Bab 08 Struktur Protein

8 Struktur ProteinPada protein terdapat empat tingkat struktur yang berbeda (Gbr. 8.1). Strukturprimer suatu protein adalah urutan linear asam amino dalam rantai polipeptida. Struktur sekunder (yang mencakup heliks-a dan lembar-^) terdiri dari daerah- daerah lokal rantai polipeptida yang memiliki konformasi reguler yang distabil- kan oleh ikatan hidrogen. Konformasi tiga-dimensi total dari keseluruhan suatu rantai polipeptida disebut struktur tersier, yang mencakup heliks-a, lembar-^, dan daerah berbentuk globular (atau sferis). Sebagian protein memperlihatkan struk- tur kuarterner; konformasi tiga-dimensi suatu protein multisubunit yang terdiri dari sejumlah rantai polipeptida (atau subunit) disatukan oleh interaksi nonkova- len. Protein di dalam sel berada dalam keadaan \"asli\" (native state). Panas, asam, dan bahan lain menyebabkan protein mengalami denaturasi, yaitu, konformasi tiga-dimensinya terbuka dan hilang. Dalam keadaan asli alami di dalam sel, banyak protein berikatan dengan sub-stansi lain, dari ion sampai molekul kompleks misalnya koenzim. Ligan-ligan inipenting untuk fungsi protein. Berbagai protein yang berbeda dapat diciptakan dari hanya 20 buah asamamino yang umum, karena asam-asam amino ini dapat saling berikatan dalam ba-nyak kombinasi yang berbeda. Perbedaan dalam urutan asam amino di sepanjangrantai polipeptida menyebabkan pembentukan struktur tiga-dimensi yang berbedasehingga fungsinya pun berbeda pula.Gbr. 8.1.Tingkatan struktur protein.

Michaei Sichel kembali dirawat dirumah sakit dengan gejala yang menun- j u k k a n b a h w a i a k e m b a l i menderita krisis selsabit. Orangtuanya cemas• b a h w a putri termuda m e r e k a m u n g k i n juga menderita penyakit sel sabit. A m y L l o y d adalah seorang wanita berusia 6 2tahun yang mengeluh kele- mahan otot dan rasa lesu yang semakin bertambah sejak 5 bulan terakhir. D u a minggu yang lalu, N y .Lloyd merasakan nyeri hebat mendadak d idaerah vertebra lumbal kedua yang telah sedikit membaik. Keluarganya menyatakanbahwa i amengalami masa-masa kebingungan yang secara perlahan semakin seringdan semakin parah. Pemeriksaan laboratoriimia w a l memperlihatkan anemia dengan kadar hemoglo-bin 10,2 g % (rentang acuan = 1 2 - 1 6 g%), gagal ginjal ringan dengan kreatinin serum1,9 m g / d L ( r e n t a n g a c u a n [ w a n i t a ] = 0 , 5 - 1 , 1 m g / d L ) , p e n i n g k a t a n k a l s i u m total sebe-sar 11,8 m g / d L (rentang acuan = 8 , 4 - 1 0 , 2 m g / d L ) , d a nkadar a l b u m i n d a nfosfor y a n gnormal. Urinalisismemperlihatkan adanya proteinuria sedang danbanyak sel darahputih serta bakteri dalam sedimen urin. W i l l i a m H a r t m a n adalah seorang pria berusia 5 4tahun dengan tinggi 68 inci (172 c m )d a nberat 198Ib( 9 0kg). I a memiliki riwayat tekanan darah• tinggi dan peningkatan kadar kolesterol serum. Setelah bertengkar hebatdengan tetangganya, T n . H a r t m a n merasakan \"lingkaran nyeri yang terasa sepertitekanan kuat\" d i dadanya, disertai rasa kehabisan napas, berkeringat, d a n kepalaterasa ringan. Setelah 7j a m mengalami nyeri dada yang hilang-timbul, ia pergi k eunit gawat da-rurat rumah sakit. Pada pemeriksaan elektrokardiogramtampak kelainan yang konsis-ten dengan infark akut pada dinding anterior jantung. I adirawat diunit perawatanjantung. Darahnya dikirim k e laboratorium untuk pemeriksaan, termasuk kadark r e a t i n f o s f o k i n a s e ( C K ) t o t a l s e r t a f r a k s i M B (\"muscle-brain \") k r e a t i n f o s f o k i n a s edalam darah. A n n Sulin adalah seorang wanita berusia 32 tahun yang berada dalam kea- daan sehat sampai 6 bulan yang lalu saat i amerasakan bertambahnya rasa haus, frekuensi berkemih, dan rasa lelah. D a l a m w a k t u 5 m i n g g u i a k e -hilangan berat badan 4 Ib(1,8 k g ) walaupun nafsu makan baik danaktivitas normal.Kecurigaan dokter akan diabetes melitus terbukti setelah glukosa darah pasca-makan2 j a m (setelah makan) meningkat mencapai 2 4 2mg/dL. W a l a u p u n iamematuhi dietdiabetes yang tepat d a n mendapat dosis m a k s i m u m obat antidiabetes sulfonilureaglipizid, kadar glukosa darah 2j a m pasca-makan tetap tinggi. Oleh'karena itu, doktermemulai terapi dengan insulin sapi Iletin I I N P H . IKATAN PEPTIDAA s a m amino disatukan oleh ikatan amida (ikatan peptida) untuk membentuk rantailinear yang disebut polipeptida. Pada ikatan peptida, gugus a-karboksil sebuah asamamino melekat secara kovalen k e gugus a-amino asam amino berikutnya (Gbr. 8.2).HO Ra O H : 0 : R2 O » H3N-C-C-NtC-C-OHaN-C-C-tO\"- + H ; | ^ J - C ~ C ~ 0 - < Ikatan PeptidaG b r . 8.2. Sebuah ikatan peptida antara dua asam amino.

78 BAGIAN II / DASAR-DASAR KIMIAWI DAN BIOLOGIS BIOKIMIA v : c== N ' A s a m amino di dalam suatu protein disebut residu asam amino. Residu asam amino pada salah satu ujung rantai memiliki sebuah gugus amino bebas, dan pada ujung ran- tai yang lain memiliki sebuah gugus karboksil bebas. B Tata Nama untuk Urutan Asam AminoG b r . 8.4. Bentuk resonansi ikatan peptida. Berdasarkan perjanjian, urutan asam amino pada suatu protein tertulis dari ujungIkatan sebenarnya adalah gabungan (C) antara amino atau N d isebelah kiri k eujung karboksil atau C d isisi kanan. Akhiran pada(A) dan ( B ) . Oksigen karbonil memiliki muat- nama setiap asam amino pada sebuah rantai polipeptida diubah menjadi \" i l \" kecualian negatif parsial, dan nitrogen memiliki muat- yang terletak di ujung terminal C. Singkatan tiga-huruf untuk asam amino juga digu-an positif parsial. nakan, dan untuk urutan yang sangat panjang asam amino diwakili oleh sebuah huruf (Gbr. 8.3dan Tabel 7.1). Sifat Ikatan PeptidaH : R2 H H: Ikatan peptida sangat stabil, dan hidrolisis kimia memerlukan kondisi yang sangat ekstrim. D a l a m tubuh, ikatan peptida diuraikan oleh enzim proteolitik yang disebuti II i protease atau peptidase.G b r . 8.5. S i f a t p l a n a r i k a t a n p e p t i d a . K a r e n a Karena ikatan peptida adalah gabungan (hibrida) dari dua status resonansi, ikatansifat ikatan rangkap parsial pada ikatan pep- ini memiliki karakter ikatan rangkap parsial (Gbr. 8.4). Oleh karena itu, strukturnyatida, tidak terjadi rotasi bebas di sekitar ikatan planar, dan tidak terjadi rotasi bebas mengelilingi ikatan karbon-nitrogen (Gbr. 8.5).C—^N. Oleh karena itu, atom-atom inidan atom Selanjutnya, oksigen pada gugus karbonil memiliki muatan negatif parsial, dan nitro-O serta Hyang melekat kepadanya semua terle- gen memiliki muatan positif parsial.tak pada bidang yang sama. Diperlihatkan duagugus peptida planar yang dihubungkan oleh Pada polipeptida, a-karbon dari asam amino yang berdekatan biasanya berada da-karbon a2. Gugus peptida planar dapat berputar l a m k o n f i g u r a s i trans, y a i t u , a - k a r b o n t e r l e t a k d i s i s i y a n g b e r l a w a n a n d e n g a n i k a t a ndi sekitar a-karbon yang dimiliki bersama. peptida (Gbr. 8.6). Oleh karena itu, rantai sisi asam amino yang berdekatan juga b e r a d a d a l a m k o n f i g u r a s i trans, d a n i n t e r f e r e n s i s t e r i k m e n j a d i m i n i m a l . Berlainan dengan ikatan peptida yang kaku, rotasi bebas dapat terjadi d i sekitar ikatan antara nitrogen pada sebuah ikatan peptida dan a-karbon yang berdekatan, juga antara a-karbon dengan karbon karbonilnya, yang terlibat dalam ikatan peptida berikutnya pada rantai (lihat Gbr. 8.5). Residu prolin menyebabkan fleksibilitas terba- tas karena nitrogennya bergabung dalam cincin pirolidin. Walaupun ikatan peptida itu kaku, fleksibilitas di sekitar ikatan atom lain pada suatu protein memungkinkan terbentuknya berbagai konformasi (dengan kemungkin-an variasi yang besar) untuk setiap molekul. N a m u n , setiap molekul protein sebenarnya mengalami lipatan-lipatan membentuk konformasi yang paling stabil, mengambil bentuk yang identik dengan bentuk molekul lain dari protein yang sama. Bentuk ini d i k e n a l s e b a g a i k o n f o r m a s i a s l i (native conformation). TINGKAT STRUKTUR PROTEIN Urutan residu asam amino dalam suatu protein dan jenis interaksi yang terjadi antara residu-residu tersebut, terutama antara rantai sisi atau antara atom ikatan peptida, me- nentukan konformasi asli protein. tenninal-N -•Alanilgiisilseriiglutamilfenilalanin ^ t e r m i n a l - C Ala G i y S e r G i u P h e Singkatan 3 h u r u f A Gs E F singkatan 1 huruf Gbr. 8.3. T a t a n a m a d a n s i n g k a t a n u n t u k s e b u a h r a n t a i p o l i p e p t i d a .

