ASAM AMINO DAN PEPTIDA
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
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
Bab Asam Amino dan Peptida 1 M = Met = Metionin
S = Ser = Serin
V = Val = Valin Asam Amino dan Peptida
Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul 58 Gambar 2-5 Protein dibangun oleh asam amino yang dihubungkan oleh ikatan peptida
untuk membentuk rantai polipeptida. Atom karbon pusat (C-alpha) menempel pada gugus amino (NH2), gugus karboksil (COOH), atom hidrogen (H), dan rantai samping (R). Dalam rantai polipeptida gugus karboksil dari asam amino n membentuk ikatan peptida, C-N, pada gugus amino dari asam amino n + 1. Satu molekul air dihilangkan dalam proses ini. Unit-unit berulang, yang disebut residu, dibagi menjadi atom-atom rantai utama dan rantai samping. 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 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 M = Met = Metionin S = Ser = Serin Ikatan peptida
Gambar 2-5 Protein dibangun oleh asam amino yang dihubungkan oleh ikatan peptida untuk membentuk rantai polipeptida. Atom karbon
pusat (C-alpha) menempel pada gugus amino (NH2), gugus karboksil (COOH), atom hidrogen (H), dan rantai samping (R). Dalam rantai
polipeptida gugus karboksil dari asam amino n membentuk ikatan peptida, C-N, pada gugus amino dari asam amino n + 1. Satu molekul
air dihilangkan dalam proses ini. Unit-unit berulang, yang disebut residu, dibagi menjadi atom-atom rantai utama dan rantai samping. 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.
Jika lebih dari satu asam amino dimulai dengan huruf tertentu, huruf itu dipakai untuk asam amino yang paling banyak terdapat:
A = Ala = Alanin G = Gly = Glisin L = Leu = Leusin
P = Pro = Prolin T = Thr = Treonin Beberapa merupakan huruf bunyi: F = Phe = Fenilalanin R = Arg = Arginin Y = Tyr = Tirosin W = Trp = 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 = Asp = Asam aspartat N = Asn = Asparagin B = Asx = Bukan D atau N E = Glu = Asam Glutamat Q = Gln = Glutamin Z = Glx = Bukan E atau Q K = Lys = Lisin X = X = 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 Ca ke atom Ca berikutnya (lihat Gambar 2.6). Setiap atom Ca, 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
Bab Asam Amino dan Peptida menggunakan kedua alternatif penjelasan rantai polipeptida – yakni biokimia dan struktur – dan membahas protein dalam arti urutan asam amino yang berbeda dan urutan unit-unit peptida planar.
Asam Amino dan Peptida
Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul 60
yang berbeda (Gambar 2.6). Kita akan menggunakan kedua alternatif penjelasan rantai polipeptida – yakni biokimia dan struktur – dan membahas protein dalam arti urutan asam amino yang berbeda dan urutan unit-unit peptida planar.
Gambar 2-6 Bagian dari rantai polipeptida yang dibagi menjadi unit-unit peptida, digambarkan sebagai balok dalam diagram. Tiap unit peptida mengandung atom C dan gugus C’=Opada residu n dan gugus NH dan atom C pada residu n + 1. Setiap unit seperti ini adalah gugus planar
dan kaku dengan jarak ikatan dan sudut ikatan yang diketahui. R1, R2, dan R3 adalah rantai samping yang menempel pada atom C yang menghubungkan unit-unit peptida dalam rantai polipeptida. Gugus peptida berbentuk planar karena tambahan pasangan electron dari ikatan C=O didelokalisasi pada gugus peptida sehingga rotasi keliling ikatan C-N dicegah oleh suatu penghalang energi.
Karena unit-unit peptida merupakan gugus yang bersifat kaku yang terikat pada rantai oleh ikatan kovalen pada atom C , maka satu-satunya derajat kebebasan yang dimiliki yakni rotasi mengelilingi ikatan ini. Setiap unit dapat berotasi mengelilingi dua ikatan serupa: ikatan C -C’ dan ikatan N-C (Gambar 2.7). Sesuai konvensi, sudut rotasi keliling ikatan N-C disebut phi ( )
dan sudut keliling ikatan C -C’ dari atom C yang sama disebut psi ( ).
Dengan cara ini,tiap residu asam amino dihubungkan dengan dua sudut
konformasi dan . karena merupakan satu- satunya derajat kebebasan,
konformasi keseluruhan rantai utama polipeptida ditentukan apabila sudut dan untuk tiap asam amino ditentukan dengan akurasi tinggi.
Ikatan Peptida
Gambar 2-6. Bagian dari rantai polipeptida yang dibagi menjadi unit-unit peptida, digambarkan sebagai balok dalam diagram. Tiap unit-unit peptida mengandung atom Ca dan gugus C’=Opada residu n dan gugus NH dan atom Ca pada residu n + 1. Setiap unit seperti ini adalah gugus
planar dan kaku dengan jarak ikatan dan sudut ikatan yang diketahui. R1, R2, dan R3 adalah rantai samping yang menempel pada atom Ca yang menghubungkan unit-unit peptida dalam rantai polipeptida. Gugus
peptida berbentuk planar karena tambahan pasangan electron dari ikatan C=O didelokalisasi pada gugus peptida sehingga rotasi keliling
ikatan C-N dicegah oleh suatu penghalang energi.
