] ] [S] 0 1 KK 2e s [S] KK K 1e 0 s 1 1 [H ]2 e [S] 0 s [H[H] ] KK 1e 1e

Persamaan ini sesuai dengan persamaan Michaelis-Menten dalam hal Persamaan iniini sesuai persamaan Michaelis-Menten hal Persamaan ini sesuaidengan dengan persamaan Michaelis-Menten dalamdalam hal Persamaan sesuai dengan persamaan Michaelis-Menten dalam hal [E]0, tetapi ungkapan untuk Vuntuk maks, k2Vmaks, ungkapan k [E]0, tetapi 2 ungkapan maks, k 0, tetapi , 2k[E] [E] , tetapi ungkapanuntuk untukVV maks

2

0

K 2e K m K s 1 KK KK KKs 1 1 [H2e]2e m m s [H[H] ]

[H ] [H[H] ] K 1e KK 1e 1e

Hal-hal yang perlu diperhatikan mengenai persamaan-persamaan di atas: Hal-hal diperhatikan mengenai persamaan-persamaan didiatas: Hal-hal yang perlu diperhatikan mengenai persamaan-persamaan di Hal-halyang yangperlu perlu diperhatikan mengenai persamaan-persamaan atas:

atas: (a) Untuk nilai [S]0 dan [E]­0 yang tetap, persamaan di atas melukiskan kurva berbentuk lonceng dengan puncak maksimum pada pH antara pK1e dan pK2e. Dengan kata lain, plot dari –log (Km nyata) Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul ≡ pKm pH mempunyai bentuk seperti diperlihatkan Biokimia: Struktur danterhadap Fungsi Biomolekul dalam Gambar 9-3, dengan nilai maksimum pKm pada pH = – 1/2 log (K1e∙ K2e). Maka pH optimum untuk reaksi adalah (pK1e + pK2e)/2. (b) Pada pH berapapun, nilai dalam tanda kurung pada persamaan Km di atas akan selalu memiliki nilai > 1, sehingga Km > Ks. (c) Konsentrasi H+ (yakni pH) tidak mempengaruhi Vmaks. (d) Jika [H+] >> K2e, yakni ketika pH rendah (berarti [H+] tinggi), maka persamaannya menjadi

280 280 280

atas akan selalu memiliki nilai > 1, sehingga Km > Ks. (c) Konsentrasi H+ (yakni pH) tidak mempengaruhi Vmaks. + (d)BabJika [H+] dan >>Kinetika K2e, yakni 6 Katalis Enzim ketika pH rendah (berarti [H ] tinggi), maka 297 persamaannya menjadi

Vmaks [S] 0

v0

Ks 1

[H ] K 1e

[S] 0

yang seperti persamaan inhibisi kompetitif 6.3) yangbentuknya bentuknyasama sama seperti persamaan inhibisi kompetitif(Tabel (Tabel 6.3) dengan H+ sebagai inhibitor. dengan H+ sebagai inhibitor. (e) Pada pH rendah, Km +» Ks[H+]/K1e. Karenanya, pKm = pKs + (e)pHPada pH rendah, [H ]/K1e. pH Karenanya, pKmgaris = pKlurus – pK1e, s + pH – pK1e, dan plotKmpKmKsterhadap merupakan dengan dan plot p1. KmDengan terhadap pHyang merupakan garispH lurus dengan kemiringan kemiringan cara sama, pada tinggi, dengan K1e >>1. + K2e >> [H+], KsK2e/[H+] dan pKm = pKsK+1epK2e pH, Dengan caraKm yang= sama, pada pH tinggi, dengan >> K2e– >> [Hdan ], Km plot pKm terhadap pH mempunyai kemiringan –1. Dalam interval = KsK2e/[H+] dan pKm = pKs + pK2e – pH, dan plot pKm terhadap pH pH intermediet, ketika K1e >> [H+] >> K2e, Km » Ks dan plot pKm mempunyai Dalam interval pH intermediet, ketika K1e >> terhadap pH kemiringan merupakan–1. garis horizontal. Karenanya persimpangan Katalis Enzim [H+]horizontal >> K2e, Kini Ks dankedua plot psegmen Km terhadap pH merupakan garis garis garis lurus menghasilkan m dengan perkiraan pK1e dan pK2epersimpangan (Gambar 6-4). horizontal. Karenanya garis horizontal ini dengan kedua segmen garis lurus menghasilkan perkiraan pK1e dan pK2e (Gambar 6pKm

4).

3,0

2,5

2,0

1,5

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul pK1e 1,0 3 6 7 4 5

281

pK2e 8

9

10

11 pH

Gambar 6-4 Plot6-4 dariPlot –logdari (apparent Km = pKm versus untuk enzim. Gambar –log (apparent Km =pHpKm versus pH

untuk enzim. 15. MEKANISME INHIBISI ENZIM

298 15. MEKANISME INHIBISI ENZIM

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

Persamaan-persamaan yang diberikan dalam Tabel 7.1 menjelaskan

15.sederhana MEKANISME INHIBISIsifat-sifat ENZIM inhibisi enzim, sehingga bisa disebut secara mengenai sebagai ungkapan pendekatan (phenomenological ). Namun Persamaan-persamaan yang diberikan dalam Tabelexpressions 7.1 menjelaskan

secara penting sederhanauntuk mengenai sifat-sifat inhibisimekanisme-mekanisme enzim, sehingga bisa di- dasar demikian, menggambarkan

sebut sebagai ungkapan pendekatan (phenomenological expressions). Namun demikian, penting untuk menggambarkan mekanisme-mekaMekanisme-mekanisme ini seperti berlakuyang untuk bentuk persamaan-persamaan nisme dasar dengan cara dilakukan Michaelis dan Menten untuk enzim tunggal. Mekanisme-mekanisme ini berlaku untuk beninhibisi. tuk persamaan-persamaan inhibisi. Skema paling sederhana untuk inhibisi kompetitif adalah Skema paling sederhana untuk inhibisi kompetitif adalah dengan cara seperti yang dilakukan Michaelis dan Menten untuk enzim tunggal.

I +

k1

E + S kI

k2

ES

k-1

E + P

Katalis Enzim

k-I

Katalis Enzim

dengan KI = k-I/kI, yakni merupakan tetapan disosiasi kompleks enzim-inhibitor. EI

dengan KI = k-I/kI, yakni merupakan tetapan disosiasi kompleks enzim-inhibitor.

DenganKImenggunakan analisis steady-state Briggs dan Haldane, dengan = k-I/kI, yakni merupakan tetapan disosiasi kompleksdapat enzim-inhibitor. ditunjukkan bahwamenggunakan analisis steady-state Briggs dan Haldane, dapat Dengan Dengan menggunakan analisis steady-state Briggs dan Haldane, Biokimia: Strukturbahwa dan Fungsi Biomolekul 282 ditunjukkan dapat ditunjukkan bahwa k [E] [S] v0

v0

2

k

0

0

k 2 k 2 [E] 0 [S][I] 0 1 [S] 0 k 1k1 k 2 [I] / k k I I 1 [S] 0 k1 k I / kI Vmaks [S] 0 1

Vmaks [S] 0

[I] [I] Km 1 K I

Km 1

KI

[S] 0

[S] 0

Bentuk timbal balik ganda (double reciprocal) untuk inhibisi kompetitif ialah:

Bentuk timbal balik ganda untukinhibisi inhibisi kompetitif ialah: Bentuk timbal balik ganda(double (double reciprocal reciprocal) )untuk kompetitif ialah:

11 11 v0v0 VVmaks maks

K [I][I] 1 1 Kmm 11 Vmaks KKI [S][S] V 0 maks

I

0

Persamaan ini meramalkan bahwa kemiringan plot Lineweaver-Burk

Persamaan ini meramalkan bahwa kemiringan plot Lineweaver-Burk akan meningkat seiring dengan naiknya konsentrasi inhibitor, tetapi intercept

akan meningkat seiring dengan naiknya konsentrasi inhibitor, tetapi intercept pada sumbu 1/v0 (1/Vmaks) tidak akan berubah.