BAB 8 / STRUKTUR PROTEIN 79; o : R2 :o li . ^ ' ^ I- H:trans ca =a -Karbon R = Rantai sisi c = Karbon karbonil o = Oksigen N = Nitrogen H = HidrogenG b r . 8 . 6 . Konfigurasi trans dan sis di sekitar ikatan peptida. Konfigurasi trans lebih disukaikarena, pada konfigurasi sis, rantai sisi yang berukuran besar pada a-karbon yang berdekatandapat saling mengganggu.Struktur PrimerStruktur primer suatu protein semata-mata adalah urutan linear asam amino yang di-satukan oleh ikatan peptida. Tidak terjadi percabangan rantai.Struktur Sekunder Gbr. 8.7. Heliks-a. Masing-masing oksigen dari sebuah gugus karbonil pada sebuah ikatanDaerah didalam rantai peptida dapat membentuk struktur reguler, berulang, dan lokal peptida membentuk ikatan hidrogen denganyang terjadi akibat adanya ikatan hidrogen antara atom-atom ikatan peptida. Daerah atom hidrogen yang melekat ke nitrogen ditersebut, yang dikenal sebagai struktur sekunder, mencakup heliks-a dan lembar-p. ikatan peptida 4 asam amino di sepanjang ran- tai.HELIKS-aPada suatu heliks-a, terbentuk ikatan hidrogen antara masing-masing atom oksigenkarbonil pada sebuah ikatan peptida dengan hidrogen yang melekat k eatom nitrogenamida pada suatu ikatan peptida 4 residu asam amino d isepanjang rantai polipeptida(Gbr. 8.7). Dengan demikian, terbentuk struktur kimiparan (ulir) reguler d i manamasing-masing ikatan peptida dihubimgkan oleh ikatan hidrogen k eikatan peptida 4residu asam amino d ideparmya dan4 asam amino d ibelakangnya dalam urutanprimer. Rantai sisi residu asam amino pada heliks-a mengarah k eluar dari simibu sentral(Gbr. 8.8). Rantai sisi yang berukuran besar atau rantai sisi dengan muatan yangsaling tolak-menolak dapat mencegah terbentuknya heliks-a. Residu prolin meng-hambat struktur heliks-a pada protein karena residu prolin menimbulkan hambat-an geometrik akibat adanya struktur cincin dankarena, pada ikatan peptida, nitrogentidak mengandung atom hidrogen yang diperlukan untuk membentuk ikatan hidro-gen.

80 B A G I A N II / D A S A R - D A S A R K I M I A W I D A N B I O L O G I S B I O K I M I A Gambaran klinis d a n hasil pe- LEMBAR-P meriksaan laboratorium awal p a d a Amy Lloyd m e m b e r i k e - Berbeda dengan kumparan heliks-a, lembar-p terbentuk melalui ikatan hidrogensan bahwa ia menderita penyakit yang antara daerah linear rantai polipeptida seperti diperlihatkan dalam Gambar 9.9. Ikatanmengenai sel darah putih. Pemeriksaan le- hidrogen ini terjadi antara oksigen karbonil dari satu ikatan peptida dan nitrogen daribih lanjut membuktikan adanya protein ikatan peptida lainnya. Ikatan hidrogen dapat terbentuk antara dua rantai polipeptidaBence Jones dalam urin. Protein Bence yang terpisah atau antara dua daerah pada sebuah rantai tunggal yang melipat sendiri.Jones terdiri dari rantai atau fragmen ran- Pelipatan ini sering melibatkan 4 struktur asam amino yang dikenal sebagai belokan-ptai imunoglobulin (antibodi) yang memiliki (^-turn) ( G b r . 8 . 1 0 ) . R a n t a i a t a u b a g i a n r a n t a i y a n g b e r i n t e r a k s i s a t u s a m a l a i n d a p a tstruktur p ekstensif. bersifat sejajar atau anti-sejajar (antiparalel). STRUKTUR SUPERSEKUNDER Pada sejumlah protein terbentuk kombinasi struktur sekunder tertentu, membentuk s t r u k t u r s u p e r s e k u n d e r ( G b r . 8 . 1 1 ) . K o m b i n a s i t e r m a s u k h e l i k s - b e l o k - h e l i k s , u n i t P- a-P, r i s l e t i n g l e u s i n (leucine zipper), d a n j a r i s e n g (zinc finger). U n i t s t r u k t u r a l t e r - tentu dalam struktur tersier suatu protein (yang dikenal sebagai ranah (domain)) ter- diri dari berbagai kombinasi struktur a dan p dan urutan lengkungan yang lebih acak yang menyatukan urutan-urutan tersebut.G b r . 8.8. Pandangan ke bawah melalui sumbu Struktur Tersiersuatu heliks-a. Rantai sisi (R) menonjol keluardari heliks. Apabila rantai tersebut saling Struktur tersier suatu protein adalah konformasi tiga-dimensi keseluruhannya. Bentukmengganggu secara steris atau terjadi peno- protein globular melibatkan interaksi antara residu asam amino yang mungkin terle-lakan muatan, tidak dapat terbentuk heliks tak sangat jauh satu sama lain pada urutan primer rantai polipeptida dan melibatkanyang stabil. Disadur dari Biochemistiy, ed. ke- heliks-a dan lembar-p. Interaksi nonkovalen antara rantai sisi residu asam amino4. Hak cipta © 1975, 1981, 1988, 1995 oleh penting untuk menstabilkan struktur tersier dan terdiri dari interaksi hidrofobik danLubart Stryer. Digunakan dengan izin W.H. elektrostatik serta ikatan hidrogen (Gbr. 8.12). Selain itu, ikatan kovalen dapat terjadiFreeman and Company.G b r . 8.9. Lembar-p. Pada kasus ini, rantai berorientasi dalam arah yang berlawanan (antiparalel), seperti diperlihatkan oleh tanda panah ( A ) , a-karbon yang diperlihatkan di B mengandung rantai sisi (gugus R). Rantai juga dapat berorientasi dalam arah yang sama. Dua rantai polipeptida da-pat berinteraksi untuk membentuk lembar-p, atau satu rantai dapat melakukan lipatan sendiri.

BAB 8 / STRUKTUR PROTEIN 81asam a m i n o . C o n t o h y a n g diperlihatkan di atas adalah belokan-P tipe I. B e l o k a n - p j u g a disebut PaP unitl e n g k u n g t a j a m / / z a / r p m loop). L e m b a r - P p a r a l e l y a n g d i h u b u n g k a n d e n g a n l e n g k u n g y a n g l e -bih lebar.Gbr. 8.11. Struktur supersekunder. A dan B. Kombinasi heliks-a dan lembar-p yang disatukan Risleting leusinoleh lengkung atau belokan. C .Risleting leusin adalah variasi heliks-a di mana residu leusinterdapat pada interval sedemikian sehingga residu tersebut dapat mengadakan interdigitasi Protein(berpautan seperti jari tangan yang menggenggam) dengan residu leusin serupa pada heliks-a Jari senglain, membentuk sebuah risleting. Diagram sebelah atas adalah pandangan k ebawah melaluisumbu salah satu heliks, dan diagram sebelah bawah adalah pandangan dari samping dua heliksd e n g a n r e s i d u l e u s i n m e r e k a y a n g \" t e r k a n c i n g \" . D . P a d a j a r i s e n g (zinc finger), Z n ^ \" \" t e r i k a tpada 2 residu sistein dan pada 2 residu histidin (atau sistein tambahan). Motif heliks-belok-heliks, risleting leusin, dan jari seng sering ditemukan pada protein pengikat D N A . C dicetaku l a n g d e n g a n i z i n d a r i L a n d s c h u l t z W H , d k k . Science 1 9 8 8 ; 2 4 0 : 1 7 5 9 , 1 7 6 3 . H a k c i p t a 1 9 8 8 ,American Association for the Advancement of Science.

