BAB III KARBOHIDRAT KARBOHIDRAT
D. Protein Globular: Myoglobin dan Hemoglobin
Protein globular sering mengandung beberapa tipe struktur sekunder. Sifat dan fungsi protein ini juga berbeda. Protein globular larut di dalam air, sedangkan protein fibrous tidak larut di dalam air. Struktur yang menyediakan support, bentuk dan proteksi eksternal vertebrata dibuat dari protein fibrous, sedangkan kebanyakan enzim dan protein transport merupakan protein globular. Marilah kita pelajari lebih dekat struktur protein globular.
Protein globular yang telah banyak dipelajari strukturnya adalah myoglobin dan hemoglobin. Kedua protein ini melakukan fungsi biologi mengikat molekul oksigen secara selektif dan reversibel.
nitrogen dari protoporphyrin IX. Cincin porphyrin menyediakan 4 dari 6 ligan yang mengelilingi atom besi.
Gambar 97. Struktur Kimia Gugus Heme Fe(II)-photoporphyrin IX pada Myoglobin dan Hemoglobin
(Moran et al., 2012:122,Campbell et al., 2006:100)
Myoglobin adalah anggota famili protein yang dinamakan globin. Struktur tersier myoglobin memperlihatkan bahwa pada protein ini terdapat 8 bagian daerah α-helix yang ditandai dengan huruf A sampai H dan tidak mempunyai daerah β-sheet (Gambar 98). Bagian α-helix ini dihubungkan oleh loop dan turn. Sekitar 75%
residu asam amino pada myoglobin ditemukan di daerah α-helix.
Ikatan hidrogen pada backbone polipeptida menstabilkan daerah α-helix, rantai samping asam amino juga terlibat dalam ikatan hidrogen. Rantai samping dari residu asam amino polar mengarah ke luar molekul myoglobin. Pada bagian interior protein mengandung hampir semuanya residu asam amino nonpolar khususnya yang hidrofobik tinggi seperti valin, leusin, isoleusin, penilalanin dan metionin. Dua residu histidin polar (posisi His E7 dan His F8) ditemukan pada interior molekul. Rantai samping residu asam amino ini dilibatkan pada interaksi dengan gugus heme
dan pengikatan oksigen (Gambar 98). Dengan demikian residu asam amino ini memainkan peran penting pada fungsi molekul myoglobin.
Hadirnya gugus heme mempengaruhi konformasi polipeptida.
Apoprotein (polipetida tanpa gugus prostetik heme) tidak dilipat erat sebagai molekul yang sempurna.
a b
Gambar 98. (a). Heme Mengikat O2, (b). Struktur Tersier Myoglobin (Voet et al., 2012:246, Campbell et al., 2006:100)
Pada vertebrata, molekul O2 diikat hemoglobin untuk ditranspor dalam sel darah merah, atau eritrosit. Pada sebuah eritrosit manusia berisi sekitar 3 x 108 molekul hemoglobin.
Hemoglobin lebih kompleks dibanding myoglobin karena hemoglobin merupakan protein multisubunit. Hemoglobin merupakan tetramer dari empat subunit polipeptida yaitu dua sub unit α-globin dan dua sub unit β-globin. Dengan demikian struktur keseluruhan hemoglobin ditulis α2β2 (Gambar 99).
Struktur tersier α-globin, β-globin dari hemoglobin adalah sangat mirip dengan struktur tersier myoglobin. Panjang rantai α-globin adalah 141 residu asam amino, sedangkan rantai β-α-globin adalah 146 residu asam amino. Sebagai perbandingan panjang
rantai myoglobin adalah 153 residu asam amino. Kebanyakan asam amino dari rantai α-globin, rantai β-globin pada hemoglobin dan myoglobin adalah homologous yang berarti bahwa residu asam amino sama pada posisi yang sama. Setiap subunit pada 4 globin dari hemoglobin mengandung gugus protetik heme yang identik seperti yang terdapat pada myoglobin. Oleh sebab itu, struktur tersier dari α-globin, β-globin dari hemoglobin hampir identik dengan myoglobin (Gambar 100). Pada hemoglobin, rantai α-globin mempunyai tujuh α-helix dan rantai β-globin mempunyai delapan α-helix. Setiap rantai α berinteraksi secara luas dengan rantai β mengakibatkan hemoglobin seperti sebuah dimer dari subunit αβ.
Dengan demikian, setiap molekul hemoglobin memiliki 4 gugus prostetik heme. Gugus heme ini berfungsi untuk mengikat oksigen.
Berapa buah molekul oksigen yang dapat diikat oleh setiap molekul hemoglobin?