Serangkaian plot untuk

1 v0

1 Vmaks

Km [I] 1 1 Vmaks K I [S] 0

Bab 6 Persamaan Katalis dan Kinetika Enzim 299 ini meramalkan bahwa kemiringan plot Lineweaver-Burk

akan meningkat seiring dengan naiknya konsentrasi inhibitor, tetapi intercept pada sumbu 1/v0 ini (1/Vmeramalkan berubah. Serangkaian plot untuk Persamaan bahwa kemiringan plot Lineweavermaks) tidak akan

Burk akan meningkat seiring konsentrasi dengan naiknya konsentrasi inhibitor, beberapa eksperimen dengan inhibitor yang berbeda-beda, tetapi intercept pada sumbu 1/v0 (1/Vmaks) tidak akan berubah. Serangkaian plot untuk beberapa eksperimen dengan konsentrasi inhibidalam Gambar 6-5-a, yang menunjukkan bahwa inhibisi kompetitif tidak tor yang berbeda-beda, semuanya akan memiliki intercept 1/v0 yang mengubah Vmaksyang . sama seperti diperlihatkan dalam Gambar 6-5-a, yang menunjukkan bahwa mengubah Vmaks. Skemainhibisi paling kompetitif sederhanatidak untuk inhibisi nonkompetitif dan inhibisi Skema paling sederhana untuk inhibisi nonkompetitif dan inhibisi campuran adalah campuran adalah

semuanya akan memiliki intercept 1/v0 yang sama seperti yang diperlihatkan

I

I + E + S

+

k1

k2

ES

k-1

E + P

Katalis Enzim K'I

KI

ESI [S] 0 Vmaks

EI

v0

[I] Persamaan laju yang sesuai ialah 1 K m Persamaan laju yang sesuai ialah K I

Katalis Enzim

[I] 1 [S] 0 K 'I

Vmaks [S] 0

v0

Km 1

[I] KI

1

[I] [S] 0 K 'I

Persamaan ini sesuai dengan persamaan untuk inhibisi campuran

sesuai dengan persamaan inhibisi KI K’ini Namun apabila KI = K’I, untuk maka hasilnyacampuran adalah inhibisi (Tabel 6.3)Persamaan jikaPersamaan I. ini sesuai dengan persamaan untuk inhibisi campuran Biokimia: (TabelStruktur 6.3) dan jikaFungsi KI ≠Biomolekul K’I. Namun

apabila KI = K’I, maka hasilnya283 adalah inhibisi nonkompetitif murni. Dengan demikian dapat terlihat nonkompetitif murni. dapat terlihat bahwa secara mekanis inhibisibahwa nonkompetitif murniDengan adalahdemikian suatu kasus khusus dari inhibisi campuran. secara mekanis inhibisi nonkompetitif murni adalah suatu kasus inhibisidari nonkompetitif murni adalah suatu kasus khusus dari inhibisi campuran. khusus inhibisi campuran. Bentuk timbal balik ganda (double reciprocal) dari persamaan di atas Bentuk timbalbalik balik ganda ) dari dari persamaan di atasdi Bentuk timbal ganda(double (doublereciprocal reciprocal) persamaan untuk inhibisi nonkompetitif murni yakni: untuk inhibisi nonkompetitif murni yakni:murni yakni: atas untuk inhibisi nonkompetitif nonkompetitif murni. demikian terlihat bahwa secara K’I. Namun apabila Kdapat hasilnya adalah inhibisimekanis (Tabel 6.3) jika KI Dengan I = K’I, maka

1 v0

1(1 (1[I]/[I]/ KKI )I ) v0 Vmaks

Vmaks

Km K m

K IK ((11 [I]/[I]/ ) 1 I) Vmaks [S] 0

Vmaks

1 [S] 0

1/v01/ Persamaan meramalkanbahwa bahwa kemiringan kemiringan serta Persamaan ini ini meramalkan sertaintercept intercept intercept Persamaan ini meramalkan bahwa kemiringan serta akan meningkat seiring dengan naiknya v0dalam dalamplot plotLineweaver-Burk Lineweaver-Burk akan meningkat seiring dengan naik­ 1/v0

dalam

konsentrasi inhibitor, tetapi intercept sumbu 1/[S] tidak akan naiknya 0 (–1/Km) dengan plot Lineweaver-Burk akan pada meningkat seiring

berubah. Serangkaian plot untuk beberapa eksperimen dengan konsentrasi

konsentrasi inhibitor, tetapi intercept pada sumbu 1/[S]0 (–1/Km) tidak akan inhibitor yang berbeda-beda, semuanya akan melalui intercept 1/[S]0 seperti

(1 [I]/K I ) 1 1 (1 [I]/K I ) Km v0 Vmaks bahwa kemiringan Vmaks [S] 0 serta intercept 1/v0 Persamaan ini meramalkan

dalam

plot

Lineweaver-Burk

akan

meningkat

seiring

dengan

naiknya

300 Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul 1/v0 Persamaan ini intercept meramalkan bahwa kemiringan serta konsentrasi inhibitor, tetapi pada sumbu 1/[S]0 (–1/ Km)intercept tidak akan

dalam plot Lineweaver-Burk akan meningkat seiring dengan naiknya berubah. Serangkaian plot untuk beberapa eksperimen dengan konsentrasi

konsentrasi inhibitor, tetapi akan intercept pada sumbu 0 m1/[S]0 (–1/ inhibitornya yang berbeda-beda, semuanya melalui intercept 1/[S] 0 seperti konsentrasi inhibitor, tetapi intercept pada sumbu 1/[S] (–1/K ) tidak akan

Km) tidakSerangkaian akan berubah. ploteksperimen untuk beberapa berubah. plot Serangkaian untuk beberapa denganeksperimen konsentrasi

diperlihatkan dalam Gambar 6-5-b, yang menunjukkan bahwa inhibisi

dengan yang konsentrasi inhibitor yang berbeda-beda, semuanya akan meinhibitor berbeda-beda, semuanya akan melalui intercept 1/[S] 0 seperti

nonkompetitif murni tidak mengubah m. lalui intercept 1/[S]0 seperti Kdiperlihatkan dalam Gambar 6-5-b, yang diperlihatkan dalam Gambar 6-5-b, yang menunjukkan bahwa inhibisi menunjukkan bahwa untuk inhibisi nonkompetitif murni Mekanisme paling sederhana inhibisi antikompetitif ialah tidak mengubah nonkompetitif murni tidak mengubah Km.

Km. I Mekanisme paling sederhana untuk inhibisi antikompetitif ialah

Mekanisme paling sederhana untuk inhibisi antikompetitif ialah

E + S

k1 k-1

E + S

+

I k2 ES +

k1

ES

Kk-1 I

E + P k2

E + P

KI

ESI

ESI

dan persamaan laju yang sesuai adalah

dan persamaan laju yang sesuai adalah

dan persamaan laju yang sesuai adalah

v0

vK0 m

Vmaks [S] 0 V [S] 0 [S] 0 (1maks[I]/K I)

Km

[S] 0 (1 [I]/K I )

Katalis Enzim

DalamDalam halhalini, Lineweaver-Burk terhadap ini, plot plot Lineweaver-Burk 1/v terhadap 1/v0 1/[S] untuk beberapa 1/[S]0 untuk eksperimen dengan konsentrasi inhibitor yanginhibitor berbeda-bedayang akan berbeda-beda beberapa eksperimen dengan konsentrasi menghasilkan garis-garis paralel dengan kemiringan K /V . akan menghasilkan garis-garis paralel dengan kemiringan Km/Vmaks. 0

0

m

maks

Biokimia: StrukturStruktur dan Fungsi Biomolekul Biokimia: dan Fungsi Biomolekul

284 284

1/vo 0,04

1/vo 0,15

[I] = 4K1 [I] = 2K1

[I] = K1

[I] = 4K1 [I] = 0 [I] = 2K1 0,02

0,10 [I] = K1

-1/Km 0,05

[I] = 0 1/Vmaks

-0,05

0,00

0,05

0,15 -0,04

0,10

0,00

0,04

0,08

1/[S]o

0,12 1/[S]o

(b)

(a)

Gambar 6-5 Plot Plot Lineweaver-Burk : 1/v versus 1/[S] untuk (a) inhibisi kompetitif Gambar 6-5 Lineweaver-Burk : 1/v0 versus 1/[S]0 untuk (a) murni dan (b) inhibisi nonkompetitif murni inhibisi kompetitif murni dan (b) inhibisi nonkompetitif murni 0