82 B A G I A N II / D A S A R - D A S A R K I M I A W I D A N B I O L O G I S B I O K I M I A G b r . 8 . 1 2 . Interaksi antara rantai sisi residu asam amino dalam protein. 1 = interaksi elektrosta- tik: 2 = ikatan hidrogen; 3 = interaksi hidrofobik; 4 = ikatan disulfida. Infark nniokardium (serangan yang melibatkan pembentukan ikatan disulfida antara residu sistein. Protein cen- jantung) disebabkan oleh sum- derung mengadakan lipatan-lipatan sehingga atom terkemas rapat (Gbr. 8.13). Oleh batan pada arteri koronaria yang karena itu, gaya van derWaals antara atom-atom berperan penting dalam menstabil-mencegah darah mengalir ke suatu kan struktur protein.daerah otot jantung. Dengan demikian, seljantung yang terdapat didaerah tersebut Interaksi hidrofobik sangat penting bagi struktur protein. A s a m amino hidrofobikmengalami kekurangan oksigen dan ba- cenderung berikatan di bagian dalam protein globular tempat asam amino tersebut t i -han bakar yang berasal dari darah. Karena dak berkontak dengan air, sedangkan asam amino hidrofilik biasanya terletak d i per-sel ini tidak dapat membuat A T P , m e m - mukaan protein tempat asam amino berinteraksi dengan air d i sekelilingnya.bran menjadi rusak, dan terjadi kebocoranenzim dari sel tersebut k edalam darah. Jenis ranah (domain) konformasional tertentu, yang terdiri dari campuran struktur Kreatin kinase (CK) adalah salah satu a dan p ,terbentuk berulang-ulang dalam protein dan mencakup bentuk tong, berkas,dari enzim tersebut. Kreatin kinase m e - dan pelana (Gbr. 8.14). Protein globular besar terdiri dari sejumlah ranah yang ber-miliki struktur kuarterner karena terdiri dari lainan, yang masing-masing m u n g k i n mengandung berbagai motif struktur yang ber-dua subunit, yang mungkin dari jenis otot lainan.(M) atau otak (B). Bentuk M B , yang m e -ngandung satu unit M d a nsatu unit B, di- Daerah struktur ireguler juga dapat terbentuk d i dalam suatu protein. Daerah inijumpai terutama di otot jantung. Setelah k a d a n g - k a d a n g d i s e b u t k i m i p a r a n a c a k (random coils). N a m u n , d a e r a h i t u b u k a nserangan jantung, kadar C K dalam darah benar-benar acak dalam arti bahwa mereka tidak bervariasi dari satu molekul proteinmeningkat, dan fraksi M B merupakan lebih ke molekul protein yang lain.dari 5 % total. Pada saat masuk rumah sakit, kadar Struktur Kuarternerk r e a t i n k i n a s e t o t a l William Hartman a d a -lah 1 8 2 unit/L (rentang acuan = 38-174 Struktur kuarterner adalah struktur tiga-dimensi suatu protein yang terdiri dari subunitunit/L). Fraksi M B 6,8% (rentang acuan = (Gbr. 8.15). Subunit tersebut disatukan oleh jenis interaksi nonkovalen yang sama5 % atau kurang dari kreatin kinase total). yang berperan pada struktur tersier, yaitu interaksi elektrostatik dan hidrofobik sertaWalaupun hanya sedikit meninggi, angka- ikatan hidrogen. Pada hemoglobin, subunit yang ada serupa. Keempatnya mengan-angka diatas merupakan gambaran khas dung hem dan mengikat oksigen. Namun, kompleks piruvat dehidrogenase memilikipada f a s e s e g e r a s e t e l a h i n f a r k m i o k a r - beberapa jenis subunit yang berbeda. Kompleks ini mengandung sejumlah besar pro-dium. tein yang mencakup enzim yang mengkatalisis reaksi keseluruhan, memperbaharui kofaktor, dan mengatur aktivitas.

BAB 8 / STRUKTUR PROTEIN 83 Domain 1 piruvat Icinase A. Tong-p Rantai-p hemoglobin B. Berkas Domain 1 laktat dehidrogenase C. PelanaGbr. 8.14. R a n a h s t r u k t u r a l y a n g s e r i n g d i j u m p a i p a d a p r o t e i n . D i m o d i f i k a s i dari R i c h a r d s o nJ S . Adv Protein Chem 1 9 8 1 ; 3 4 : 1 6 7

84 B A G I A N II / D A S A R - D A S A R K I M I A W I D A N B I O L O G I S B I O K I M I A HbF Muatan pada Protein HbA Muatan pada protein terutama disebabkan oleh rantai sisi residu asam amino. Hanya HbS gugus amino terminal-N dangugus karboksil terminal-C berperan menentukan muat- an karena semua gugus a-amino dan a-karboksil lainnya terlibat dalam ikatan pep-Normal Penyakit sel Sifat sel t i d a . N i l a i pKa u n t u k g u g u s d a l a m p r o t e i n y a n g d a p a t t e r i o n i s a s i i n i m u n g k i n b e r b e d a sabit sabit dengan nilainya untuk asam amino bebas (asam amino yang tidak diikat oleh ikatan p e p t i d a ) ( l i h a t T a b e l 7 . 2 ) . P a d a p r o t e i n , n i l a i pK^ d i p e n g a r u h i o l e h r e s i d u a s a m a m i n oG b r . 8 . 1 6 . Penggunaan elektroforesis kertas lain pada daerah molekul yang berdekatan.untuk membedakan hemoglobin S (HbS) darihemoglobin A (HbA). Sampel larutan protein Karena muatannya, protein dapat bermigrasi dalam suatu lapangan listrik. Sifatditeteskan pada kertas penyaring di daerah protein ini digunakan untuk memisahkan danmengidentifikasi protein (Gbr. 8.16).yang diberi nama \"Origin\". Kertas kemudiandiletakkan dalam larutan berpenyangga dan Pelipatan Proteindiberi medan listrik. Protein yang bermuatanpositif akan bergerak ke arah katoda (-) dan Struktur primer suatu protein menentukan konformasi tiga-dimensinya. Urutan asamprotein bermuatan negatif bergerak ke arah amino pada suatu protein, yaitujenis rantai sisi yang dimiliki oleh masing-masing re-anoda (+). Gambar ini memperlihatkan lisat sidu, menentukan bagaimana rantai akan mengadakan lipatan-lipatan sehingga m e m -(bahan yang dibentuk karena lisis sel) sel darah bentuk struktur asli. Apabila suatu protein yang berada dalam bentuk aslinyamerah yang dielektroforesis pada pH 8 , 6 se- dipanaskan, ditaruh dalam lingkungan dengan p H ekstrim, atau diberi bahan kimialama 1 jam. HbA = hemoglobin normal; HbS = misalnya urea, protein tersebut akan mengalami denaturasi, membentuk kumparanhemoglobin sel sabit; HbF = hemoglobin janin. acak (Gbr. 8.17). Apabila protein tertentu, misalnya ribonuklease, mengalami denatu- rasi, dandikembalikan k e kondisi faali, protein tersebut akan melipat kembali secara Pada tiga pola elektroforetik he- Denaturasi moglobin yang diperoleh dari da- dan reduksi r a h Michaei Sichel s e l a m a a w a ldirawat dirumah sakit, kadar hemoglobin Renaturasidewasa (HbA) dianggap tidak terdeteksisecara konsisten (rentang acuan 9 5 % dari G b r . 8 . 1 7 . Denaturasi dan renaturasi. Denaturasi melalui panas menyebabkan molekul ter-hemoglobin total). Hemoglobin s e l sabit buka; namun, ikatan disulfida tetap utuh. Suatu bahan misalnya merkaptoetanol mengurangi(HbS) membentuk 85-95% dari hemoglo- ikatan disulfida. Di bawah kondisi yang sesuai, molekul dapat mengalami renaturasi, yaitubin total (rentang acuan = 0%). Hemoglo- kembali ke konformasi asli. Renaturasi tetap dapat terjadi walaupun ikatan disulfida telahbin janin (HbF) membentuk sampai 1 0 % dikurangi.dari hemoglobin total (rentang acuan 5%).Lihat Gbr.8.16 untuk mengetahui contohelektroforesis hemoglobin manusia. Untuk memastikan apakah saudaraperempuan Michaei yang berusia 4 tahun,Amanda Sichel, m e m b a w a g e n u n t u k h e -moglobin sabit, dilakukan pemeriksaanelektroforetik atas darah Amanda. Kompo-sisi hemoglobinnya adalah: H b A 5 5 % , H b S44%, d a n H b F1 % . Angka-angka ini kon-sisten dengan diagnosis sifat sel sabit. In-dividu seperti ini bersifat heterozigot untukgen yang mengkode hemoglobin sel sabit(yang strukturnya abnormal). Individu ter-sebut memiliki sebuah g e nnormal yangmenghasilkan HbA dansebuah gen mutanyang menghasilkan HbS. Individu tersebtitmemiliki kadar hemoglobin yang normaldan mengalami gejala vaso-oklusif hanyadi b a w a h kondisi hipoksia berat.

