BAB III KARBOHIDRAT KARBOHIDRAT
C. Tingkatan Struktur Protein
2. Struktur Sekunder Protein
Struktur tiga dimensi suatu protein yang benar diperlukan untuk fungsi yang benar. Struktur primer suatu protein adalah translasi dari informasi yang terdapat pada gen. Sekuens basa nukleotida pada gen dapat berubah karena proses mutasi. Mutasi suatu gen dapat mengakibatkan perubahan sekuens residu asam amino dari sebuah protein yang dikodenya. Dengan demikian, mutasi dapat merubah struktur primer protein. Hal ini dapat diartikan bahwa, jika dua spesies dari organime menyimpang menjadi spesies baru dalam waktu yang sangat dekat, maka perbedaan sekuens residu asam amino dari proteinnya akan sangat sedikit. Lain halnya jika mereka berbeda berjuta-juta tahun yang lalu ada banyak perbedaan dalam sekuens residu asam amino proteinnya. Sebagai akibatnya kita dapat membandingkan hubungan evolusi diantara spesies dengan membandingkan struktur primer protein yang hadir pada kedua spesies tersebut.
α-helix yang terbentuk dibandingkan kemungkinan struktur lainnya?
Sebagian jawabannya adalah bahwa struktur α-helix membuat optimal penggunaan ikatan hidrogen. Struktur ini distabilkan oleh ikatan hidrogen yang sejajar dengan sumbu helix di dalam backbone rantai tunggal polipeptida. Jika struktur α-helix mulai terbentuk dari ujung N-terminal, maka atom O pada gugus C-O dari setiap residu asam amino berikatan hidrogen dengan atom H pada gugus N-H dari residu ke-4 asam amino. Konformasi helix memungkinkan penataan linier dari atom-atom yang terlibat di dalam ikatan hidrogen. Hal ini memberikan kekuatan ikatan maksimum yang membuat konformasi helix sangat stabil. Setiap putaran helix terdapat 3,6 residu asam amino dengan panjang putaran 5,4ºA.
Dengan demikian, panjang residu asam amino pada α-helix adalah 0,15 nm.
Asam amino prolin menghasilkan bengkokan pada backbone polipeptida karena struktur sikliknya. Oleh sebab itu, asam amino prolin tidak ditemukan pada struktur helix. Pada konformasi α-helix, semua rantai samping residu asam amino terletak di luar α-helix, karena tidak cukup ruang untuk menampung rantai samping di dalam struktur helix (Gambar 87). Pada semua protein, putaran helix dari α-helix adalah putar kanan. Protein mempunyai jumlah struktur α-helix yang bervariasi dari sangat sedikit sampai 100%. Umumnya, sekitar seperempat dari semua residu asam amino di dalam suatu protein ditemukan dalam bentuk α-helix.
Sekuens residu asam amino pada polipeptida mempengaruhi kestabilan α-helix. Tidak semua residu asam amino pada polipeptida dapat membentuk struktur α-helix yang stabil. Alanin memperlihatkan kecendrungan terbesar untuk membentuk α-helix di dalam kebanyakan sistem eksperimen. Posisi dari suatu residu asam amino relatif dengan residu asam amino lainnya adalah penting. Interaksi antara rantai samping residu asam amino dapat menstabilkan atau menggoyahkan struktur α-helix. Sebagai contoh jika segmen suatu rantai polipeptida terdiri dari Glu, maka pada bagian ini tidak akan terbentuk α-helix pada pH 7. Mengapa?
Muatan negatif gugus karboksil menolak dengan kuat residu asam amino Gln yang berdekatan pada segmen ini, sebagai akibatnya mencegah pembentukan struktur α-helix. Begitu juga jika banyak
berdekatan residu Lys dan atau residu Arg. Gugus rantai samping residu asam amino ini bermutan positip pada pH 7, akibatnya residu asam amino ini mencegah pembentukan struktur α-helix.
Jumlah yang melimpah dari residu Asn, Ser, Thr dan Cys dapat mendestabilkan sebuah struktur α-helix, jika residu asam amino tersebut berdekatan di dalam rantai polipopeptida.
a b
Gambar 87. Struktur α-helix (a) dilihat dari Samping (b) dari Atas (Nelson et al., 2008:118)
β-Sheet
Pada tahun 1951, Pauling dan Corey memperkirakan tipe struktur sekunder protein yang kedua yaitu konformasi β. Pada konformasi β, rantai polipeptida saling berdekatan bahkan dengan rantai polipeptida yang lain. Penataan atom pada konformasi β, rantai polipeptida yang saling berdekatan tersebut dinamakan β-sheet. Bagian rantai polipeptida yang hampir sepenuhnya teregang
membentuk β-sheet dimanakan β strand. Panjang masing-masing residu pada β strand sekitar 0,32 sampai 0,34 nm, sebaliknya panjang residu asam amino pada α-helix adalah 0,15 nm. Ketika β strand terdiri dari banyak bagian ditata samping ke samping, kumpulan β strand membentuk β-sheet. Bagaimanapun juga β-sheet distabilkan oleh ikatan hidrogen antara oksigen karbonil dan hidrogen amida pada β strand yang berdekatan. Dengan demikian, daerah struktur β hampir selalu ditemukan di dalam bentuk sheet. Oleh sebab itu dinamakan struktur β-sheet.