0

16. ENZIM REGULATOR Kinetika enzim yang telah dibahas di atas bisa disebut sebagai kinetika

Bab 6 Katalis dan Kinetika Enzim

301

16. ENZIM REGULATOR Kinetika enzim yang telah dibahas di atas bisa disebut sebagai kinetika Michaelis-Menten, yakni dengan plot laju reaksi terhadap konsentrasi substrat yang berupa kurva hiperbola rectangular murni, sedangkan plot dari kebalikan kecepatan awal terhadap kebalikan konsentrasi substrat merupakan garis linear. Banyak reaksi yang melibatkan dua substrat atau lebih juga memberikan plot linear seperti pada satu substrat, dengan konsentrasi awal substrat lainnya dibuat tetap. Banyak enzim yang mematuhi kinetika Michaelis-Menten, tetapi beberapa enzim tidak demikian. Enzim-enzim seperti ini membentuk kurvaKatalis kecepatan Enzim terhadap substrat berupa sigmoidal, bukan hiperbola. Enzim-enzim ini disebut enzim pengatur atau regulator, yang biasanya berada pada Bentuk paling sederhana dari regulasi jalur metabolisme yakni inhibisi permulaan atau titik percabangan dalam jalur metabolisme. suatu enzim oleh produk jalur tersebut. Dalam Gambar 6-6, Ei menandakan Bentuk paling sederhana dari regulasi jalur metabolisme yakni inenzim, A dan B merupakan metabolit, sedangkan tanda lingkaran negatif hibisi suatu enzim oleh produk jalur tersebut. Dalam Gambar 6-6, Ei menandakan inhibisi. tidakBada inhibitor enzim (E1) yang bekerja pada A, menandakan enzim, Jika A dan merupakan metabolit, sedangkan tanda maka konsentrasi B tergantunginhibisi. sepenuhnya pada ada lajuinhibitor sintesis enzim atau lingkaran negatif menandakan Jika tidak Jika laju pemanfaatan B menurun atau B dipasok dari (Epemanfaatannya. ) yang bekerja pada A, maka konsentrasi B tergantung sepenuhnya 1 sumber makaatau konsentrasinya akan naik, mungkin bahkan sampaiB tingkat pada lajuluar, sintesis pemanfaatannya. Jika laju pemanfaatan menurun atau BBdipasok dari sumber akan saat naik, toksik. merupakan inhibitor luar, bagi maka enzimkonsentrasinya pertama, sehingga mungkin bahkan tingkat toksik. B merupakan bagi konsentrasinya naiksampai maka besar inhibisi akan meningkat dan lajuinhibitor sintesis akan enzim pertama, saat konsentrasinya naik inhibition maka besar umpan balik (feedback ) atau inhibisi kontrol menurun. Efek inisehingga disebut inhibisi akan meningkat dan laju sintesis akan menurun. Efek ini disebut inhiumpan balik negatif. Konsep ini juga digunakan untuk menggambarkan sirkuit bisi umpan balik (feedback inhibition) atau kontrol umpan balik negaelektronik. tif. Konsep ini juga digunakan untuk menggambarkan sirkuit elektronik. A

E1

E2

E3

E4

B

Gambar Bentuk paling sederhana dari regulasi jalur metabolisme Gambar 6-6 6-6 Bentuk paling sederhana dari regulasi jalur metabolisme yakni inhibisi suatu enzim oleh produk jalur tersebut. Ei menandakan enzim, A dan B yakni inhibisi suatu enzim oleh produk jalur tersebut. Ei menandakan merupakan metabolit, sedangkan tanda lingkaran negatif menandakan enzim, A dan B merupakan metabolit, sedangkan tanda lingkaran inhibisi. negatif menandakan inhibisi. Kontrol dalam jalur metabolisme bercabang lebih kompleks.

Skema

metabolismenya diperlihatkan dalam gambar 6-7, yakni B bereaksi dengan C,

302

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

Kontrol dalam jalur metabolisme bercabang lebih kompleks. Skema metabolismenya diperlihatkan dalam gambar 6-7, yakni B bereaksi dengan C, dan D diproduksi di sepanjang jalur. Untuk kontrol D yang paling efektif, B mesti menginhibisi enzim pertama (E1), sedangkan C mesti mengaktifkan enzim tersebut. Dalam hal ini, jika B dipasok dari sumber eksternal sehingga B >> C, maka B akan menginhibisi sintesisnya sendiri dari A, dan konsentrasi B dan C akan cenderung menjadi sama. Tetapi apabila C >> B, maka C akan mengaktivasi produksi B, yang juga akan cenderung menyamakan konsentrasi B dan C. Aktivasi oleh C ini biasanya merupakan hasil kompetisi C untuk sisi pengikatan yang sama seperti B pada E1, sehingga menurunkan inhibisi Katalis Enzim yang dilakukan oleh B. Enzim pertama dalam sintesis pirimidin, yakni aspartat karbamoiltransferase, dalam E. coli merupakan subyek dari karbamoiltransferase, dalam coliBmerupakan subyek dari kontrol kontrol tipe ini. Dalam halE.ini adalah CTP, C adalah ATP,tipe danini.D Dalamasam hal ini nukleat. B adalah CTP, C adalah ATP, dan D adalah asam nukleat. adalah

E1 A

B D C

Gambar Kontroldalam dalam jalur bercabang Gambar 6-76-7 Kontrol jalurmetabolisme metabolisme bercabang

Biasanya molekulefektor efektor membawa membawa sedikit kemiripan struktural pada Biasanya molekul sedikit kemiripan struktural substrat dari enzim yang dikontrolnya. Dengan demikian ini bukanlah pada substrat dari enzim yang dikontrolnya. Dengankontrol demikian kontrol pengikatan sisi aktif, pada melainkan pada melainkan sisi alternatif yaitusisi sisialinikarena bukanlah karenapada pengikatan sisi aktif, pada ternatif sisi alosterik. Pengaruh pada reaksi di sisi aktif . Pengaruh pada reaksi di sisi aktif disebabkan oleh disebabkan perubahan alosterikyaitu oleh perubahan konformasi protein. konformasi protein. efektor suatu enzim merupakan substratnya, maka efektor disebut JikaJika efektor suatu enzim juga juga merupakan substratnya, maka disebut efektor homotrof. Sedangkan jika efektor tersebut adalahmaka nonsubstrat, homotrof . Sedangkan jika efektor tersebut adalah nonsubstrat, disebut maka disebut heterotrof. heterotrof. Enzim regulator biasanya diidentifikasi oleh deviasi kinetiknya Enzim regulator biasanya diidentifikasi oleh deviasi kinetiknya dari dari kinetika Michaelis-Menten. Plot kecepatan terhadap konsentrasi kinetika Michaelis-Menten. Plot kecepatan terhadap konsentrasi substrat bisa merupakan kurva sigmoidal atau hiperbola modifikasi (Gambar 6-8-a).

Jika

kurva-kurva ini diplotkan dalam bentuk timbal balik ganda (double-reciprocal)

Bab 6 Katalis dan Kinetika Enzim

303

substrat bisa merupakan kurva sigmoidal atau hiperbola modifikasi Katalis Enzim Katalis Enzim (Gambar 6-8-a). Jika kurva-kurva ini diplotkan dalam bentuk timbal balik ganda (double-reciprocal) Lineweaver-Burk, maka diperoleh grafik nonlinear (Gambar 6-8-b). vvoo

11 22 33

33 2

2 1

1

[S]o

0

[S]o

0

(a) Plot vo versus [S]0 : (1) Sigmoidal; (2) hiperbola; dan (3) hiperbola apparent

(a) Plot vo versus : (1)[S]Sigmoidal; (2) hiperbola; dan (3) hiperbola apparent (a) Plot[S]0 vo versus 0 : (1) Sigmoidal; (2) hiperbola; dan (3) hiperbola apparent 1/vo

1/vo

1

1 2

2 3

3

2

3

3

2 1

1 0

1/[S]o

(b) Data yang sama diplot dalam bentuk double reciprocal. Catatan 1/[S]o bahwa 0 hanya (2) yang berbentuk linier dan karenanya ditandai dengan kinetika hiperbola, sementara (1) adalah concave dan (3) convex.

Data yang sama dalamdouble bentuk double reciprocal. Catatanbahwa bahwa hanya (b) Data yang (b) sama diplot dalamdiplot bentuk reciprocal. Catatan hanya (2) yang berbentuk linier dan karenanya ditandai dengan kinetika Gambar 6-8 dan Sifat kinetik mungkin enzim-enzim regulator (2) yang berbentuk linier ditandai dengan kinetika hiperbola, hiperbola, sementara (1)karenanya adalah yang concave dan (3)dari convex. sementara (1) adalah concave dan (3) convex.

Gambar 6-8 Sifat kinetik yang mungkin dari enzim-enzimenzim-enzim regulator Suatu parameter yang berguna untuk membandingkan

regulator yakni rasio R :

s Gambar 6-8 Sifatparameter kinetik yangberguna mungkin dari enzim-enzim regulator Suatu yang untuk membandingkan enzim-enzim

regulator yakni rasio Rs: Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

288

288

304

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

Suatu parameter yang berguna untuk membandingkan enzimenzim regulator yakni rasio Rs: R2= Konsentrasi substrat pada kecepatan maksimal 0,9 Konsentrasi substrat pada kecepatan maksimal 0,1 Untuk enzim Michaelis-Menten, Rs = 81. Untuk kurva sigmoidal, Rs < 81, yakni enzim tersebut menunjukkan kerjasama positif dengan substrat. Kerjasama positif berarti bahwa pengikatan substrat atau laju katalisis (atau keduanya) meningkat seiring dengan naiknya konsentrasi substrat, lebih besar daripada yang terjadi pada enzim MichaelisMenten sederhana. Jika Rs > 81, maka enzim tersebut memperlihatkan kerjasama negatif dengan substrat. Dalam hal ini, pengikatan substrat atau katalisis ketika meningkat akan lebih kecil daripada yang terjadi pada enzim Michaelis-Menten sederhana pada saat konsentrasi substrat naik. Efek heterotrof dan homotrof juga bisa bekerja pada protein pengikat. Contohnya yakni pengikatan O2 pada hemoglobin. Pengikatan satu molekul O2 pada hemoglobin bekerjasama dalam cara positif dengan pengikatan dalam molekul berikutnya, sehingga afinitas hemoglobin untuk O2 meningkat seiring naiknya derajat kejenuhan oleh O2. Ketika kejenuhan fraksional diplotkan terhadap tekanan parsial O2 (ekuivalen dengan konsentrasi O2), maka kurva yang diperoleh bukanlah hiperbola melainkan sigmoidal (Gambar 6-9). Dalam sel darah manusia, efektor heterotrof 2,3-bifosfogliserat (BPG) menurunkan afinitas keempat sisi pengikat O2 dalam tetramer hemoglobin. Pada sisi lain, protein pengikat O2 dalam otot, yakni myoglobin, merupakan subunit tunggal dan tidak memperlihatkan sifat pengikatan O2 sigmoidal, juga tidak dipengaruhi oleh BPG.