BAB 8 / STRUKTUR PROTEIN 85' spontan ke konformasi aslinya, danmemperoleh kembali fungsi asalnya. N a m u n , pro- 8.1: Terdapat empat komponen tein tersebut tidak melipat kembali melalui mekanisme pencarian acak. Unsur tertentu minor hemoglobin dewasa pada struktur mengalami pelipatan pada awalnya d a nkemudian struktur tersebut (HbA) yang terjadi akibat glikosi- menyusun urutan pelipatan unsur lain dalam protein. lasi nonenzimatik pascatranslasi (HbA^^,, Kecil kemungkinannya bahwa protein membentuk lipatan-lipatan secara spontan HbA,3,, HbA^,,, d a n HbA, j . HbA,^ memben- sewaktu disintesis di dalam sel. T a m p a k n y a terdapat segolongan protein yang dikenal tuk sekitar 6 % dari hemoglobin total. Gliko- s e b a g a i chaperones y a n g b e r i k a t a n d e n g a n p r o t e i n s a a t p r o t e i n t e r s e b u t s e d a n g d i s i n - silasi hemoglobin berlangsung terus- tesis, untuk memastikan b a h w a protein yang telah jadi m e m b e n t u k konformasi yang menerus didalam sel darah merah. H a l ini sesuai. Setelah protein mengadakan lipatan, residu sistein yang berkontak erat dalam tidak mempengaruhi kemampuan sel un- struktur tersier dapat bereaksi untuk membentuk ikatan disulfida. tuk membawa oksigen. Sel darah merah, yang berasal dari re- Pengikatan Ligan ke Protein tikulosit, memiliki rentang hidup sekitar 120 hari. S e lini mengalami fagositosis dan Untuk melaksanakan fungsinya, banyak protein mengikat bahan atau zatlain yang hemoglobinnya diuraikan. Oleh karena itu, dikenal sebagai ligan. Bahan-bahan ini beragam, berkisar dari i o nsampai koenzim tingkat glikosilasi hemoglobin adalah cer- yang kompleks, dan bahan-bahan inimasuk dengan pas/cocok k edalam kantong dan minan langsung konsentrasi glukosa se- celah khusus pada protein. Beberapa ligan berikatan secara longgar dengan protein. rum rerata yang terdapat selama masa Ligan yang lebih besar yang terikat erat, misalnya h e mpada hemoglobin, dikenal se- 120 hari, d a n penentuan persentase he- bagai gugus prostetik. Protein yang mengikat ligan disebut apoprotein. Protein be- moglobin total yang terdapat dalam fraksi serta ligan yang terikat kepadanya disebut holoprotein. HbA,^ adalah indikator yang cukup baik un- tuk menilai besar peningkatan rerata kadar MODIFIKASI PASCATRANSLASI glukosa selama beberapa minggu atau bu- lan sebelumnya. Setelah sintesis protein berlangsung lengkap, residu asam amino tertentu dapat S e w a k t u Ann Sulin d i p e r i k s a o l e h mengalami modifikasi secara kimiawi. Karena sintesis protein berlangsung melalui dokter setelah ia menggunakan Insulin proses yang dikenal sebagai translasi, perubahan tersebut diberi nama modifikasi sapi selama 2 bulan, glukosa serum yang pascatranslasi. Modifikasi yang sering ditemukan adalah fosforilasiyang dapat terjadi diukur 2jam setelah sarapan memperlihat- pada residu serin, treonin, atau tirosin (Gbr. 8.18). Fosforilasi sering digunakan oleh kan nilai dalam rentang normal tetapi ka- sel untuk mengubah aktivitas enzim. A s a m lemak, ADP-ribosa, serta gugus metil, dar HbA,^ serum meningkat. Kesimpulan asetil, dan karbohidrat juga dapat ditambahkan k edalam protein setelah translasi oleh apa yang dapat anda tarik dari keterangan enzim spesifik. ini? Banyak protein, terutama yang disekresikan oleh selatau berikatan dengan per- -CH2OH mukaan sel, mengalami modifikasi dengan penambahan karbohidrat. Penambahan gugus gula, melalui suatu proses yang disebut glikosilasi, terjadi pada residu serin, Protein dengan rantai sisi serin treonin, dan asparagin protein. Penambahan gugus glukosa k edalam protein juga berlangsung secara spontan (tanpa bantuan enzim), sebanding dengan konsentrasi glukosa darah. Gugus aldehida dari glukosa membentuk suatu basa Schiff dengan gugus amino terminal-Npada pro- tein (atau dengan gugus amino lain), dan penyusunan ulang Amadori yang spontan dan ireversibel menghasilkan turunan keton (Gbr. 8.19). L(Hb) O O L(Hb) N-Var II HgN-Var H-( H - •(e ' \" HO-P-O-ADP I Penyusunan I ulang Amadori I H-C-OH H-C-OH O\" I ATP I HO-C-H OHO-C-H ^ C H g - O - P - O \" -i- A D R I ^ o- I H-C-OH Protein yang mengalami fosforilasi H-C-OH 1 H-C-OH Gbr. 8.18. Fosforilasi protein. Pada contoh ini, A T P menyediakan gugus fosfat yang memben- H-C-OH CH2OH tuk suatu ester dengan rantai sisi residu serin dalam protein. I Basa Schiff CH2OH GlukosaGbr. 8.19. Glikosilasi protein. Pada contoh ini,glukosa terikat secara kovalen melalui reaksinonenzimatik k e gugus amino terminal-N pada rantai-P hemoglobin.

86 B A G I A N I I / D A S A R - D A S A R K I M I A W I D A N B I O L O G I S B I O K I M I A Hem merupakan penentu warna HUBUNGAN ANTARA STRUKTUR DAN FUNGSI PROTEIN pacfe sel darah merah, yang me- ngandung hemoglobin, dan otot Struktur suatu protein menentukan fungsi yang dilakukannya dalam tubuh. Beberaparangka serta otot jantung, yang mengan- c o n t o h p r o t e i n d e n g a n f u n g s i y a n g b e r b e d a a d a l a h (a) h e m o g l o b i n , y a n g m e n g a n g k u tdung mioglobin. o k s i g e n d a l a m d a r a h , (b) a n t i b o d i , y a n g b e r e a k s i d e n g a n a n t i g e n u n t u k m e l a w a n i n - feksi, (c)kolagen, yang menghasilkan daya regang bagi banyak struktur di dalam tu- Michaei Sichel terus menga- b u h , (d) i n s u l i n , y a n g b e r f u n g s i s e b a g a i s u a t u h o r m o n d e n g a n b e r i k a t a n k e r e s e p t o r d i lami nyeri hebat di daerah pung- m e m b r a n s e l , m e n y a l u r k a n s i n y a l k e b a g i a n d a l a m s e l , d a n (e) h e k s o k i n a s e , y a i t u gung bawah dan ekstremitas suatu enzim yang mengkatalisis fosforilasiglukosa, mengubahnya menjadi suatu ben-bagian bawah 6 jam setelah dirawat. Nyeri tuk yang dapat dimetabolis oleh sel untuk menghasilkan energi.difus pada krisis sel sabit diperkirakandisebabkan oleh sumbatan pembuluh kecil Penjelasan masing-masing protein di atas akan digunakan untuk menggambarkandi berbagai jaringan yang menyebabkan keberagaman struktiu-protein dan hubungaimya dengan fungsi.kerusakan iskemik atau anoksik terhadapsel. Vaso-oklusI terjadi karena valin, yang Hemoglobinterletak di permukaan rantal-p-globin HbSyang abnomial, membentuk suatu tonjolan S T R U K T U R HEI\yiOGLOBINhidrofobik yang pas/cocok dengan kan-tong hidrofobik pada molekul HbS lainnya. Mioglobin danhemoglobin, protein utama pengikat-oksigen dalam tubuh, adalah pro-Kantong hidrofobik ini terbentuk hanya tein pertama yang strukturnya dipastikan secara rinci. Kristalografisinar-X memper-apabila hemoglobin berada dalam kea- lihatkan bahwa masing-masing dari keempat subunit hemoglobin memiliki strukturdaan deoksigenasi, dan molekul HbS me- tiga-dimensi yang sangat mirip dengan rantai polipeptida timggal dari mioglobinlakukan polimerisasi di dalam kapiler di (Gbr. 8.20).mana tekanan parsial oksigen (pOJ ren-dah. Polimerisasi ini menyebabkan bentuk M i o g l o b m m e n y i m p a n oksigen di dalam sel otot sehingga oksigen tersedia imtuksel darah merah berubah dari lempeng oksidasi bahan bakar yang menghasilkan energi bagi kontraksi otot. H e m berfungsibikonkaf menjadi seperti sabit. Sel sabit ini sebagai gugus prostetiknya. Rantai polipeptida timggal mengandung 153 asamkehilangan daya lentur dan tidak mudah amino, yang tersusun dalam delapan regio heliks-a, dimana sebagian besar residu po-lewat lumen kapiler. Sel-sel tersebut ke- lar terletak dipermukaan dan residu nonpolar terletak dibagian dalam molekul. H e m ,mudian menumpuk atau menggumpal, yang terdiri dari sebuah cincin porfirin hidrofobik yang berikatan dengan besi, ber-menyumbat kapiler dan mencegah darah ikatan dengan kantong hidrofobik pada protein yang mengandung 2 residu histidin.mengalir ke jaringan sebelah distal. Hipok- Salah satu residu histidin ini membentuk kompleks dengan besi h e m .sia yang kemudian terjadi menyebabkankerusakan bahkan kematian sel. Sel sabit Hemoglobin, yang mengangkut oksigen dari paru k ejaringan sehingga oksigenmengalami sekuestrasi (pengasingan) dan tersedia untuk oksidasi bahan bakar, mengandung empat subunit: d u a rantai-a d a ndestruksi terutama oleh sel fagositik, teru- dua rantai-p. Walaupun urutan asam amino berbeda, struktur tiga-dimensi rantai-atama yang terdapat di limpa. Timbul ane- dan rantai-P h e m o g l o b i n serupa satu sama lain d a n serupa dengan rantai polipeptidamia akibat menurunnya jumlah sel darah tunggal dari mioglobin. Rantai-a hemoglobin memiliki 141residu asam amino,merah yang bersirkulasi, dan kadar biliru- sedangkan rantai-P m e m i l i k i 146 residu asam amino.bin meningkat dalam darah akibat degra-dasi hemoglobin. Banyak molekul hemoglobin telah diteliti dan ditemukan lebih dari 300 keadaan di mana satu asam amino digantikan oleh asam amino lain. Sebagian besar substitusi ini bersifat konservatif, yaitu menimbulkan efek kecil pada keseluruhan bentuk dan fungsi molekul. N a m u n , sebagian substitusi menimbulkan akibat serius, misalnya substitusi residu valin dengan glutamat yang menyebabkan anemia sel sabit. TRANSPOR OKSIGEN OLEH HEIVIOGLOBIN 8.1: Berdasarkan kadar HbA,^ Apabila j u m l a h oksigen yang terikat k e protein digambarkan dalam sebuah grafik ter- dan glukosa darah pascamakan, h a d a p t e k a n a n p a r s i a l o k s i g e n (PO2), u n t u k m i o g l o b i n a k a n d i p e r o l e h k u r v a h i p e r b o - dokter yang merawat Ann Sulinmenyimpulkan bahwa, walaupun glukosa lik sedangkan untuk hemoglobin akan diperoleh kurva sigmoidalis (Gbr. 8.21).darahnya saat ini normal, kadar glukosa K u r v a - k u r v a i n i m e m p e r l i h a t k a n b a h w a b i l a p02 t i n g g i , m i o g l o b i n d a n h e m o g l o b i nserum rerata selama 6 minggu terakhir a k a n j e n u h o l e h o k s i g e n . N a m u n , p a d a p02 y a n g l e b i h r e n d a h , m i o g l o b i n m e n g a n -atau lebih berada di atas rentang normalwalaupun ia mematuhi diet yang dianjur- dung lebih banyak oksigen dibandingkan hemoglobin. Oleh karena itu, hemoglobinkan dan menggunakan terapi insulin sapi. berfungsi sebagai pengangkut oksigen yang efektif. Hemoglobin akan mengikat oksi- g e n d i p a r u t e m p a t pOj t i n g g i d a n m e l e p a s k a n o k s i g e n d i j a r i n g a n t e m p a t p02 r e n d a h . D i p i h a k l a i n , m i o g l o b i n t e t a p j e n u h o l e h o k s i g e n p a d a p02 j a r i n g a n . D e n g a n d e - mikian, pada sel otot yang beristirahat, mioglobin mengikat oksigen yang dilepaskan dalam darah oleh hemoglobin. Sewaktu otot beraktivitas dan tekanan oksigen turun, mioglobin melepaskan oksigen.

