BAB III KARBOHIDRAT KARBOHIDRAT
A. Asam Amino Protein Alami
terbentuk pada protein yang terdiri dari dua atau lebih untai polipeptida.
Pada bab ini juga dijelaskan asam amino protein alami, pengelompokan protein berdasarkan fungsinya, pengaruh suhu, pH, pelarut organik, detergen, logam berat dan tekanan mekanik pada struktur protein, denaturasi, koagulasi protein, tingkatan struktur protein, protein fibrous: struktur rambut, dan collagen, protein globular: struktur myoglobin dan hemoglobin serta protein pada basis data CAZy (Carbohydrate-Active enZYmes), PDB (Protein Data Bank) dan GenBank.
Semua asam amino kecuali glisin, pada α-karbon terikat empat gugus yang berbeda yaitu gugus karboksilat (gugus karboksil yang kehilangan sebuah proton, -COO-) dan gugus amino terprotonasi (gugus amino yang memperoleh sebuah proton, -NH3+), gugus rantai samping (R) dan atom hidrogen. Atom α-karbon demikian dinamakan kiral. Penataan gugus yang terikat pada α-karbon adalah tetrahendral. Empat gugus ini dapat melingkupi dua penataan ruang terpisah yang unik yaitu stereoisomer L dan D. Pada Gambar 76 dimuat stereoisomer alanin.
Hampir semua asam α-amino yang diisolasi dari protein alami mempunyai stereoisomer L.
L-Alanin D-Alanin
Gambar 76. Dua Stereoisomer Alanin
Pada pH 7, kondisi yang diperlukan untuk fungsi hidup, kita tidak akan menemukan asam amino yang gugus karboksilatnya diprotonasi COOH) dan gugus aminonya tidak terprotonasi (-NH2). Pada kondisi ini, gugus karboksil membentuk basa konjugate (-COO-) dan gugus amina membentuk asam konjugate (-NH3+).
Molekul netral dengan jumlah muatan positip dan negatif sama dinamakan zwitterion. Dengan demikian, asam amino dalam air berada sebagai ion dipolar yang dinamakan zwitterion. Pada α-karbon setiap asam amino juga terikat atom hidrogen dan sebuah rantai samping, atau gugus R. Pada protein, gugus R berinteraksi dengan R lainnya melalui interaksi yang lemah yang bervariasi.
Interaksi ini perpartisipasi dalam pelipatan rantai protein membentuk struktur tiga dimensi yang menentukan fungsinya.
1. Pengelompokan Asam Amino
Semua asam amino mempunyai sebuah gugus karboksil dan sebuah gugus amina. Perbedaan asam amino terletak pada rantai samping (gugus R). Gambar 77 memuat struktur asam amino.
Rantai samping asam amino bervariasi dalam hal struktur, ukuran, muatan listrik dan kelarutannya di dalam air. Asam amino dapat dikelompokkan menurut kepolaran rantai sampingnya. Rantai samping beberapa asam amino adalah nonpolar. Asam amino tersebut lebih menyukai kontak dengan rantai samping asam amino nonpolar daripada kontak dengan air dan dikatakan asam amino hydrophobic (water-fearing). Oleh sebab itu, residu asam amino ini ditemukan pada interior protein globular. Asam amino ini dapat berasosiasi dengan yang lainnya dan tetap terpisah dari air.
Sembilan asam amino masuk kategori ini yaitu alanin, valin, leusin, isolusin, prolin, glisin, metionin, phenilalanin dan triptopan. Gugus R pada prolin adalah unik. Gugus ini berikatan dengan gugus α-amino membentuk amina sekunder.
Sebelas asam amino mempunyai rantai samping polar karena rantai samping asam amino ini berinteraksi dengan molekul air dan dikatakan asam amino hidrophilic (water-loving). Asam amino hidrophilic disebut juga asam amino polar. Rantai samping residu asam amino ini sering ditemukan pada permukaan protein globular.
Asam amino polar dikelompokkan menjadi tiga yaitu:
1. Asam amino netral tetapi polar. Asam amino ini mempunyai gugus R affinitas tinggi pada air tetapi tidak ionik pada pH 7.
Serin, treonin, tirosin, sistein, asparagin dan glutamin masuk ke dalam kategori ini. Kebanyakan asam amino ini berasosiasi dengan yang lainnya melalui ikatan hidrogen, tetapi sistein membentuk ikatan disulfida dengan sistein lainnya.
2. Asam amino bermuatan negatif. Asam amino ini mempunyai gugus karboksil terionisasi pada rantai sampingnya. Pada pH 7, asam amino ini bermuatan total -1. Aspartat dan glutamat adalah dua asam amino masuk ke dalam kategori ini. Asam amino ini adalah asam amino bersifat asam karena ionisasi dari asam karboksilat melepaskan proton.