Bab 6 Katalis dan Kinetika Enzim

305 Katalis Enzim

Persentase Saturasi dari Hemoglobin

100 Mioglobin murni

hemoglobin murni Sel-sel darah merah

50

10

20

30

40

50

Tekanan Parsial dari O2 (torr)

6-9 pengikatan Kurva pengikatan oksigen hemoglobin mioglobin GambarGambar 6-9 Kurva oksigen untukuntuk hemoglobin dandan mioglobin

Meskipun hemoglobin bukanlah enzim melainkan protein hemoglobin bukanlah enzim melainkan protein pengikat O2, pengikat O2Meskipun , tetapi penelitian mengenai hemoglobin telah memberikan pemahaman besar akan kerjasama molekul.telah Sifatmemberikan kerjasama pengikatan tetapi penelitian mengenai hemoglobin pemahaman besar O2 akan pada hemoglobin pertama Sifat kali ditemukan Bohr (1903), kerjasama molekul. kerjasama oleh pengikatan O2 padajauh hemoglobin sebelum efek tersebut terlihat pada enzim. Banyak usaha yang dilakukan pertama kali ditemukan oleh Bohr (1903), jauh sebelum efek tersebut terlihat untuk menjelaskan efek tersebut. Karena itu tidak ada salahnya untuk pada enzim. Banyak untuk menjelaskan mengetahui beberapa teoriusaha awal, yang yang dilakukan masih sesuai untuk sekarang. efek tersebut. Karena itu tidak salahnya mengetahui beberapa teori awal, yang Persamaan Hill.adaPada tahununtuk 1909, A.V. Hill mengusulkan bahwa reaksi pengikatan antara hemoglobin (Hb) dan oksigen bisa masih sesuai untuk sekarang. digambarkan oleh reaksi dengan molekularitas n + 1: Persamaan Hill.

Pada tahun 1909, A.V. Hill mengusulkan bahwa reaksi

Hb + nO

Hb(O )n

2 2 pengikatan antara hemoglobin (Hb) dan oksigen bisa digambarkan oleh reaksi

dengan molekularitas n + 1:

dengan n adalah jumlah sisi pengikat O2 dalam molekul hemoglobin. Persamaan untuk kejenuhan fraksional Y (fraksi sisi ikatan yang Hb + nO2 ditempati oleh O2 pada saat tertentu) yakni Hb(O2)n dengan n adalah jumlah sisi pengikat O2 dalam molekul hemoglobin. Persamaan untuk kejenuhan fraksional Y (fraksi sisi ikatan yang ditempati oleh O2 pada saat tertentu) yakni K b ( pO 2 ) n

dengan n adalah jumlah sisi pengikat O2 dalam molekul hemoglobin. Persamaan untuk kejenuhan fraksional Y (fraksi sisi ikatan yang ditempati oleh dengan pO2 adalah tekanan parsial O2 (torr) dan Kb adalah kesatuan tetapan 306 Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul O2 pada saat tertentu) yakni pengikat, yang didefinisikan sebagai Y K b

n K b ( pO 2)) ] [Hb(O 2 n 1[Hb]( K b (ppO O 2))nn

Katalis Enzim

2

dengan pO2 adalah tekanan parsial O2 (torr) dan Kb adalah kesatuan tetapan

dengan pO2 adalah tekanan parsial O2 (torr) dan Kb adalah kesatuan , yangpengikat, didefinisikan sebagai Ypengikat merupakan kuantitas tanpa dimensi sebagai yang memiliki nilai antara 0 – 1, tetapan yang didefinisikan

sedangkan n disebut koefisien Hill. Untuk nilai n sekitar 2,5, kurva sigmoidal Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul [Hb(O 2 ) n ] 290 seperti dalam Gambar 6-9 diperoleh oleh nHill. Fakta bahwa n bukan Kb [Hb]( pO 2 ) merupakan bilangan bulat telah menimbulkan masalah dalam penafsiran mekanis pada data yang dianalisis menggunakan persamaan Hill.antara Teka-teki ini1, Y merupakan kuantitas tanpa dimensi yang memiliki nilai 0 – Y merupakan kuantitas tanpa dimensi yang memiliki nilai antara memunculkan perkembangan model lain. 0 – 1,n sedangkan n disebut koefisien Untuk nilai 2,5, n sekitar disebut koefisien Hill . mekanis UntukHill. nilai n sekitar kurva2,5, sigmoidal sedangkan

kurva sigmoidal seperti dalam Gambar 6-9 diperoleh oleh Hill. Fakta

seperti dalam Gambar 6-9 diperoleh oleh Hill. Fakta bahwa n bukan bahwa n bukan merupakan bilangan bulat telah menimbulkan masalah Jika n = 1 dalam Hill,menimbulkan kurva sepertimasalah apa yang dibentuk oleh merupakan bilanganpersamaan bulat telah dalam penafsiran

dalam penafsiran mekanis pada data yang dianalisis menggunakan n = 1, maka persamaanpersamaan untuk Y akan persamaan tersebut? Bila persamaan Teka-teki inimenggunakan memunculkan perkembangan model mekanis pada dataHill. yang dianalisis Hill.menghasilkan Teka-teki ini mekanis lain. . Telah diketahui bahwa ungkapan Michaelis-Menten hiperbola rectangular memunculkan perkembangan model mekanis lain. Jika n = 1 dalam persamaan Hill, kurva seperti apa yang dibentuk K yang ekuivalen dengan tetapan disosiasi (dengan ditulis dengan m oleh persamaan tersebut? Bila n = 1, maka persamaan untuk Y akansatuan menghasilkan hiperbola rectangular. Telahikatan diketahui bahwapersamaan ungkapan Hill) yang sama (seperti = 1 pula). dalam Sedangkan persamaan persamaan Hill, kurva seperti apa yang dibentuk oleh Jika n Michaelis-Menten ditulis dengan Km yang ekuivalen dengan tetapan biasanya ditulis dengan tetapan yakni nilai numeriknya merupakan n =yang 1,kesatuan, maka persamaan untuk Y akan menghasilkan persamaan tersebut? disosiasi (denganBila satuan sama pula). Sedangkan persamaan ikatan kebalikan dari tetapan disosiasi. (seperti persamaan Hill) biasanya dengan tetapanMichaelis-Menten kesatuan, hiperbola rectangular . Telah diketahuiditulis bahwa ungkapan yakni numeriknya merupakan kebalikan dari tetapan Nilai dan nilai n dalam persamaan Hill dapat ditentukan daridisosiasi. data percobaan. K ditulisKbdengan m yang ekuivalen dengan tetapan disosiasi (dengan satuan Nilai Kb dan n dalam persamaan Hill dapat ditentukan dari Kbikatan dan membuat logaritma Dengan menyusun persamaan untuk data percobaan. Dengan menyusun ulang persamaan untukpersamaan Kb dan pada yang sama pula). ulang Sedangkan persamaan (seperti Hill) membuat logaritma pada kedua sisi, maka diperoleh kedua sisi, maka diperoleh biasanya ditulis dengan tetapan kesatuan, yakni nilai numeriknya merupakan [Hb(O 2 ) n ] kebalikan dari tetapanlog disosiasi. log K b n log( pO 2 ) [Hb] Nilai Kb dan n dalam persamaan Hill dapat ditentukan dari data percobaan.

