PELIPATAN PROTEIN - ASAM AMINO DAN PEPTIDA

ASAM AMINO DAN PEPTIDA

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: 2 A B AB Z Z E Dr ε ∆ =

dengan DE adalah energi interaksi elektrostatik, Z_A dan Z_B adalah jumlah muatan kedua partikel yang berinteraksi, r_AB adalah jarak an-tara kedua partikel, e adalah muatan elektron, dan D adalah tetapan

Bab Protein aksi menurun saat keduanya saling mendekati, sehingga interaksi ter-jadi dengan baik.

Separuh muatan negatif pada protein (seperti rantai samping karboksilat dalam residu Asp dan Glu) seringkali berinteraksi dengan rantai samping bermuatan positif pada residu Lys, Arg, atau His. Interaksi elektrostatik ini membentuk jembatan garam, dengan beberapa derajat ikatan hidrogen yang memperkuat tarikan elektrostatik (perhatikan gambar 3.3 berikut ini).

Protein

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul 81

hidrogen yang memperkuat tarikan elektrostatik (perhatikan gambar 3.3 berikut ini). C O O H H N N H H C N H Ikatan hidrogen Arginin Glutamat

Gambar 3-3 Jembatan garam antara rantai-rantai samping residu Arg dan Glu.

Energi yang menyertai pasangan ion dalam suatu protein yakni 0,5 – 1,5 kJ mol^-1 untuk interaksi di permukaan, sampai 15 kJ mol^-1 untuk interaksi elektrostatik antara residu-residu yang berada di bagian dalam protein. Dalam hal ini tetapan dielektriknya lebih rendah daripada air (tetapan dielektrik air sebesar 80).

Semua atom maupun molekul saling tarik menarik satu sama lain karena adanya interaksi dipol-dipol. Suatu molekul tidak perlu memiliki muatan total untuk dapat melakukan interaksi dipolar. Kerapatan elektron dapat menjadi sangat tidak merata bila atom-atom yang berinteraksi mempunyai keelektronegatifan yang berbeda.

Atom-atom yang paling elektronegatif mempunyai “kelebihan” muatan negatif yang paling besar, yakni atom O (keelektronegatifan 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 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: 6 12 vdw d b d a E

Gambar 3-3 Jembatan garam antara rantai-rantai samping residu Arg dan Glu.

Energi yang menyertai pasangan ion dalam suatu protein yakni 0,5 – 1,5 kJ mol-1 untuk interaksi di permukaan, sampai 15 kJ mol-1 untuk interaksi elektrostatik antara residu-residu yang berada di bagian dalam protein. Dalam hal ini tetapan dielektriknya lebih rendah daripada air (tetapan dielektrik air sebesar 80).

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 (E_vdw) biasanya diberikan oleh persamaan berikut: 12 6 vdw a b E d d = −

dengan d adalah jarak interatom, a dan b adalah tetapan positif. Persamaan di atas seringkali disebut potensial 6,12 Lennard-Jones.

Jarak optimal untuk interaksi van der Waals adalah ketika atom-atom yang berinteraksi terpisah 0,3 – 0,5 Å lebih besar daripada jumlah jari-jari van der Waals-nya (didefinisikan sebagai jarak kontak minimum yang teramati antara atom-atom dalam suatu kristal). Energi interaksi van der Waals biasanya kurang dari 1 kJ mol-1. Ikatan hidrogen dihasilkan dari suatu interaksi elektrostatik antara atom hidrogen yang terikat secara kovalen pada atom elektronegatif (seperti O, N, atau S), dengan atom elektronegatif lain yang mempunyai pasangan elektron tak berikatan:

Protein

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

atas seringkali disebut potensial 6,12 Lennard-Jones.

Jarak optimal untuk interaksi van der Waals adalah ketika atom-atom yang berinteraksi terpisah 0,3 – 0,5 Å lebih besar daripada jumlah jari-jari van der Waals-nya (didefinisikan sebagai jarak kontak minimum yang teramati antara atom-atom dalam suatu kristal). Energi interaksi van der Waals biasanya kurang dari 1 kJ mol^-1. Ikatan hidrogen dihasilkan dari suatu interaksi elektrostatik antara atom hidrogen yang terikat secara kovalen pada atom elektronegatif (seperti O, N, atau S), dengan atom elektronegatif lain yang mempunyai pasangan elektron tak berikatan:

O H O C

Donor Akseptor

Meskipun atom hidrogen terikat pada gugus donor, tetapi sebenarnya atom tersebut dipakai bersama baik oleh donor maupun akseptor. Kebanyakan ikatan hidrogen yang terdapat dalam protein 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 menyumbang sekitar ~5 kJ mol-1 pada stabilitas protein dalam larutan encer. Ikatan hidrogen itu sendiri besarnya bervariasi antara 2 kJ mol^-1 sampai 7,5 kJ mol-1

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 Ikatan hidrogen –N–H···O=C– 2,0 – 7,5

Hidrofob** –CH2– ~3

*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.

Meskipun atom hidrogen terikat pada gugus donor, tetapi sebenarnya atom tersebut dipakai bersama baik oleh donor maupun akseptor. Kebanyakan ikatan hidrogen yang terdapat dalam protein 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 menyumbang sekitar ~5 kJ mol-1 pada stabilitas protein dalam larutan encer. Ikatan hidrogen itu sendiri besarnya bervariasi antara 2 kJ mol-1 sampai 7,5 kJ mol-1.

Bab Protein

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

Ikatan hidrogen –N–H∙∙∙O=C– 2,0 – 7,5

Hidrofob** –CH2– ~3

* 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 diru-muskan 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

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul

yang umum dipakai antara lain: (a) Suhu tinggi

(b) pH ekstrim

Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul 83 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 yang umum dipakai antara lain:

(a) Suhu tinggi (b) pH ekstrim

(c) Konsentrasi tinggi senyawa-senyawa seperti urea atau guanidin hidroklorida:

NH₂ C NH₂ O

NH₂ C NH₂

+NH₂Cl

-Urea _{Guanidin hidroklorida}

(d) Larutan deterjen seperti natrium dodesil sulfat, CH3(CH2)10CH2OSO3^-Na⁺

Beberapa protein dan enzim yang telah terdenaturasi sempurna oleh urea dengan jembatan disulfida yang telah tereduksi, dapat melipat kembali

(d) Larutan deterjen seperti natrium dodesil sulfat, CH₃(CH₂)₁₀CH₂OSO₃-Na+

Beberapa protein dan enzim yang telah terdenaturasi sempurna 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) me-miliki empat ikatan disulfida yang membantu stabilisasi konforma-sinya. 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, kon-formasi 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

Bab Protein

Dalam dokumen Biokimia Struktur Dan Fungsi Biomolekul (Halaman 105-110)