BAB 8 / STRUKTUR PROTEIN 87 10 2 0 30 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 90 100 A Tekanan parsial oksiaen (mmHg)Gbr. 8.21. Kurva saturasi oksigen untuk mioglobin dan hemoglobin. Perhatikan bahwa kurvauntuk mioglobin berbentuk hiperbolik, sedangkan kurva untuk hemoglobin berbentuk sigmoid.P50 a d a l a h t e k a n a n p a r s i a l O2 ( P O 2 ) s e w a k t u p r o t e i n s e p a r u h - j e n u h o l e h O2. P50 u n t u k m i o g l o -b i n a d a l a h 2 , 8 , d a n P50 u n t u k h e m o g l o b i n a d a l a h 2 6 . Perbedaan fungsi antara mioglobin d a n hemoglobin i n iberasal dari perbedaanstruktur. Molekul oksigen berikatan secara bebas satu sama lain dengan rantai poli-peptida tunggal dari mioglobin. D ipihak lain, keempat subunit hemoglobin dapatbekerja sama mengikat oksigen. Hemoglobin dapat berada dalam keadaan \"kuat\" atau\"tegang\" ( T ) yang inaktif atau keadaan \"rileks\" (R) atau aktif (Gbr. 8.22). D a l a m ke-adaan T ,hemoglobin menolak pengikatan oksigen. D a l a m keadaan R , oksigen mudahberikatan dengan hemoglobin. Pengikatan oksigen pertama k e subimit hemoglobindeoksigenasi (yang berada dalam keadaan T )memerlukan energi yang cukup banyakuntuk mematahkan ikatan elektrostatik (garam) antara subunit-subunit. N a m u n , apa-bila salah satu subunit telah mengikat oksigen, terjadi perubahan konformasionalyang memungkinkan subunit lain lebih mudah mengikat oksigen. Fenomena ini, yang B Rantai-P hemoglobind i k e n a l s e b a g a i k e r j a s a m a p o s i t i f (positive cooperativity), m e n e n t u k a n k u r v a s a t u r a s ioksigen hemoglobin yang berbentuk sigmoid (lihat Gbr. 8.21). A p a b i l a j u m l a h o k s i g e n d a l a m d a r a h (PO2) r e n d a h , p02 h a r u s m e n i n g k a t c u k u pbanyak agar hemoglobin dapat mengikat oksigen pertama. N a m u n , apabila beberapao k s i g e n t e l a h t e r i k a t , h a n y a d i p e r l u k a n s e d i k i t p e n i n g k a t a n p02 a g a r p e r s e n s a t u r a s ih e m o g l o b i n oleh oksigen banyak meningkat. H a s i l n y a adalah k u r v a satiu-asi oksigenyang berbentuk sigmoid.BAHAN YANG M E M P E N G A R U H I PENGIKATAN OKSIGEN (GBR. 8.23)2,3-Bisfosfogliserat ^ 2,3-Bisfosfogliserat (2,3-BPG) dibentuk dalam seldarah merah dari zat antara C 02glikolitik 1,3-bisfosfogliserat. 2 , 3 - B P G berikatan dengan hemoglobin dalam ronggasentral yang dibentuk oleh keempat subunit, meningkatkan energi yang diperlukan G b r . 8.20. Struktur rftioglobin (A), rantai-P he-untuk perubahan konformasional yang memudahkan pengikatan oksigen. Dengan de- moglobin (B), danempat subunit hemoglobinmikian, 2,3-BPG menurunkan afinitas hemoglobin terhadap oksigen. Oleh karena itu, (C). Mioglobin terdiri dari rantai tunggal yangoksigen menjadi kurang mudah terikat (yaitu, lebih mudah dilepaskan dalam serupa dengan rantai-a dan rantai-P hemoglo-jaringan) apabila hemoglobin mengandimg 2,3-BPG. b i n . A d a n B d a r i Enzyme Structure and Mechanism o l e h F e h r s t . H a k c i p t a © 1 9 7 7 o l e h Selama perkembangan, terjadi perubahan dalam komposisi hemoglobin. H e m o - WH Freeman and Company. D i g u n a k a n d e -globin janin (HbF) terdiri dari 2 rantai a-globin danduarantai y-globin. D a l a m be- n g a n i z i n . C d a r i G e o f f r e y Z u b a y , Biochemis-berapa minggu pertama setelah kelahiran, H b Fdigantikan oleh hemoglobin dewasa try, e d . k e - 3 . H a k c i p t a © 1 9 9 3 Wm. C. Brown( H b A = a2P2). Perbedaan dalam komposisi asam a m i n o antara rantai-P H b A d a n ran- Communications, Inc. D i c e t a k u l a n g d e n g a ntai-y H b F m e n i m b u l k a n perubahan struktural yang menyebabkan H b F memiliki afini- i z i n Times Mirror Higher Education Group,tas lebih rendah terhadap 2 , 3 - B P G dibandingkan dengan h e m o g l o b i n dewasa ( H b A ) Inc., D u b u q u e , l o w a . S e m u a h a k d i a k u i .