Atau, bentuk yang lebih dari umum dari ungkapan di atas yakni meng- pada Kb dan membuat logaritma Dengan menyusun ulang persamaan untuk Atau, bentuk yang lebih umum ungkapan di atas yakni menggunakan gunakan kejenuhan fraksional Y pada pengikatan protein oleh substrat

kedua sisi,fraksional maka diperoleh kejenuhan Y pada pengikatan protein oleh substrat S, yakni S, yakni [Hb(O 2 ) n ] log log K b n log( pO 2 ) Y [Hb] log log K b n log[S] 0 1 Y

[Hb] Atau, bentuk yang lebih umum dari ungkapan di atas yakni menggunakan Bab 6 Katalis dan Kinetika Enzim

kejenuhan fraksional Y pada pengikatan protein oleh substrat S, yakni

log

Y 1 Y

log K b

307

n log[S] 0

Plot yang dibuat dari sisi sebelah kiri persamaan di atas terhadap log[S]0

Plot yang dibuat dari sisi sebelah kiri persamaan di atas terhadap disebut log[S]0 plot Hill , yangplot menghasilkan perkiraan untuk n dari kemiringannya, disebut Hill, yang menghasilkan perkiraan untuk n dari serta Kb dari intercept ordinat. dari intercept ordinat. serta Kbkemiringannya, Persamaan Adair. Pada tahun 1925, G.S. Adair menyimpulkan bahwa berat molekul hemoglobin adalah sekitar empat kali lebih besar daripada yang diperkirakan sebelumnya. Adair mempostulasikan Biokimia:bahwa Struktur dan Fungsimempunyai Biomolekul empat sisi pengikat O2 yang terpenuhi 291 hemoglobin dalam proses empat langkah berikut:





Hb + O2 HbO2 + O2 Hb(O2)2 + O3 Hb(O2)3 + O2

HbO2 Hb(O2)2 Hb(O2)3 Hb(O2)4

Misalkan satu sisi ikatan pada molekul hemoglobin yang kosong (tidak ada sisi yang ditempati), maka reaksi pengikatan untuk sisi ini bisa dikarakterisasi oleh tetapan kesatuan kesetimbangan K1 = k1/ k-1, dengan k1 dan k-1 adalah kesatuan tetapan laju untuk reaksi ke depan dan reaksi kebalikannya. Tetapan keseimbangan ini disebut tetapan intrinsik karena hanya mengacu pada satu sisi saja. Tetapan ikatan keseluruhan (atau ekstrinsik) berkaitan dengan keempat sisi ikatan sehingga memiliki nilai 4K1. Tetapan ikatan ekstrinsik untuk tiga sisi lainnya juga diungkapkan dalam kaitan dengan tetapan ikatan intrinsik serta yang disebut faktor-faktor statistik, yakni: 3/2K2, 2/3K3, dan 1/4K4. Dengan demikian, fungsi ikatan Adair Y untuk empat sisi diungkapkan sebagai berikut:

Tetapan ikatan ekstrinsik untuk tiga sisi lainnya juga diungkapkan dalam kaitan dengan tetapan ikatan intrinsik serta yang disebut faktor-faktor statistik, yakni: 3/2K2, 2/3K3, dan 1/4K4. Dengan demikian, fungsi Struktur ikatan Adair Y untuk empat 308 Biokimia: dan Fungsi Biomolekul sisi diungkapkan sebagai berikut: Y

jumlah (atau mol) sisi ikatan yang telah ditempati jumlah total (atau mol) sisi ikatan K 1 [X] 3 K 1K 2 [X]2 3 K 1 K 2 K 3 [X]3 K 1 K 2 K 3 K 4 [X] 4 1 4 K 1 [X] 6 K 1 K 2 [X]2 4 K 1 K 2 K 3 [X]3 K 1 K 2 K 3 K 4 [X] 4

dengan [X] kasus pengikatan hemoglobin tertentu. tertentu. 2 dalam dengan [X]= =pOpO dalam kasus pengikatan hemoglobin 2 Cara lain memandang konsep tetapan ikatan ikatan ekstrinsik adalah sebagai Cara lain untuk untuk memandang konsep tetapan ekstrinsik adalah sebagai ikatan dalam percobaan berikut. berikut. Tetapan Tetapan ikatan yang diukuryang dalamdiukur percobaan untuk setiap sisiuntuk dari setiap sisi dari suatu protein polimer atau tergantung pada suatu protein polimer atau enzim tergantung pada enzim jumlah sisi yang tersedia Katalis Enzim jumlah sisi yang tersedia dalam untuk tiap molekul. dalam tiap molekul. Misalnya, tetramer Misalnya, hemoglobin,untuk reaksitetramer ikatan hemoglobin, pertama yakni reaksi ikatan pertama yakni

Hb + O2 Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

k1 k-1

HbO 2 292

Terdapat empat sisi yang tersedia untuk mengikat O2, tetapi hanya Terdapat empat untuk mengikat O2, tetapihukum hanyareaksi satu ikatan satu ikatansisi O2yang yangtersedia dapat terdisosiasi. Maka, menurut kesetimbangan adalah samatetapan dapattetapan terdisosiasi. Maka, ekstrinsik menurut (keseluruhan) hukum reaksi massa, O2 yangmassa, dengan 4k1/k-1 = 4K1. Dengan cara yang sama, tetapan ekstrinsik yang kesetimbangan ekstrinsik (keseluruhan) adalah sama dengan 4k1/k-1 = 4K1. dilambangkan dengan diberikan oleh 3/2K2, dengan K2 adalah tetapan Denganintrinsik. cara yang sama, juga tetapan ekstrinsik yang Demikian = 2/3K dan = 1/4K . dilambangkan dengan K 2e 3 4 Jika tetramer hemoglobin memiliki empat sisi ikatan identik e diberikan oleh 3/2 K 2, dengan K2 adalah tetapan intrinsik. Demikian juga K 3 = yang tidak saling berinteraksi, maka keempatnya akan memiliki nilai tetapan yang sama, yakni K1 = K2 = K3 = K4. Dengan 2/3K3 dan K 4e =ikatan 1/4K4intrinsik . demikian dalam hal ini tidak akan ada kerjasama. Jika tiap langkah Jika tetramer hemoglobinlangkah memiliki empat sisi ikatan pengikatan mempermudah berikutnya, yakni K1 K2 > K3 > K4. Hubungan K1 = K2 =antara K3 = nilai-nilai K4. Dengan dalam hal K ini >tidak yang sama, yang yakni lebih kompleks K bisademikian saja terjadi, misalnya K2 akan 1 < K3 < K4. ada kerjasama. Jika tiap langkah pengikatan mempermudah langkah Model Monod, Wyman, dan Changeux (model MWC) untuk berikutnya, yakni K1 < K2 < K3 < K4, maka akan terjadi kerjasama positif. efek homotrof. K1 > K2 > Kerjasama negatif pada tiap tahapOpengikatan memerlukan nilai-nilai Kerjasama pengikatan pada hemoglobin serta efek alosterik 2 banyak yang enzimlebih membutuhkan di antara Ksisi-sisi yang terjadi, K3 > K4.dalam Hubungan kompleks interaksi antara nilai-nilai bisa saja misalnya K1 > K2 < K3 < K4.

Bab 6 Katalis dan Kinetika Enzim

309

terpisah jauh dalam ruang. Model MWC diusulkan pada tahun 1965 untuk menyertakan efek alosterik dan efek konformasi dalam penjelasan mengenai kerjasama enzim. Menurut pengamatan, protein yang paling bekerjasama adalah yang memiliki beberapa subunit identik (protomer) dalam tiap molekul (oligomer). Kondisi ini sangat penting untuk kerjasama dalam pengikatan. Model MWC didefinisikan sebagai berikut: 1. Tiap protomer bisa terdapat dalam dua konformasi yang dinamakan R (relaxed) dan T (tense), dengan konformasi T tidak aktif katalis. 2. Semua subunit dari satu oligomer harus memenuhi konformasi yang sama. Untuk protein tetramer, keadaan konformasi R4 dan T4 adalah satu-satunya yang diperbolehkan. Keadaan campuran seperti R3T tidak diperbolehkan. Dengan kata lain, suatu transisi berbarengan berlangsung dalam konversi R4 menjadi T4 dan sebaliknya. 3. Kedua keadaan protein berada dalam kesetimbangan yang tidak tergantung pada ligan (substrat) apapun yang terikat. Untuk suatu tetramer, tetapan kesetimbangannya yakni L = [T4]/[R4] 4. Suatu molekul ligan bisa terikat pada suatu subunit dalam salah satu konformasi, tetapi tetapan asosiasinya berbeda. Untuk setiap subunit R, KR = [RX]/[R][X]

dan untuk tiap subunit T, KT = [TX]/[T][X]

Postulat-postulat ini menyiratkan skema kesetimbangan berlipat ganda untuk protein dan ligan (X):

KT = [TX]/[T][X] Postulat-postulat ini menyiratkan skema Biokimia: kesetimbangan berlipat untuk 310 Struktur dan Fungsiganda Biomolekul protein dan ligan (X): L

R4 4KR[X]

R 4X 3/2KR[X]

R 4X 2 2/3KR[X]

R 4 X3 1/4KR[X]

R 4X 4

T4 4KT[X]

T 4X 3/2KT[X]

T 4X 2 2/3KT[X]

T 4X 3 1/4KT[X]