Gambar 99. Struktur Quartener Hemoglobin (Campbell et al., 2006:104)
Setiap molekul myoglobin mengikat satu molekul oksigen.
Empat molekul oksigen dapat berikatan dengan satu molekul hemoglobin. Hemoglobin dan myoglobin mengikat oksigen secara reversibel, tetapi pengikatan oksigen pada hemoglobin memperlihatkan positive cooperativity, sebaliknya pengikatan oksigen pada myoglobin tidak. Positive cooperativity berarti bahwa ketika satu molekul oksigen diikat, ia menjadi ‘casier’ (kunci) untuk
pengikatan molekul oksigen berikutnya. Pengikatan molekul oksigen pertama memudahkan pengikatan oksigen kedua, selanjutnya memudahkan pengikatan molekul ketiga dan keempat.
Proses pengikatan seperti ini diistilah sebagai “cooperative binding”.
Gambar 100. Struktur Tersier α-globin (biru), β-globin (ungu) dan Myoglobin (hijau)
(Moran et al. 2012:123)
Myoglobin mempunyai fungsi penyimpan oksigen di dalam otot. Myoglobin harus berikatan kuat dengan oksigen pada tekanan yang sangat rendah. Myoglobin 50% jenuh pada tekanan parsial oksigen 1 torr. Fungsi hemoglobin adalah pembawa oksigen.
Hemoglobin harus dapat mengikat oksigen dengan kuat dan melepaskan oksigen dengan mudah tergantung kondisi. Pada paru-paru (dimana hemoglobin harus mengikat oksigen untuk ditransport ke jaringan), tekanan oksigen adalah 100 torr. Pada tekanan ini hemoglobin 100% jenuh dengan oksigen. Pada kapiler dari otot yang aktif, tekanan oksigen adalah 20 torr. Pada keadaan ini hemoglobin kurang 50% jenuh dengan oksigen (hemoglobin 50%
jenuh oksigen terjadi pada 26 torr). Dengan kata lain, hemoglobin
memberikan oksigen dengan mudah di dalam kapiler, dimana oksigen dibutuh kan besar.
Perubahan struktur selama pengikatan molekul kecil adalah karakteristik dari protein allosterik seperti molekul hemoglobin.
Hemoglobin mempunyai bentuk struktur quartener yang berbeda ketika sedang mengikat oksigen (teroksigenasi) dan tidak mengikat oksigen (deoksigenasi). Kedua struktur ini dimuat pada Gambar 101. Dua rantai-β lebih rapat satu sama lain pada hemoglobin teroksige-nasi dibandingkan pada hemoglobin deoksigenasi.
Perubahan ini ditandai pada dua bentuk hemoglobin yang mempunyai struktur kristal yang berbeda. Dengan demikian, hemoglobin mempunyai struktur quartener yang berbeda ketika mengikat oksigen dan tidak mengikat oksigen.
A B
Gambar 101. Hemoglobin Manusia. (a). Deoksinasi Hemoglobin (b). Oksigenasi Hemoglobin
(Voet et al., 2011:334-335)
Perubahan struktur quartener hemoglobin dapat menurunkan fungsinya sebagai pengikat molekul oksigen. Hal ini dapat diamati pada hemoglobin sel sabit yang penyakitnya dikenal sebagai anemia sel sabit. Anemia sel sabit adalah penyakit genetik manusia yang pertamakali muncul di daerah tropis Barat dan Afrika tengah.
Individu ini menghasikan hemoglobin yang termutasi yang dikenal sebagai hemoglobin sel sabit (Hb S). Nama anemia sel sabit muncul
karena sel darah merah seperti “sabit”. Sel “sabit” tidak dapat melewati kapiler kecil, akibatnya merusak banyak organ khususnya tulang dan ginjal yang dapat mengakibatkan kematian.
Hemoglobin sel sabit berbeda dari hemoglobin normal hanya oleh asam amino tunggal. Sebuah valin (asam amino hydrophobik) pada rantai-β dari hemoglobin sel sabit telah menggantikan sebuah asam glutamat (asam amino bermuatan negatif) pada posisi ke-6.
Substitusi ini menyebabkan pengikatan molekul hemoglobin S ke molekul hemoglobin S lainnya ketika oxyhemoglobin S melepaskan oksigennya. Molekul berassoasiasi abnormal satu sama lain membentuk agregat fibrous panjang yang merupakan karakteristik hemoglobin S ini (Gambar 102). Molekul-molekul ini berikatan seperti jaringan polimer panjang. Hal ini terjadi karena valin cocok masuk ke kantong hidrofobik pada permukaan dari molekul deoxyhemoglobin S kedua.
Gambar 102. Pembentukan Agregat Fibrous dari Hemoglobin S (Nelson et al., 2008:169)