88 B A G I A N II / D A S A R - D A S A R K I M I A W I D A N B I O L O G I S B I O K I M I AB H D I Jumlah hemoglobin janin (HbF)P|^5| yang terdapat dalam darahmSESSm M i c h a e i S i c h e l m e n i n g k a t . H a lini m u n g k i n m e n g u n t u n g k a n bagi pende-rita anemia selsabit karena H b F lebih sulitmembentuk polimer di dalam sel darahmerah dibandingkan dengan HbS.Secara normal, sekitar 1 % hemoglobindalam darah orang dewasa adalah H b F .HbF dijumpai dalam golongan sel darahmerah yang dikenal sebagal sel F. Padapenderita yang homozigot untuk H b S ,populasi sel F meningkat dalam sumsumtulang. S e l darah merah dengan kadarHbF yang lebih tinggi lebih dapat bertahanhidup daripada sel dengan H b S . Olehkarena Itu, pada individu ini H b F jauh lebihbesar daripada fraksi hemoglobin total.Beberapa bahan sitotoksik dapat m e -ningkatkan pembentukan hemoglobin Fpada penderita penyakit sel sabit.Hidroksiurea, walaupun relatif toksik, saatini digunakan untuk tujuan tersebutdengan keberhasilan terbatas. HbO^ • Hb + ® Ion hidrogen G b r . 8.22. Pengikatan kerja sama O2 dengan hemoglobin. Pada awalnya, keempat subunit b e r a d a d a l a m k e a d a a n T {taut a t a u tense [ t e g a n g ] ) , d i m a n a k e e m p a t s u b u n i t m e n o l a k p e n g i k a t - (D 2,3-Bisfosfogliserat an O2. S e w a k t u O2 terikat, subunit tersebut mengubah k o n f o r m a s i n y a sehingga k e m u n g k i n a n pengikatan oksigen tambahan meningkat. Contoh kerja sama positif ini menghasilkan kurva (D I k a t a n k o v a l e n d e n g a n CO^ saturasi oksigen yang berbentuk sigmoid. S e w a k t u O2 terikat, k o n f o r m a s i hemoglobin berubah dari keadaan T menjadi R (rileks).Gbr. 8.23. Bahan-bahan yang mempengaruhipengikatan O2 oleh h e m o g l o b i n . Pengikatan dan, dengan demikian, H b Fmemiliki afinitas yang lebih tinggi terhadap oksigen.ion hidrogen, 2,3-bisfosfogliserat, dan CO2 ke Oleh karena itu, oksigen yang dibebaskan dari hemoglobin i b u ( H b A ) mudah diikathemoglobin menurunkan afinitasnya terhadap oleh H b F janin. Dengan demikian, perbedaan struktural antara molekul hemoglobinoksigen. ibu dan molekul hemoglobin bayi mempermudah pemindahan oksigen dari i b u ke- pada janin.Gbr. 8.24. Efek p H pada kurva saturasi oksi- Pengikatan Protongen. Seiring dengan penurunan pH, afinitas he- Pengikatan proton oleh hemoglobin menyebabkan afinitas hemoglobin terhadap oksi-moglobin terhadap O2 menurun, m e n i m b u l k a n gen menurun (Gbr. 8.24), danberperan menimbulkan fenomena yang dikenal sebagaiefek Bohr. efek Bohr (Gbr. 8.25). p H darah menurun sewaktu darah masuk ke dalam jaringan (dan konsentrasi proton meningkat) karena CO2 yang dihasilkan oleh metabolisme diubah menjadi asam karbonat oleh reaksi yang dikatalisis oleh karbonat anhidrase di dalam sel darah merah. Penguraian asam karbonat menghasilkan proton yang bereaksi dengan beberapa residu asam amino pada hemoglobin, sehingga terjadi peru- bahan konformasional yang mendorong pelepasan oksigen. D i paru, proses iniberbalik. Oksigen berikatan dengan hemoglobin, menyebabkan pelepasan proton yang berikatan dengan bikarbonat untuk membentuk asam kar- bonat. Penurunan proton menyebabkan p Hdarah meningkat. Karbonat anhidrasi m e - mecah asam karbonat menjadi CO2 dan H2O, dan CO2 dikeluarkan melalui napas. Dengan demikian, dijaringan di mana p H darah rendah karena dihasilkan CO2 m e - lalui metabolisme, terjadi pelepasan oksigen dari hemoglobin. D iparu, di mana p H d a r a h l e b i h finggi k a r e n a C O 2 d i k e l u a r k a n m e l a l u i n a p a s , o k s i g e n b e r i k a t a n d e n g a n hemoglobin.

BAB 8 / STRUKTUR PROTEIN 89Karbon DioksidaWalaupun sebagian besar CO2 yang dihasilkan oleh metabolisme di jaringan dibawake paru sebagai bikarbonat, sebagian CO2berikatan secara kovalen dengan hemoglo-b i n ( G b r . 8 . 2 6 ) . D i j a r i n g a n , C O 2 m e m b e n t u k p r o d u k k i m i a t a m b a h a n (adduct) k a r b a -m a t d e n g a n g u g u s a m i n o t e r m i n a l - N p a d a d e o k s i h e m o g l o b i n . D i p a r u d i m a n a p02tinggi, oksigen berikatan dengan hemoglobin dan CO2yang terikat tersebut dibebas-kan.Imunoglobulin Jaringan Jaringan EkspirasiImunoglobulin (atau antibodi) adalah satu garis pertahanan terhadap invasi organismeasing k e dalam tubuh. Imunoglobulin berfimgsi mengikat antigen pada organismepenginvasi, d a nmencetuskan proses d i mana organisme tersebut kemudian dibuatmenjadi tidak aktif atau dihancurkan. ( A n t i g e n adaliah m o l e k u l yang mencetuskanpembentukan antibodi yang m a m p u berikatan dengan antigen spesifik tersebut). Anti-bodi memberi tanda pada benda/organisme asing sehingga dapat dihancurkan oleh selfagositik. Terdapat lima kelas imunoglobulin dalam tubuh. Kelima imunoglobulin dican-tumkan dalam Tabel 8.1. Protein ini memiliki struktur serupa dan terdiri dari banyakranah. Masing-masing molekul antibodi mengandung empat rantai polipeptida: duarantai kecil identik yang dikenal sebagai rantai ringan (L) dan dua rantai besar identikyang dikenal sebagai rantai berat ( H ) . Ikatan disulfida menyatukan sebuah rantai Lk esebuah rantai H , dan dua rantai H (masing-masing terikat k erantai L ) disatukan olehikatan disulfida (Gbr. 8.27). Imunoglobulin yang paling banyak ditemukan dalam darah manusia adalah kelasIgG. Protein ini, yang juga dikenal sebagai globulin-y, memiliki sekitar 220 asamamino pada rantai ringan dan 440 asam amino pada rantai berat. Karbohidrat melekatke rantai berat. B a i k rantai ringan m a u p u n rantai berat terdiri dari regio variabel ( V )dan regio konstan (C). Regio variabel rantai L dan H berinteraksi, menghasilkan duaregio d iujung molekul d imana masing-masing dapat berikatan dengan satu molekulantigen. Dengan demikian, setiap m o l e k u l imunoglobulin dapat mengikat d u a m o -lekul antigen.Hb-NH3 + :C02: * .v v. v. VI »# Hemoglobin Hb-N-GOO' Pam H Gbr. 8.25. Efek pada pengikatan oksigen oleh hemoglobin (Hb). A . D i jaringan, CO2 Karbamat hemoglobin dibebaskan. D i dalam sel darah merah, CO2 ini membentuk asam Karbonat, yang membebas-Gbr. 8.26. Pengikatan CO2 kehemoglobin. CO2 membentuk karbamat dengan gugus amino kan proton. Proton berikatan dengan H b se-terminal-N pada rantai hemoglobin. Sekitar 1 5 % CO2 dalam darah diangkut ke paru dalam ke- hin'gga H b melepaskan O2 k e jaringan. B .D iadaan berikat dengan hemoglobin. Reaksi ini membebaskan proton, yang berperan menimbul- paru, reaksi berbalik. O2 mengikat H b berpro-kan efek Bohr. ton sehingga terjadi pelepasan proton. Proton ini mengikat bikarbonat (HCO3) untuk mem-Tabel 8.1 Jenis imunoglobulm ,— , bentuk asam karbonat yang terurai menjadi dan Kelas Rahtar Berat (H) H2O dan CO2yang dikeluarkan melalui ekspi- Konsentrasi NormaE dalam rasi.IgG Serum {mg/dU igA igM 1.000 igD 200 120 3 0.05

90 BAGIAN II / DASAR-DASAR KIMIAWI DAN BIOLOGIS BIOKIMIA Tempat Tempatpengikatan pengikatan antigen antigen Tempat Rantaipengikatan berat antigen Gambar skematik Rantai ringan Tempat pengikatan antigen B Model ruang yang terisiGbr. 8.27. Struktur imunoglobulin. A . Masing-masing molekul antibodi mengandung-dua rantai ringan ( L ) dan dua rantai berat (H) yang disatukanoleh ikatan disulfida. Masing-masing rantai mengandung sebuah regio variabel ( V ) dan sebuah regio konstan (C). Regio variabel bersifat spesifikuntuk antigen yang berikatan dengannya, sedangkan regio konstan sama untuk semua molekul antibodi dari kelas yang sama. Karbohidrat (CHO)terikat dalam regio konstan rantai berat (CH). B . Pada model ruang-terisi, rantai ringan berwama terang dan rantai berat berwarna abu-abu dengand u a g r a d a s i . D i m o d i f i k a s i d a r i S i l v e r t o n E W , d k k . Proc Natl Acad Sci USA 1 9 7 7 ; 1 1 : 5 1 4 2 .