T 4X 4

Katalis Enzim

Konsentrasi 10 bentuk protein di atas terkait dengan ungkapanungkapan 10 kesetimbangan berikut ini, terkait dengandengan c merupakan rasio KT/ Konsentrasi bentuk protein di atas ungkapan-ungkapan KR. kesetimbangan berikut ini, dengan c merupakan rasio K /K . T

R

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

294

[R 4 X]

4 K R [R 4 ][X]

[R 4 X 2 ]

3 2

K R [R 4 X][X]

[R 4 X 3 ]

2 3

K R [R 4 X 2 ][X] 4 K R3 [R 4 ][X]3

[R 4 X 4 ]

1 4

K R [R 4 X 3 ][X] K R4 [R 4 ][X] 4

[T4 ]

L[R 4 ]

[T4 X]

4 K T [T4 ][X]

4 LcK R [R 4 ][X]

[T4 X 2 ]

6 K T2 [T4 ][X]2

6 Lc 2 K R2 [R 4 ][X]2

[T4 X 3 ]

4 K T3 [T4 ][X]3

4 Lc 3 K R3 [R 4 ][X]3

[T4 X 4 ]

K T4 [T4 ][X] 4

Lc 4 K R4 [R 4 ][X] 4

6 K R2 [R 4 ][X]2

KR dan KT merupakan Faktor-faktor statistik 4, 3/2, dan karena Faktor-faktor statistik 4, lain-lain 3/2, danmuncul lain-lain muncul karena KR dan

KT merupakan tetapanintrinsik. ikatan asosiasi intrinsik. Ungkapan keseluruhan tetapan ikatan asosiasi Ungkapan keseluruhan untuk komplekskompleks tersebut masih membutuhkan parameter ekstrinsik, misalnya KR = [RX]/[R][X] = 3/2[R4X2]/[R4X][X] karena terdapat tiga sisi kosong dalam molekul

[T4 X 3 ]

4 K T [T4 ][X]

4 Lc K R [R 4 ][X]

4 [T4 Xmembutuhkan K [T4 ][X] Lc 4 K R4 [R 4 ][X]ekstrinsik, kompleks tersebut masih parameter misalnya KR = 4] 4 T

4

[RX]/[R][X] = 3/2[R4X2]/[R4X][X] karena terdapat tiga sisi kosong dalam molekul Bab 6 Katalis dan Kinetika Enzim 311 Faktor-faktor statistik 4, 3/2, dan lain-lain muncul karena KR dan KT merupakan

R4X dan dua sisi kosong dalam tiap molekul R4X2. Kejenuhan fraksional Y tetapan ikatan asosiasi intrinsik.

Ungkapan keseluruhan untuk kompleks-

didefinisikan: kompleks tersebut masih membutuhkan ekstrinsik, misalnya KR = untuk kompleks-kompleks tersebutparameter masih membutuhkan parameter

ekstrinsik,= misalnya = [RX]/[R][X] 3/2[R X2]/[R4X][X] karena [RX]/[R][X] 3/2[R4X2]/[RKR karena terdapat=tiga sisi 4kosong dalam molekul 4X][X]

Y

tiga4sisi sisi2 kosong dalam molekul R4X dan dua4sisi dalam [R X ]kosong 3[R 4dalam X 4[R [T4X42X] 2[T X 2 ]kosong 3[T4 X ] 4[T4 X 4 ] Rterdapat dan 2[R dua molekul . Kejenuhan fraksional 4X 4 X] 3 ] tiap 4 X4 ] R 3Y tiap molekul R4X . Kejenuhan 4([Rdidefinisikan: [R 4 X] [R [R 4 X 3 ] fraksional [R 4 X 4 ] Y[Tdidefinisikan: [T4 X] [T4 X 2 ] [T4 X 3 ] [T4 X 4 ]) 2 2] 4] 4X 4] (1 K R [X])3 K R [X] Lc(1 cK R [X])3 K R [X] [R X] 2[R X ] 3[R 4 X 3 ] 4[R X ] [T4 X] 4 4 4 Y (1 K4 [X]) 4 4 L2 (1 cK [X]) 4([R ] R [R X] [R X ] [RR X ] [R X ] [T ] 4

4

4

2

4

3

4

4

4

(1 K R [X]) K R [X] Lc(1 cK R [X]) K R [X] (1 K R [X]) 4 L(1 cK R [X]) 4 3

2[T4 X 2 ] 3[T4 X 3 ] 4[T4 X 4 ] [T4 X] [T4 X 2 ] [T4 X 3 ] [T4 X 4 ])

3

Sisi-n umum model MWC dengan KR[X] =

adalah

Sisi-n umum model MWC dengan KR[X] = a adalah

Sisi-n umum model MWC dengan KR[X] =

Y

Y

adalah

(1 ) n 1 Lc (1 c ) n n 1 n 1 (1 (1 ) ) n LcL((11 cc ) ) n (1

)

n

L(1 c )

1

Katalis Enzim

n

Sifat ungkapan ini untuk berbagai nilai parameter diperlihatkan dalam Gambar Sifat ungkapan ini untuk berbagai parameter diperlihatkan dalam Gambar Sifat ungkapan ini 6-10. untuk berbagai nilai nilai parameter diperlihatkan dalam Gambar Jika L =kurva 0, maka bentuk T protein tidak ada dan Y = K + KR[X]). dan c. Bentuk R[X]/(1 kejenuhan dari persamaan di atas tergantung pada 6-10. 6-10. L dan c. Jikafungsi L = 0,ikatan makahiperbola. bentuk T Dengan protein tidak ada dan Y =jika L = Ininilai menggambarkan cara yang sama, + +KR[X]). menggambarkan fungsi ikatan terjadi hiperbola. , KR[X]/(1 Y = KT[X]/(1 KT[X]). Ini Maka, deviasi dari ikatan hiperbola hanya jika Dengan cara yang sama, jika L = 4, Y = KT[X]/(1 + KT[X]). Maka, bentuk R dari sertaikatan bentuk T keduanya situasi yang digambarkan deviasi hiperbola terjadiada. hanyaJika jikatidak, bentuk R serta bentuk T untuk persamaan Adair berlaku karena independen dan 295 identik pada keduanya ada.danJika tidak, situasi yangikatannya digambarkan untuk persamaan Biokimia: Struktur Fungsi Biomolekul Adair tiap sisi. berlaku karena ikatannya independen dan identik pada tiap sisi. Biokimia: Struktur danbahwa Fungsi persamaan-persamaan Biomolekul Fakta Y di atas menggambarkan 295 Fakta bahwa persamaan-persamaan Y di atas menggambarkan kurva kurva sigmoidal tidaklah jelas kecuali jika c = 0. Dalam hal ini, untuk sigmoidal n = 4, tidaklah jelas kecuali jika c = 0. Dalam hal ini, untuk n = 4, Bentuk kurva kejenuhan dari persamaan di atas tergantung pada nilai L

Y

(1 K R [X])3 K R [X] L (1 K R [X])4

Bila [X] besar dan KR[X] >> L, maka L diabaikan dan Y menghasilkan persamaan ikatan hiperbola.

Pada nilai [X] rendah, maka L

mendominasi penyebut dan kemiringan kurva ikatan saat [X] KR

K R [X] , yakni 1 K R [X]

0 mendekati

, berlawanan dengan kemiringan hiperbola yang mendekati KR. Dalam

312

Biokimia: Struktur Katalis dan Fungsi Biomolekul Enzim

Y 1,0

Y/n L = 100

1,0

L = 10

n=4 n=6

L=1

n=3

L = 1000

0,5

n=2

0,5 L = 10000

n=1

3

6

9

(a)

12

6

3

9

12

Bentuk kurva kejenuhan dari persamaan di atas tergan (b)

danY c. Jika L = 0, maka bentuk T protein tidak ada dan Y = K

c = 0,01 1,0 Ini menggambarkan fungsi ikatan hiperbola. Dengan cara yan c = 0,5 c=1

, Y = KT[X]/(1 + KT[X]). Maka, deviasi dari ikatan hiperbola Katalis Enzim

c = 0,1

bentuk R serta bentuk T keduanya ada. Jika tidak, situasi ya 0,5 c = 0,05 Bentuk kurva kejenuhan dari persamaan di atas tergantung pada nilai L

untuk persamaan Adair berlaku karena ikatannya independen

dan c. Jika L = 0, maka bentuk T protein tidak ada dan Y = KR[X]/(1 + KR[X]).

tiap sisi.