3. Asam amino bermuatan positip. Pada pH 7, lisin, arginin dan histidin mempunyai muatan total negatif karena rantai
sampingnya mengandung gugus positip. Asam amino ini bersifat basa karena rantai samping dengan air mengambil proton dan melepaskan anion hidroksida.
Asam aminopun dapat dikelompokkan berdasarkan gugus rantai sampingnya yaitu:
1. Tujuh asam amino mempunyai gugus R aliphatik nonpolar 2. Tiga asam amino mempunyai gugus R aromatik
3. Lima asam amino mempunyai gugus R tidak bermuatan, polar 4. Tiga asam amino mempunyai gugus R bermuatan positip 5. Dua asam amino mempunyai gugus R bermuatan negatif
Gambar 77. Struktur Asam Amino (Nelson et al., 2008:75)
2. Titrasi Asam Amino
Ketika sebuah asam amino dititrasi, kurva titrasinya menunjukkan reaksi dari setiap gugus fungsi dengan ion hidrogen.
Pada alanin, gugus karboksil dan amino adalah dua gugus yang dapat dititrasi. Pada pH yang sangat rendah, alanin mempunyai sebuah gugus karboksil yang terprotonasi (dengan demikian tidak bermuatan) dan gugus amino bermuatan positip yang juga terprotonasi. Pada kondisi ini alanin mempunyai muatan positip total satu. Jika basa ditambahkan, gugus karboksil kehilangan protonnya menjadi gugus karboksilat bermuatan negatif dan pH larutan naik. Alanin sekarang tidak bermuatan total (muatan totalnya nol). Jika pH dinaikkan selanjutnya dengan penambahan basa, gugus amino terprotonasi kehilangan proton dan molekul alanin sekarang bermuatan negatif satu. Dengan demikian, kurva titrasi alanin seperti asam diprotik (Gambar 78). Semua asam amino yang mempunyai satu gugus α-amino, satu gugus karboksil dan gugus R yang tidak mengion mempunyai kurva titrasi yang serupa dengan kurva titrasi alanin. Kelompok asam amino ini dicirikan oleh harga pK1 yang mirip pada kisaran 2 sampai 3, sedangkan pK2
pada kisaran 9 sampai 10 (Tabel 11).
Gambar 78. Kurva Titrasi Alanin
Pada histidin, rantai samping imidazole berkontribusi sebagai gugus yang dapat dititrasi. Pada pH yang sangat rendah, molekul histidin mempunyai muatan positip total dua karena gugus amino dan immidazole bermuatan positip. Jika basa ditambahkan pH naik, gugus karboksil kehilangan proton menjadi gugus karboksilat, dan histidin sekarang mempunyai muatan total satu. Jika basa masih ditambahkan gugus imidazole kehilangan proton dan pada titik ini histidin bermuatan total nol. Pada nilai pH yang lebih tinggi akibat penambahan basa, gugus aminonya kehilangan proton, akibatnya molekul histidin mempunyai muatan negatif satu. Dengan demikian, kurva titrasi histidin adalah seperti asam triprotik (Gambar 79).
Gambar 79 Kurva Titrasi Histidin
Gugus yang dapat dititrasi dari setiap asam amino mempunyai nilai karakteristik pKa. Nilai pKa dari α-karboksil rendah yaitu sekitar 2. Nilai pKa dari gugus amino lebih tinggi yaitu antara 9-10,5. Nilai pKa gugus rantai samping termasuk gugus rantai samping-karboksil dan amino tergantung pada sifat kimia gugus. Tabel 11 memuat nilai pKa gugus yang dapat dititrasi dari
asam amino, nilai pI dan singkatan/simbol asam amino. Klasifikasi asam amino sebagai asam amino bersifat asam atau basa tergantung pada pKa rantai samping. Histidin, lisin dan arginin dipertimbangkan sebagai asam amino bersifat basa karena rantai sampingnya mempunyai gugus yang mengandung nitrogen yang dapat berada dalam bentuk terprotonasi atau deprotonasi. Asam
Tabel 11. Sifat Asam Amino yang Ditemukan pada Protein
aspartat dan asam glutamat dipertimbangkan sebagai asam amino bersifat asam karena strukturnya mempunyai rantai samping asam karboksilat dengan nilai pKa rendah. Gugus ini masih dapat dititrasi setelah asam amino membentuk peptida atau protein, tetapi pKa dari gugus yang dapat dititrasi pada rantai samping adalah tidak sama pada suatu protein dan sebagai asam amino bebas.