BAB 8 / STRUKTUR PROTEIN 91 Rantai Lmengandung satu ranah (domain) d iregio variabel dan satu ranah di re- Elektroforesis protein serumgio konstan, sedangkan rantai Hmengandung empat ranah, satu diregio variabel/dan • o Amy Lloyd m e m p e r l i h a t k a ntiga diregio konstan (Gbr. 8.28). Ranah ini memiliki struktur serupa yang dikenal se-bagai lipatan imunoglobulin, yang terdiri dari sejumlah lembar-p yang membentuk adanya puncak tajam atau \"duri\"tong-p (Gbr. 8.29). Jenis ranah i n i dijumpai tidak saja pada imunoglobulin,tetapi juga h o m o g e n di zona y-globulin yang dikenalpada protein lain, d i mana banyak d i antaranya berperan dalam pengenalan sel. sebagai komponen-M. Pada imunoelek- troforesis serum, komponen-M imuno-Kolagen globulin Ini terbukti berasal dari klon tunggal s e l penghasil-antibodi (mono-Kolagen adalah protein fibrosa yang merupakan komponen utama jaringan ikat dan kional, yaitu, memiliki satu jenis rantai Hmerupakan protein paling banyak jumlahnya dalam mamalia. Kolagen dijumpai ditu- dan satu jenis rantai L).lang, tendon, kulit, pembuluh darah, dan kornea mata. Kolagen mengandung sekitar3 3 % glisin d a n 2 1 % prolin serta hidroksiprolin, suatu asam amino yang dihasilkan Sewaktu konsentrasi imunoglobulinmelalui modifikasi pascatranslasi residu prolin. yang disekresikan oleh klon sel proliferatif ini melebihi a m b a n g ginjal, di dalam urin Tropokolagen, yaitu prekursor kolagen, adalah suatu heliks tripel yang terdiri dari muncul protein Bence Jones. Protein initiga rantai polipeptida yang saling menjalin, membentuk struktur mirip tambang de- juga dapat menginfiltrasi jaringan d a nngan daya regang yang besar (Gbr. 8.30). Masing-masing rantai polipeptida m e - membentuk timbunan protein yang dikenalngandung sekitar 1.000residu asam amino. Sewaktu ketiga rantai polipeptida i n i sebagai endapan amiloid.s a l i n g m e l i l i t s a t u s a m a l a i n , t e r b e n t u k supercoil y a n g m e r u p a k a n t r o p o k o l a g e n . Gelatin d a nlem adalah produk Ketiga rantai polipeptida heliks tripel disatukan oleh ikatan hidrogen. Setiap be- yang dihasilkan dari kolagen he-lokan heliks tripel mengandung 3 residu asam amino, sehingga setiap asam amino wan. Gelatin bukan makananketiga berkontak erat dengan d u a untai yang lain d ibagian tengah struktur. H a n y a yang sangat bergizi karena komposisiglisin, yang tidak memiliki rantai sisi, dapat pas/cocok dengan posisi ini, danm e - asam aminonya terbatas.mang, setiap residu asam amino ketiga pada tropokolagen adalah glisin. D a l a m urut-an, residu prolin sering mengikuti residu glisin, sehingga urutan dapat digambarkansebagai G l y - X - Y , d imana X sering berupa prolin dan Y adalah semua asam aminoyang dijumpai pada kolagen. Tropokolagen adalah salah satu contoh protein yang mengalami modifikasi pasca-translasi ekstensif Reaksi hidroksilasi menghasilkan residu hidroksiprolindari residuprolm dan hidroksilisin^ dari residu lisin. Reaksi i n i terjadi setelah sintesis protein(Gbr. 8.31) d a n m e m e r l u k a n vitamin C (a:sam askorbat). Residu hidroksiprolin terli-bat dalam pembentukan ikatan hidrogen yang membantu menstabilkan heliks tripel,sedangkan residu hidroksilisinadalah tempat perlekatan gugus karbohidrat. Domain Vi Domain COO\" c o o ~ G b r . 8.29. L i p a t a n i m u n o g l o b u l i n . Pada ranah ini, terjadi penumpukan lapisan lembar-p anti-G b r . 8.28. R a n a h ( d o m a i n ) i m u n o g l o b u l i n . R a n t a i ringan m e m i l i k i d u a ranah (VL d a n CL). paralel. A t a s dimodifikasi dari Richardson JS.Rantai berat m e m i l i k i satu ranah variabel (VH) d a n tiga ranah konstan (CHI, CH2, d a n CH3). Adv Protein Chem 1981;34:167; b a w a h d i c e -Karbohidrat (CHO) melekat k eCH2. Ranah-ranah i n i mengandung lapisan-lapisan lembar-p tak ulang dengan izin dari Edmundson AB,(lihat Gbr. 8.29). R a n a h diberi tanda lingkaran. d k k . Biochemistry 1975; 14:3954. © 1975 American Chemical Society.

92 BAGIAN II / DASAR-DASAR KIMIAWI DAN BIOLOGIS BIOKIMIA Defisiensi berat vitamin C m e - Rantai sisi residu lisin m u n g k i n juga dioksidasi untuk membentuk allisin aldehida. n i m b u l k a n scurvy, y a n g m e n g e - Residu aldehida ini menghasilkan kovalen yang berpaut-silang antara molekul tro- nai jaringan yang kaya akan ko- pokolagen (Gbr. 8.32). Residu allisin pada 1molekul tropokolagen bereaksi denganlagen. Karena residu prolin d a n lisin tidak gugus amino residu lisin pada molekul yang lain, membentuk kovalen basa Schiffmengalami hidroksilasi, tidak dapat terjadi yang diubah menjadi kovalen terpaut-silang yang lebih stabil. Kondensasi aldolpembentukan ikatan hidrogen didalam he- mungkin juga terjadi antara 2 residu allisin, yang membentuk suatu struktur yangliks tripel d a n pengikatan silang antara dikenal sebagai lisinonorleusin.heliks-heliks tripel. Oleh karena itu, m o -l e k u l k o l a g e n m e n j a d i t i d a k s t a b i l . Scurvy Insulinditandai oleh perdarahan gusi, gigi yanggoyang, lesi kulit, d a nrapuhnya dinding Insulin, salah satu h o r m o n utama yang mengatur metabolisme zatgizi (lihat Bab 24),pembuluh darah. adalah suatu protein kecil yang mengandung 51 asam amino. Protein ini terdiri dari dua rantai polipeptida, rantai A yang mengandung 2 1 asam amino danrantai B yangGbr. 8.30. Heliks tripel kolagen. mengandung 3 0 asam amino (Gbr. 8.33). Rantai-rantai tersebut disatukan oleh dua ikatan disulfida. Selain itu,rantai Amengandung sebuah rantai disulfida intrarantai. Struktur primer insulin dari berbagai spesies hewan telah diteliti. Kecuali untuk posisi 8,9, dan10pada rantai A dan posisi 3 0pada rantai B , urutan insulin adalah ho- molog, d a nperubahan d iberbagai posisi biasanya bersifat konservatif Walaupun banyak upaya telah dilakukan oleh berbagai laboratorium, rincian mekanisme kerja insulin masih merupakan misteri. Sintesis insulin danefek metabo- liknya dijelaskan diB a b 2 4 dandiBagian V , V I , danV I I (masing-masing mengenai metabolisme karbohidrat, lemak, dannitrogen). Heksokinase Heksokinase adalah enzim yang sangat penting dalam metabolisme. Enzim ini meng- katalisis fosforilasiglukosa untuk membentuk glukosa 6-fosfat. Molekul heksokinase mengandung dua ranah yang dihubungkan oleh sebuah regio engsel. Diketahui terda- O o II II CH-CwvN. ./VW N— CH-Cvwv /\ /\ •-a-Ketoglutarat prolil htdroksilase HaC^ CH2 <• a - K e t o g l u t a r a t + Suksinat H2C CH2 'V + Suksinat Residu O2 C02 prolin Residu O 4-hidroksiprolin II -A/w O 11.A/w N— CH-Cvwv lisil hidroksilase N — CH - C v w N . II H CH2 Askorbat CO2 II CH, 02 H CH2 CH, *NH3 I^ Residu CH2 lisin I CH-OH : I ...... Residu 5-hidroksilisinGbr. 8.31. Hidroksilasi residu prolin danlisin dalam kolagen. Residu prolin danhsin di dalam rantai kolagen mengalami hidroksilasi melaluireaksi yang memerlukan askorbat (vitamin C).