Ini menggambarkan 3fungsi 6ikatan9 hiperbola. Dengan cara yang sama, jika L = 12 , Y = KT[X]/(1 + KFakta deviasi dari ikatan hiperbola terjadi hanya T[X]). Maka, Y dijikaatas bahwa persamaan-persamaan

mengg

(c)

bentuk R serta bentuk T keduanya ada. Jika tidak, situasi yang digambarkan

sigmoidal tidaklah jelas kecuali jika c = 0. Dalam hal ini, untuk

Gambar 6-10 Kurva pengikatan yang dibahas oleh persamaan n-site MWC models dengan KR[X] = a. (a) Pengaruh dari berbagai nilai konstanta isomerasi (L) dengan n=4 dan c=0,01. (b) Pengaruh (1 K berbagai [X]) K [X] Y jumlah sisi-sisi pengikatan dengan c=0,01. (c) (Pengaruh sigmoidal tidaklah(n) jelas kecuali L=100 jika c = 0.dan Dalam hal ini,Luntuk 1n =K4,R [X])4 dari berbagai nilai c, dengan perbandingan KT/KR, dengan L=1000, (1 K [X]) K [X] dan n=4. Y

Gambar 6-10 Kurva pengikatan yang dibahas oleh persamaan n-site MWC models untuk persamaan karena dan identik pada dengan KR[X]Adair = . berlaku (a) Pengaruh dari ikatannya berbagai nilai independen konstanta isomerasi (L) dengan n=4 dan c=0,01. (b) Pengaruh berbagai jumlah tiap sisi. sisi-sisi pengikatan (n) dengan L=100 dan c=0,01. (c) Pengaruh dari berbagai nilai c, dengan perbandingan KT/KR, dengan L=1000, dan 3 n=4. Fakta bahwa persamaan-persamaan Y di atas menggambarkan R R kurva

3

R

R

K R [X]) >>4 L, maka L diabaikan dan Y Bila [X]Biomolekul besar danL K(R1 [X] Biokimia: Struktur dan Fungsi 296

K R [X] , yakni hiperbola. 1 K R [X] Pada

Bila [X] besarBiladan L diabaikan dan, [X] maka >> L, maka L diabaikan dan [X] KR[X] besar dan>>KRL, menghasilkan persamaan ikatan

Y

nilai [X]

yakni menghasilkan persamaan ikatan hiperbola. Pada nilai rendah, menghasilkan persamaan ikatan hiperbola. nilai [X] [X] rendah, L mendominasi penyebut dan Pada kemiringan kurvamaka ikatan saat [X maka L mendominasi penyebut dan kemiringan kurva ikatan saat [X] mendominasi penyebut dan kemiringan kurva ikatan saat [X] 0 mendekati K

R K , berlawanan berlawanan dengan kemiringan hiperbola → 0 mendekati, , berlawanan dengan kemiringan hiperbola yang mendekati KR. Dalamyang mend dengan kemiringan hiperbola ( L 1 ) ( L 1) R

lambang lambang yang mendekati KR. Dalam lambang lim

dY d [X]

KR ( L 1)

KR dY [X] 0 d [X] ( L 1) dan kurva harus merupakan sigmoidal jika L lebih besar dibandingkan 1. [X]

0

lim

Jika

mendominasi penyebut dan kemiringan kurva ikatan saat [X]

0 mendekati

KR , berlawanan dengan kemiringan hiperbola yang mendekati KR. Dalam ( L 1) Bab 6 Katalis dan Kinetika Enzim 313

lambang lim

[X]

0

dY d [X]

KR ( L 1)

dan kurva harus merupakan sigmoidal jika L lebih besar dibandingkan 1. Jika

dan kurva harus merupakan sigmoidal jika L lebih besar dibandingkan

limit L tak terhingga, maka kemiringan adalah nol.adalah nol. 1. Jika limit L tak terhingga, maka awalnya kemiringan awalnya

Model MWC untuk efek heterotrof. Model MWC yang dibahas atasuntuk hanya efek berlaku untuk efek homotrof misalnyadiyang Model di MWC heterotrof . Model MWC seperti yang dibahas atas hanya terjadi pada pengikatan O2 padamisalnya hemoglobin. Tetapi, efek heterotrof berlaku untuk efek homotrof seperti yang terjadi pada pengikatan O2 seringkali teramati pada enzim-enzim regulator. Untuk menyertakan pada hemoglobin. Tetapi, efekMWC, heterotrof seringkali teramati pada enzim-enzim efek ini ke dalam model harus dimasukkan pengikatan ligan kedua Untuk pada keadaan R atau keadaan T, atau DalamMWC, suatu harus regulator. menyertakan efek ini ke keduanya. dalam model model yang disederhanakan, dianggap bahwa substrat X (ligan) hanya Katalis Enzim dimasukkan pengikatan ligan kedua pada keadaan R atau keadaan mengikat pada keadaan R. Untuk pengikatan ligan lainnya, misalnya T, atau keduanya. Dalammengaktivasi suatu modelenzim yang disederhanakan, dianggap bahwa A untuk tersebut, maka harus dibuat suatusubstrat pergeseran kesetimbangan antara keadaan Rharus dan pengikatan keadaan T menuju keadaan R. Oleh karena pada itu, suatu aktivator terikat pada keadaan R. X (ligan) hanya mengikat keadaan R. Untuk ligan lainnya, kepada keadaan R. Oleh karena itu, suatu aktivator harus terikat pada Dengan alasan yangmengaktivasi sama, suatu enzim inhibitor I harus terikat keadaan dan misalnya A untuk maka Ipada harus dibuat T suatu keadaan R. Dengan alasan yang sama,tersebut, suatu inhibitor harus terikat menyebabkan pergeseran enzimkeadaan menjadi inaktifnya. pada keadaan T dan menyebabkan pergeseran enzim menjadi keadaanDengan pergeseran kesetimbangan antara R keadaan dan keadaan T menuju kepada inaktifnya. berbagai analisis seperti sebelumnya, yang berbagai analisisDengan kesetimbangan sepertikesetimbangan yang digunakan digunakan sebelumnya, diperoleh ungkapan Y: diperoleh ungkapan Y:

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

Y

(1

)n

(1 ) n 1 [ L(1 ) n /(1

297

)n ]

dengan a = KR[X], b = KI[I], g = KA[A], dan L = [Tn]/[Rn]. Istilah = KIdisebut [I], = K L = [T Istilah L(1 + )n/(1 + )n denganL(1 =+ K R[X], + g)n A[A], dan n]/[Rn]. yang b)n/(1 sebagai koefisien alosterik, bila bernilai maka persamaan atas berbalik fungsi hiperbola. koefisien di alosterik , yangkepada bila bernilai nol makaDengan persamaan di disebutnol sebagai demikian terlihat jelas bahwa peningkatan dalam istilah aktivator g atas berbalik kepada fungsi Dengan demikian terlihatfungsi jelas bahwa akan menurunkan nilai hiperbola. koefisien alosterik sehingga membuat tersebutdalam menjadi lebihaktivator hiperbola. Peningkatan konsentrasi akanalosterik peningkatan istilah akan menurunkan nilaiihibitor koefisien meningkatkan istilah inhibisi b sehingga meningkatkan koefisien alosterik sehingga membuat fungsi tersebut menjadi lebih hiperbola. Peningkatan dan membuat kurva lebih sigmoidal. Kedua efek ini diperlihatkan dalam Gambar 6-11.akan meningkatkan istilah inhibisi sehingga meningkatkan konsentrasi ihibitor koefisien alosterik dan membuat kurva lebih sigmoidal. diperlihatkan dalam Gambar 6-11.

Kedua efek ini

atas berbalik kepada fungsi hiperbola. Dengan demikian terlihat jelas bahwa peningkatan dalam istilah aktivator

akan menurunkan nilai koefisien alosterik

sehingga membuat fungsi tersebut menjadi lebih hiperbola.

314

Peningkatan

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

konsentrasi ihibitor akan meningkatkan istilah inhibisi

sehingga meningkatkan

koefisien alosterik dan membuat kurva lebih sigmoidal.

Kedua efek ini

diperlihatkan dalam Gambar 6-11. Y 1,0

= 0,5 = 1,0 =0 =0

0,5

= 0,5 = 1,0

2

4

6

8

Gambar 6-11 Sifat-sifat dari suatu enzim alosterik MWC dengan adanya efektorGambar 6-11 Sifat-sifat dari suatu enzimdisebabkan alosterik MWC dengan efektor heterotropik. Istilah Aktivator, karena kurva menjadi lebih hiperbolik, didalamnya adaAktivator, istilah inhibitor ( ) yang adanya efektor-efektor heterotropik. Istilah g disebabkan karena kurva menjadi lebih hiperbolik, didalamnya ada istilah inhibitor (b)Biokimia: yang lebih cenderung sigmoid. Kurva dibangun dengan menggunakan Struktur dan Fungsi Biomolekul 298 persamaan dengan L=1000 dan n=4.