β strand yang berikatan hidrogen dapat pada untai polipeptida yang terpisah atau pada segmen yang berbeda dari untai yang sama. β strand dalam β-sheet dapat paralel (arah ujung-C atau ujung-N sama) atau antiparalel (arah ujung-C atau ujung-N berlawanan). Ketika β strand antiparalel, ikatan hidrogen hampir tegak lurus dengan untai polipeptida yang teregang. Sebagai catatan bahwa β-sheet antiparalel, oksigen karbonil dan atom hidrogen amida dari satu residu membentuk ikatan hidrogen dengan hidrogen amida dan oksigen karbonil dari residu tunggal pada untai lainnya. Pada penataan β-sheet paralel, ikatan hidrogen tidak tegaklurus dengan untai yang diregangkan dan setiap residu asam maino membentuk ikatan hidrogen dengan gugus karbonil dan amida dari dua residu berbeda pada untai yang berdekatan.
Gambar 88 memuat struktur β-sheet antiparalel dan Gambar 89 memuat struktur β-sheet paralel.
Ikatan hidrogen antara rantai peptida pada β-sheet menghasilkan struktur zigzag berulang. Oleh sebab itu, diistilahkan
‘pleates sheet’ (lembaran berlipat) lengkapnya β-pleates sheet. Sebagai catatan, ikatan hidrogen adalah tegak lurus dengan arah rantai peptida, tidak paralel seperti pada α-helix. Gugus R dari residu asam amino berdekatan menonjol dari struktur zigzag pada arah berlawanan. Panjang pengulangan pada konformasi β-sheet paralel adalah 6,5Aº, sedangkan pada β-sheet antiparalel adalah 7Aº.
Beberapa struktur protein memiliki struktur β-sheet tergantung pada jenis residu asam aminonya. Ketika dua atau lebih β-sheet berlapis bersama di dalam suatu protein, gugus R dari residu asam amino mengarah ke permukaan harus relatif kecil.
Gambar 88. Penataan Ikatan Hidrogen pada β-sheet Antiparalel, Nampak Atas dan Nampak Samping
(Nelson et al., 2008:120)
β sheet paralel kurang stabil dibandingkan β-sheet antiparalel, karena kemungkinan ikatan hidrogen terdistorsi pada penataan paralel. β-sheet kadang-kadang dinamakan β-pleated sheet karena gugus peptida saling bertemu planar pada sudut seperti sebuah harmonika tangan atau seperti lipatan kipas dari kertas. Sebagai akibatnya gugus rantai samping terletak di atas atau di bawah bidang sheet.
Gambar 89. Penataan Ikatan Hidrogen pada β-sheet Paralel, Nampak Atas dan Nampak Samping
(Nelson et al., 2008:120)
Sebuah β-sheet mengandung 2 sampai 15 β strand. Setiap β strand mempunyai rata-rata 6 residu asam amino. Gambaran dua β strand dari sebuah β sheet diperlihatkan pada Gambar 90. Rantai samping residu asam amino mengarah ke kiri dan kanan dari β strand tersebut. Pada gambar tersebut hanya rantai samping pada β strand yang di depan yang diperlihatkan. Pada kebanyakan protein, β strand terletak pada posisi yang berbeda dari rantai protein dan akan membentuk β-sheet ketika protein membentuk konformasi tersier. Kadang-kadang struktur quartener memberikan sejumlah besar struktur β-sheet. Beberapa protein hampir keseluruhan merupakan β-sheet, tetapi kebanyakan protein mempunyai sejumlah kecil β strand.
Gambar 90. Gambaran Dua β strand pada Sebuah β-sheet Antiparalel dari Neuraminidase Virus Influenza (Moran et al., 2012:98)
Loop dan Turn
Loop dan turn menghubungkan α-helix dan β-sheet yang memungkinkan rantai polipeptida melipat dan menghasilkan bentuk tiga dimensi dalam struktur nativenya. Sebanyak sepertiga dari residu asam amino pada protein ditemukan struktur nonrepetitif seperti loop dan turn. Loop sering mengandung residu asam amino hidrofilik dan biasanya ditemukan pada permukaan protein dimana residu tersebut diekspos ke pelarut dan membentuk ikatan hidrogen dengan air. Beberapa loop terdiri dari banyak residu asam amino dari struktur nonrepetitif. Sekitar 10% residu dapat ditemukan daerah demikian. Polimer glycine cendrung membentuk struktur coil.
Loop mengandung hanya sedikit (sampai 5) residu asam amino yang direfer sebagai turn jika urutan tersebut menyebabkan perubahan mendadak dalam arah dari sebuah rantai polipeptida.
Tipe yang paling umum dari turn ketat dinamakan reverse turn (berputar balik). Reverse turn dinamakan juga β-turn karena reverse turn sering menghubungkan untai β antiparalel yang berbeda. Ingat
kembali pembentukan β-sheet, polipeptida harus melipat agar dua atau lebih daerah dari β strand berdekatan satu dengan lainnya.