BAB 8 / STRUKTUR PROTEIN 93 .£> o e + |>~CH2-CH2-NH3 Residu lisin-coo- lisil O2 oksidase NH3 + OH\" CH2-C^ + H2N-CH2-CH2-^ Struktur Insulin manusia Residu allisin Residu lisin keduaGbr. 8.33. S t r u k t u r p r i m e r i n s u l i n m a n u s i a . I n s u l i n b a b i b e r b e d a h a n y a p a d a s a t u p o s i s i d a r i i n - B ^H20sulin manusia; alanin menggantikan treonin sebagai asam amino terminal-C di rantai B. Selainpenggantian ini, insulin sapi juga berbeda dari insulin manusia di rantai A yaitu bahwa alaninmenggantikan treonin di posisi 8 danvalin menggantikan isoleusin diposisi 10. >5 e e5 < > ~ CHg - CH = N - CH2 - CH2- -<pat duakonformasi m o l e k u l yang berbeda, yiatu struktur \"terbuka\" d a n \"tertutup\". Basa SchiffSewaktu mengikat glukosa, konformasi enzim berubah dari terbuka menjadi tertutup(Gbr. 8.34). Pada keadaan tertutup ini,enzim aktif melakukan katalisis. s5 HO^g 5 CHa-c'^ + C=CH-4 Perubahan konformasi heksokinase yang ditimbulkan oleh pengikatan denganglukosa memperlihatkan bahwa struktur protein tidaklah statis: protein m e m i l i k i flek-sibilitas struktur yang cukup sehingga dapat terjadi perubahan konformasi yang me-ngubah aktivitas fungsional protein. Allisin Allisin (bentuk aldo) (bentuk enoi) K O M E N T A R K L I N I S . Setelah pengobatan selama beberapa hari, krisis Kondensasi Michaei Sichel teratasi. P a d a m a s a m e n d a t a n g , a p a b i l a M i c h a e i k e m b a l i aldoi menderita serangan serebrovaskular akibat sumbatan pembuluh atau m e -ngalami episode serangan kekambuhan yang mengancam jiwa, mungkin diindikasi- HO ^ C ^kan transfusi darah pemeliharaan jangka panjang untuk mencegah berulangnya krisissel sabit. P r o g r a m pengobatan i n i harus disertai terapi khelasi besi untuk mencegah >> —•8CH2-eCiH-- C I6 ^ <atau memperlambat timbulnya kelebihan beban besi. H— Walaupun beberapa individu yang mengidap penyakit i n idapat bertahan hi-dup sampai dekade keenam, ketahanan hidup rerata m u n g k i n adalah sampai dekade H20^keempat. Kematian biasanya terjadi akibat gagal ginjal dan/atau penyakit kardiopul-monar. Amy Lloyd m e n d e r i t a m i e l o m a m u l t i p e l , suatu p e n y a k i t s e l p l a s m a . M i e l o m a > C5H 2 - £ = i s <rmultipel termasuk kelompok penyakit neoplastik yang ditandai oleh proliferasi klon CH Ctunggal selplasma penghasil-imunoglobulin. D a l a m keadaan normal, molekul imu-noglobulin dihasilkan oleh sejumlah besar k l o n sel plasma. Lisinonorleusin G e j a l a d a n t a n d a m i e l o m a m u l t i p e l b e r k a i t a n d e n g a n (a) p e r t u m b u h a n k l o n s e l a b - Gbr. 8.32. P e m b e n t u k a n i k a t a n s i l a n g p a d an o r m a l d a n (b) p r o d u k y a n g d i s e k r e s i o l e h s e l t u m o r . S e l m i e l o m a y a n g b e r p r o l i f e r a s i kolagen. ( A ) .Residu lisin mengalami oksidasidi dalam s u m s u m tulang dapat menggantikan prekursor sel darah merah sehingga tim- menjadi allisin (suatu aldehida). Allisin dapatbul anemia. Sel mieloma dapat menghasilkan beberapa peptida dengan efek osteolitik bereaksi dengan residu lisin untuk membentuk(menyerap tulang) sehingga terjadi kerusakan tulang fokal yang digambarkan sebagai basa Schiff (B), atau 2 residu allisin dapat me-\"lesi mirip keju Swiss\" pada pemeriksaan sinar-X terhadap tulang. Dapat terjadi frak- n g a l a m i kondensasi a l d o l (C).tur patologik disertai nyeri tulang d a nhiperkalsemia (kadar kalsium serum yangtinggi) akibat lisis tulang yang ekstensif. Hiperkalsemia, sebaliknya, menyebabkankelemahan otot d a nmialgia, letargi, d a na k h i m y a kekacauan mental. Hiperkalsemia

94 B A G I A N I I / D A S A R - D A S A R K I M I A W I D A N B I O L O G I S B I O K I M I AP I K l Sepuluh minggu setelah pe- kronik dapat merusak seltubulus ginjal. Cedera tubulus yang disertai proteinuriaI ^ S | nyuntikan insulin sapi setiap hari Bence Jones yang penting dapat mengakibatkan gagal ginjal.C S S S I dimulai, A n n Sulin melihatadanya kemerahan dan pembengkakan Karena penderita mieloma biasanya mengalami penekanan yang sangat dari ka-lokal di tempat suntikan\", pruritus (gatal) dar imunoglobulin normal, mereka sangat rentan terhadap infeksi dan sering datangyang menyeluruh, bronkospasme (mengi) dengan pneumonia atau jenis infeksi sistemik lainnya.ringan, dan ruam yang menyeluruh. Gejalaini m e m b u r u k b e r s a m a a n dengan p e n y u n - P e n g o b a t a n t e r d i r i d a r i {d) k e m o t e r a p i s i s t e m i k u n t u k m e n e k a n k l o n s e l p r o l i f e -tikan yang dilanjutkan. r a t i f d a n {b) p e n g o b a t a n p e n u n j a n g u n t u k m e n g a t a s i p e n y u l i t p e n y a k i t ( m i s a l , a k i b a t hiperkalsemia, sepsis, anemia, gagal ginjal, dan nyeri tulang). Dokter menyadari bahw N y . Sulinmenderita suatu reaksi alergi terhadap in- William Hartman terus d i p a n t a u d i u n i t p e r a w a t a n j a n t u n g . K a d a r k r e a t i n k i n a s esulin sapi yang bersifat lokal (biasanya ( C K ) a w a l n y a m e n i n g k a t , d a n f r a k s i M B (Muscle Brain) t i n g g i ( 5 % t o t a l ) . D a l a m 2disebabkan oleh pencemaran dalam insu- j a m setelah awitan infark miokardium akut, bentuk M B dari kreatin kinase mulai bo-lin yang diberikan) dan sistemik (biasanya cor dari sel jantung yang mengalami cedera akibat proses iskemik. Peningkatan kadardisebabkan oleh molekul insulin itu sen- fraksi M B dalam serum (dan oleh karena itukreatin kinase total meningkat) mencapaidiri). Insulin sapi segera dihentikan d a n puncaknya 12-36 j a m kemudian, dan biasanya kembali ke n o r m a l dalam 3-5 hari sete-terapi dimulai dengan dosis kecil insulin lah awitan infark.Humulin (insulin sintetik yang dihasilkanmelalui teknologi rekombinan D N A d a n Ann Sulin m e n d e r i t a d i a b e t e s m e l i t u s n o n - d e p e n d e n i n s u l i n ( N I D D M ) , y a n g j u g amemiliki struktur identik dengan insulin disebut diabetes melitus Tipe I I atau awitan dewasa, penderita dengan kelainan inimanusia). kadang-kadang m e m e r l u k a n suntikan insulinuntuk mengendalikan kadar glukosa da- rah. Sebaliknya, penderita diabetes melitus dependen insulin( I D D M ) , yang juga dise- but diabetes melitus Tipe I atau awitan juvenilis, selalu memerlukan suntikan insulin, penderita I D D M tidak m a m p u mensintesis insulindalam jumlah adekuat untuk m e m - pertahankan kadar glukosa darah yang normal. Terdapat 12-15 juta penderita diabetes di A m e r i k a Serikat, di mana sebagian besar adalah pengidap N I D D M . Dari penderita I D D M dan N I D D M yang mendapat suntik- an insulin, insiden reaksi alergi lokal dan sistemik telah sangat berkurang karena d i pasaran sekarang telah tersedia preparat insulin sintetik, yang secara struktural identik dengan insulin manusia. K O M E N T A R B I O K I M I A . Bab ini tidak dimaksudkan untuk menjadikan mahasiswa kedokteran menjadi seorang pakar dalam bidang struktur pro- • tein, tetapi untuk menjelaskan prinsip u m i m i yang dapat membantu siswa memahami fungsi protein yang relevan dengan dunia kedokteran. U n t u k para siswa yang ingin lebih mempelajari mengenai struktur protein, tersedia b u k u ajar yang me- nekankan struktur (lihat Bacaan Anjuran). Bacaan Anjuran Lehninger A, Nelson D, Cox M. Principles of biochemistry. New York; Worth, 1993. Stryer L . Biochemistry. New York: WH Freeman, 1995. SOAL 1. H e m o g l o b i n M i c h a e i Sichel ( H b S ) berbeda dari h e m o g l o b i n dewasa n o r m a l ( H b A ) hanya pada urutan asam amino regio terminal-N dari rantai globin-p. Tentukan muatan pada H b A dan H b S di regio rantai-P i n i pada p H fisiologis dari urutan yang diberikan di bawah ini: HbA Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-Lys-Ser-Ala-Val-ThrG b r . 8.34. P e r u b a h a n k o n f o r m a s i o n a l y a n g HbS Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Glu-Lys-Ser-Ala-Val-Thrdicetuskan oleh pengikatan glukosa ke hekso-kinase. E n z i m bebas ( A ) . Dengan glukosa ter- M a n a dari kedua protein ini yang akan bermigrasi lebih jauh k eanoda dalam suatui k a t ( B ) . D a r i B e n n e t t W S , S t e i t z T A . J Mol medan listrik?5/0/ 1980; 140:219.

JAWABAN1. Pada p H 7,4,valin t e r m i n a l - N m e m i l i k i m u a t a n positif pada gugus a m i n o b e -basnya. Pada beberapa rantai sisi lain juga terdapat muatan. Histidin memiliki muatanp o s i t i f p a r s i a l (pK^ ~ 6 , 0 ) , g l u t a m a t m e m i l i k i m u a t a n n e g a t i f , d a n l i s i n m e m i l i k i m u a t -an positif. Hemoglobin selsabit (HbS) mengandung satu muatan yang kurang negatif dari-pada yang dimiliki oleh hemoglobin dewasa ( H b A ) karena residu valin yang hidro-fobik telah menggantikan glutamat yang bermuatan negatif. Oleh karena i t u ,h e m o g l o b i n s e lsabit Michaei §ichel b e r m i g r a s i k e a r a h a n o d a ( e l e k t r o d a p o s i t i f ) d imedan listrik tidak sejauh seperti hemoglobin normal (lihat Gbr. 8.16).