Model Koshland, Nemethy, dan Filmer (model KNF). Kegagalan model MWC untuk menjelaskan kerjasama negatif efek heterotrof dan homotrof dalam fungsi ikatan pada suatu protein oligomer telah memicu Koshland et al. (1966) untuk mengembangkan model kerjasama yang lebih umum. Hipotesis induced-fit Koshland pada tahun 1958 untuk spesifitas enzim telah memperluas konsep lock-andkey i. Koshland mengklaim bahwa pengikatan substrat pada enzim menciptakan penataan tiga dimensi yang tepat untuk gugus-gugus reaktifnya sehingga katalisis dapat terjadi. Dugaan abstrak ini diperluas dalam model KNF untuk enzim kerjasama oligomer. Dalam hal ini, perubahan konformasi disebabkan oleh pengikatan substrat pada suatu protomer (subunit). Hal ini berlawanan dengan model MWC yang menjelaskan bahwa kesetimbangan antara keadaan-keadaan subunit

Bab 6 Katalis dan Kinetika Enzim

315

terjadi baik bila substrat terikat maupun bila substrat tidak terikat. Perubahan konformasi dalam protomer dipancarkan pada protomer yang berdekatan untuk mempengaruhi sifat ikatan dan sifat katalisnya. Gagasan dasar ini bisa menjelaskan mengenai kerjasama negatif maupun kerjasama positif. -oo0oo-

Daftar Pustaka

Alberts, B., Bray, D., Lewin, J., Raff, M., Roberts, K., and Watson, J.D., 1994. Molecular Biology of the Cell. 3rd ed. Garland Berg, D.E., and Howe, M.M. 1989. Mobile DNA. American Society for Microbiology. Boyer, P.D., and Krebs, E.G. 1986. The Enzyme, vol 17. Academic Press. Branden, C., and Tooze, J., 1999. Introduction to Protein Structure. 2nd edition, Garland Publishing, Inc. New York Creighton, T.E. 1992. Proteins : Structure and Molecular Properties, 2nd edition, W.H. Freeman Cozzarelli, N.R., and Wang, J.C. 1990. DNA Topology and Its Biological Effects. Cold Spring Harbor Laboratory Press Creighton, T.E. 1992. Protein Folding. W.H. Freeman. Darnell, J., Lodish, H., and Baltimore, D., 1990. Moleculer Cell Biology, 2nd ed. Scientific American Books. Ernster, L. 1992. Molecular Mechanisms in Bioenergetics. Elsevier. Gierasch, L.M., and King, J. 1990. Protein Folding: Deciphering the Second Half of the Genetic Code. American Association for the Advancement of Science. Hames, B.D., Hooper, N.M., and Houghton, J.D. 1997. Instant Notes in Biochemistry. BIOS Scientific Publishers Limited Hawthorne, J.N., and Ansell, G.B. 1982. Phospholipids. Elsevier. Hodgkin, A., 1992. Change & Design: Reminiscences of Science in Peace and War. Cambridge University Press. Kuchel, P.W., and Ralston, G.B. 1998. Biochemistry. 2nd ed. The McGraw-Hill Companies, Inc. USA

318

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

Lesk, A.M., 1991. Protein Architecture: A Practical Approach. IRL Press. Lewin, B., 1994. Genes V. Oxford University Press. Linder, M.C. 1991. Nutritional Biochemistry and Metabolism. 2nd ed, Elsevier Lippard, S.J., and Berg, J.M., 1994. Principles of Bioinorganic Chemistry. University Science Books Martin, B.R., 1987. Metabolism Regulation, A Molecular Approach. Blackwell Scientific Publications. Meister, A., 1965. Biochemistry of the Amino Acids, 2nd ed, vol 1 and 2. Academic Press Newsholme, E.A., and Leech, A.R., 1983. Biochemistry for the Medical Science. Wiley. Ngili, Y, 2004. Mengenal DNA Mitokondria dan Aplikasinya, Kompas, 2003 Ngili, Y, 2004. Menyekuen Genom Tanaman-Untuk Atasi Masalah Pangan Dunia Masa Depan, Kompas, 2004 Ngili, Y, 2004. Rekayasa Protein dan Prospek Pengembangannya, Pikiran Rakyat. Parker, M.G, 1991. Nuclear Hormone Receptor: Moleculer Mechanism, Cell Function, and Clinical Abnormalities. Academic Press. Perutz, M., 1992. Protein Structure : New Approaches to Disease and Therapy. W.H. Freeman Poortmans, J.R. 1988. Principles of Exercise Biochemistry. Karger Rothman,J.E. 1992. Methods in Enzymology, vol 219: Reconstitution of Intracellular Transport. Academic Press. Saenger, W., 1984. Principles of Nucleic Acid Structure. Springer-Verlag. Schauder, P., Wahren, J., Paoletti, R., Bernardi, R., and Rinetti, M. 1992. BranchedChain Amino Acids: Biochemistry, Physiopathology, and Clinical Sciences. Raven Press. Schleif, R., 1986. Genetics and Molecular Biology. Addison-Wesley. Scriver, C.R., Beaudet, A.L., Sly, W.S., and Valle, D. 1989. The Metabolic Basis of Inherited Disease. 6th. McGraw-Hill. Singer, M., and Berg, P., 1991. Genes dan Genomes. University books. Vance, D.E., and Vance J.E. 1991. Biochemistry of Lipids, Lipoproteins, and Membranes. Elsevier.

Daftar Pustaka

Walsh, C., 1979. Enzymatic Reaction Mechanisms. W.H. Freeman. Watson, J.D., Hopkins, N.H., Robert, J.W., Steitz, J.A., Weiner, A.M., 1987. Molecular Biology of the Gene. 4th ed. Benjamin/Cummings. Watson, J.D., Gilman, M., Witkowski, J., and Zoller, M., 1992. Recombinant DNA, 2nd ed. Scientific American Books.

319

RIWAYAT PENULIS RIWAYAT PENULIS

Yohanis Ngili, Ngili, lahir lahir di di Pulau Pulau Rote, Rote, Kupang Kupang pada tangg Yohanis pada tanggal1979. 23 Agustus 1979. Dasar Pendidikan 23 Agustus Pendidikan dan Menengahn Dasar dan Menengahnya diselesaikan di Tahun 199 diselesaikan di Merauke, Papua. Pada penulis di kota Jayapu Merauke,melanjutkan Papua. Padapendidikannya Tahun 1997, penulis dengan memasuki Program Studi Pendidikan Kim melanjutkan pendidikannya di kota Jayapura, Universitas Cenderawasih. Setelah lulus sarjana, penu dengan memasuki Program Studi Pendidikan mendapatkan beasiswa untuk melanjutkan studi Kimia, Universitas Cenderawasih. Setelah Departemen Institut Teknologibeasiswa Bandung (ITB) pa lulus sarjana,Kimia penulis mendapatkan tahun 2002, dan lulus tahun 2004. Sekembali dari stu untuk melanjutkan studi di Departemen S-2, penulis dipercaya untuk mengampu Mata Kuli Kimia Institut Teknologi Bandung (ITB) Biokimia Dasar, Biokimia Lanjut, Bioteknologi, Biokim pada tahun 2002, danCenderawasih. lulus tahun 2004. Medis di Universitas Selain mengaj Sekembali dari studi S-2, penulis dipercaya penulis juga aktif mengikuti pertemuan-pertemuan ilmiah, seminar-semin untuk nasional mengampu Kuliah Biokimia Biokimia Lanjut, mendapatk ilmiah danMata internasional. PenulisDasar, beberapa kali berhasil Bioteknologi, Biokimia Medis seperti di Universitas Selain dana riset tingkat nasional Dosen Cenderawasih. Muda, Riset Fundamental, Hib mengajar, penulis juga aktifHibah mengikuti pertemuan-pertemuan Bersaing, Hibah Pekerti, Pascasarjana, dan Programilmiah, Insentif Riset Das Kementerian Negara Selain menulis seminar-seminar ilmiah Riset nasionaldan danTeknologi. internasional. Penulis beberapadi jurnal ilmi terakreditasi yang berhubungan riset DNA manus kali berhasil mendapatkan dana riset dengan tingkat nasional sepertimitokondria Dosen penulis juga Fundamental, aktif dalam Hibah menulis di beberapa Koran Hibah dan Majalah ya Muda, Riset Bersaing, Hibah Pekerti, berhubungan dengan tulisan popular tahun 2007, Pascasarjana, dan Program Insentif Risetilmiah. Dasar Mulai Kementerian Negarakembali penu mendapatkan beasiswa untuk melanjutkan pendidikan Doktor (S-3) di Progra Riset dan Teknologi. Selain menulis di jurnal ilmiah terakreditasi yang Studi Kimia, ITB dengan keahlian Biokimia. berhubungan dengan risetbidang DNA mitokondria manusia, penulis juga aktif dalam menulis di beberapa Koran dan Majalah yang berhubungan dengan tulisan popular ilmiah. Mulai tahun 2007, kembali penulis mendapatkan beasiswa untuk melanjutkan pendidikan Doktor (S-3) di Program Studi Kimia, ITB dengan bidang keahlian Biokimia.