Karena unit-unit peptida merupakan gugus yang bersifat kaku yang terikat pada rantai oleh ikatan kovalen pada atom Ca, maka satu-satunya derajat kebebasan yang dimiliki yakni rotasi mengelilingi ikatan ini. Setiap unit dapat berotasi mengelilingi dua ikatan serupa: ikatan Ca-C’ dan ikatan N-Ca (Gambar 2.7). Sesuai konvensi, sudut rotasi keliling ikatan N-Cadisebut phi (a) dan sudut keliling ikatan Ca-C’ dari atom Ca yang sama disebut psi (a).
Gambar 2-7 Diagram menunjukkan rantai polipeptida di mana atom-atom rantai utama digambarkan sebagai unit peptida kaku, dihubungkan melalui atom-atom C . Tiap unit memiliki dua derajat kebebasan; yakni bisa berotasi mengelilingi dua ikatan, ikatan C -C’ dan ikatan N-C . Sudut rotasi keliling N-C disebut phi ( ) dan keliling ikatan C -C’ disebut psi ( ). Konformasi atom-atom rantai utama ditentukan oleh nilai kedua sudut ini untuk tiap asam amino.
Residu glisin dapat membentuk berbagai macam konformasi
Kebanyakan, kombinasi sudut dan 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
Gambar 2-7 Diagram menunjukkan rantai polipeptida di mana atom-atom rantai utama digambarkan sebagai unit peptida kaku, dihubungkan melalui atom-atom Ca. Tiap unit memiliki dua derajat
kebebasan; yakni bisa berotasi mengelilingi dua ikatan, ikatan C a-C’ dan ikatan N-Ca. Sudut rotasi keliling N-Ca disebut phi (f) dan
keliling ikatan Ca-C’ disebut psi (y). Konformasi atom-atom rantai utama ditentukan oleh nilai kedua sudut ini untuk tiap asam amino.
Dengan cara ini, tiap residu asam amino dihubungkan dengan dua sudut konformasi f dan y. karena merupakan satu- satunya derajat kebebasan, konformasi keseluruhan rantai utama polipeptida ditentukan apabila sudut f dan y untuk tiap asam amino ditentukan dengan akurasi tinggi.
Bab Asam Amino dan Peptida
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 D- setiap 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 hanya mengenali dan memotong peptida yang terbuat dari D-asam 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
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 a-heliks 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.
Bab Asam Amino dan Peptida Asam Amino dan Peptida
Biokimia: Struktur dan Fungsi Biomolekul 63 yang merupakan kumpulan -heliks tangan kiri di kuadran kanan atas. -heliks tangan kiri biasanya ditemukan di daaerah loop atau di heliks putaran tunggal kecil.
Gambar 2-8 Plot Ramachandran menunjukkan kombinasi yang diperbolehkan untuk sudut konformasi phi dan psi. Karena phi ( ) dan psi ( ) menunjukkan rotasi dua unit peptida kaku mengelilingi atom C yang sama, kebanyakan kombinasi menghasilkan halangan sterik antara atom-atom dalam gugus peptida berbeda maupun antara unit peptida dengan rantai samping yang menempel pada C . Kombinasi ini tidak diperbolehkan. (a) Daerah berwarna menunjukkan daerah yang diperbolehkan secara sterik. Area yang diberi label , , dan L menunjukkan perkiraan sudut konformasi yang ditemukan untuk heliks tangan kanan, untai , dan heliks tangan kiri. (b) Nilai-nilai yang diamati untuk semua tipe residu kecuali glisin. Tiap titik menunjukkan nilai dan untuk satu residu asam amino dalam struktur sinar-x yang beresolusi tinggi. (c) Nilai yang diamati untuk glisin. Perhatikan bahwa nilai termasuk kombinasi dan
yang tidak diperbolehkan untuk asam amino lainnya.
Gambar 2-8 Plot Ramachandran menunjukkan kombinasi yang diperbolehkan untuk sudut konformasi phi dan psi. Karena phi (f) dan
psi (y) menunjukkan rotasi dua unit peptida kaku mengelilingi atom Ca yang sama, kebanyakan kombinasi menghasilkan halangan sterik antara atom-atom dalam gugus peptida berbeda maupun antara unit peptida dengan rantai samping yang menempel pada Ca. Kombinasi ini tidak diperbolehkan. (a) Daerah berwarna menunjukkan daerah yang diperbolehkan secara sterik. Area yang diberi label a, b, dan L menunjukkan perkiraan sudut konformasi yang ditemukan untuk a heliks
tangan kanan, untai b, dan a heliks tangan kiri. (b) Nilai-nilai yang diamati untuk semua tipe residu kecuali glisin. Tiap titik menunjukkan nilai f dan y untuk satu residu asam amino dalam struktur sinar-x yang
beresolusi tinggi. (c) Nilai yang diamati untuk glisin. Perhatikan bahwa nilai termasuk kombinasi f dan y yang tidak diperbolehkan untuk asam
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).