Pada kenyataannya asam amino, peptida dan protein mempunyai nilai pKa yang berbeda yang menimbulkan kemungkinan bahwa zat tersebut dapat mempunyai muatan yang berbeda pada pH tertentu. Sifat ini dimanfaatkan pada elektroforesis, metoda umum untuk memisahkan molekul pada medan listrik. Metoda ini sangat bermanfaat dalam penentuan sifat penting protein. pH dimana molekul mempunyai muatan total nol dinamakan pH isoelektrik atau titik isoelektrik (simbol pI). Pada pH isoelektriknya molekul tidak akan bergerak dalam medan listrik.
Sifat ini dapat digunakan pada metoda pemisahan molekul protein.
Titik isoelektrik (pI) sebuah asam amino dapat dihitung dengan persamaan berikut.
3. Ikatan Peptida
Antara asam amino dengan asam amino lainnya dapat berikatan membentuk ikatan kovalen. Ikatan kovalen terbentuk antara gugus karboksil dari satu asam amino dengan gugus α-amino dari asam α-amino berikutnya. Air dieliminasi pada proses ini dan residu asam amino yang terikat tetap setelah air tereliminasi.
Ikatan yang terbentuk adalah ikatan peptida. Peptida adalah senyawa yang terbentuk dari sejumlah asam amino yaitu antara 2 sampai beberapa buah asam amino bahkan sampai ratusan asam amino. Protein terbentuk dari banyak asam amino.
Reaksi asam amino glisin dan alanin menghasilkan glycil-alanine (Gambar 80). Penulisan glycil-glycil-alanine dapat disingkat menjadi Gly-Ala atau GA. GA adalah dipeptida. Molekul yang terbentuk dari kondensasi dua asam amino dinamakan dipeptida. Pada
pembentukan dipeptida dilepaskan satu molekul air. Oleh sebab itu, dipeptida terdiri dari dua residu asam amino yang dihasilkan dari reaksi dua asam amino. Pada dipeptida terdapat satu ikatan peptida. Kata ‘di’ pada dipeptida bukan menunjukkan jumlah ikatan peptida tetapi menunjukkan jumlah residu asam amino.
Dengan demikian, jumlah residu asam amino pada peptida ditunjukkan oleh prefiks di- (2 unit), tri-(3 unit), tetra-(4 unit).
Jumlah residu asam amino 2-50 dikenal sebagai oligopeptida, sedangkan lebih dari 50 residu asam amino dikenal sebagai polipeptida. Protein adalah polipeptida.
Gambar 80. Pembentukan Ikatan Peptida
Pada tahun 1930an dan 1940an, Linus Pauling dan Robert Corey menemukan bahwa ikatan peptida adalah planar dan kaku.
Ikatan peptida lebih pendek dari yang diharapkan. Apakah arti semua ini? Pauling menyimpulkan bahwa ikatan peptida mempunyai karakter ‘ikatan ganda sebagian’ karena pengaruh resonansi. Oleh sebab itu, ikatan peptida dapat ditulis sebagai hibrid resonansi dari dua struktur (Gambar 81), satu ikatan tunggal antara karbon dan nitrogen dan yang lainnya ikatan ganda antara karbon dan oksigen. Setiap ikatan peptida mempunyai karakter ikatan-ganda sekitar 40% yang disebabkan oleh resonansi akibatnya ikatan
Gambar 81. Struktur Resonansi Ikatan Peptida
peptida lebih kuat dari pada ikatan tunggal karena stabililisasi resonansinya. Tetapi ikatan peptida tidak dapat berotasi.
Ini berarti bahwa hanya dua rotasi bebas dari tiga ikatan tunggal dari backbone peptida yang membatasi jumlah kemungkinan konformasi peptida. Rotasi bebas terdapat pada ikatan antara α-karbon dari residu asam amino dan α-karbon α-karbonil dan nitrogen amino dari residu itu. Rotasi bebas tersebut adalah ikatan N-Cα () dan C- Cα (). Konformasi ikatan peptida didefinisikan oleh nilai dan (-180º sampai 180º). Plot nilai sebagai sumbu x dan sebagai sumbu y menghasilkan Ramachandran plot. Kekakuan ikatan peptida mengakibatkan gugus R pada residu asam amino berdekatan berlawanan sepanjang rantai peptida (Gambar 82).
Gambaran struktur ini mempunyai implikasi penting untuk konformasi tiga-dimensi dari peptida dan protein. Stereokimia ini memainkan peranan penting dalam penentuan bagaimana backbone protein dapat melipat.
Gambar 82. Ikatan Peptida adalah Planar dan Kaku (Nelson et al., 2008:116)