Food Chemistry (de Man, 1999)

PROTEIN

1. Introduction

2. Asam Amino

3. Structure and Protein Classification.

4. Changes and Reaction :

a. Denaturation

b. Nonenzymic Browning.

5. Functional Properties.

a. Ionic Bonding

Food Chemistry

(de Man, 1999)

Asal kata dari Bahasa Greek.

 Proteios (primary, utama)  Protos (first, utama).

 suatu bahan yang menduduki tempat (posisi) utama atau pertama.

Definisi

Protein merupakan senyawa makromolekul yang tersusun atas asam amino – asam amino yang

dihubungkan melalui ikatan peptida sehingga senyawa ini disebut juga polipeptida

1. Introduction

• Komposisi proteins :

• Carbon

: 50 – 55 %

• Hydrogen : 6 – 7 %

• Oxygen

: 20 – 23 %

• Nitrogen

: 12 – 19 %

• Sulfur

: 0,2 – 3,0 %

• Asam amino primer : 20 jenis

• Sintesis protein terjadi di ribosome kemudian

beberapa asam amino dimodifikasi di sitoplasma

1. Introduction

Fungsi Protein :

(1) zat pembangun tubuh (pertumbuhan) dan

memperbaiki sel rusak

(2) media kontraksi jaringan (otot)

(3) zat cadangan (pada susu dan bijian)

(4) zat pembawa (misalnya oksigen dibawa oleh

hemoglobin dalam darah)

(5) zat pelindung (antibodi)

(6) sebagai biokatalisator (enzim)

(7) sebagai hormon

1. Introduction

• Asam amino

• Senyawa organik yang bersifat amfoter,

mengandung

gugus amino

(

NH2

),

gugus

karboksil

(

COOH

),

atom H

dan

gugus R

sebagai rantai cabang

• Peptida

• Senyawa yang terdiri dari 2 atau lebih asam

amino yang saling dihubungkan dengan ikatan

peptida (CONH)

• Protein

• Senyawa polipeptida yang tersusun atas asam

amino

2. Asam Amino

• Penyusun

protein

, termasuk

enzim

.

• Kerangka dasar sejumlah senyawa

penting dalam

metabolisme

(terutama

vitamin, hormon dan asam nukleat).

• Pengikat ion logam penting yang

diperlukan dalam dalam reaksi

enzimatik (kofaktor).

• Struktur dasar protein adalah

α - Asam Amino

yang terdiri atas

• Atom karbon α yang berikatan secara

kovalen dengan atom hidrogen, gugus

amino, gugus karboksil dan rantai samping gugus R.

2. Asam Amino

COOH NH2 C_α H R Gugus R yang membedakan struktur dan sifat asam amino satu dan lainnya

Atom C asimetris D-Amino acid COOH NH2 _{Cα H} R L-Amino acid

Stereochemistry of amino acids

Carboxyl group (acidic)

• Klasifikasi Asam Amino berdasarkan interaksinya dengan air :

• Hidrophobic (limited solubility in water, non-polar) • Aliphatic (Ala, Ile, Leu, Met, Pro, Val)

• Aromatic (Phe, Trp, Tyr)

• Hydrophilic (polar, quite soluble in water)

• Charged (Arg, Asp, Glu, His, Lys)

• Positively charged at neutral pH (Arg and Lys)  contain guanidino and amino group

• Negatively charged at neutral pH (Asp and Glu)  contain carboxyl group

• The net charge of protein is dependent on relative

number of basic and acidic amino acid residues in the protein

• Uncharged (Ser, Thr, Asn, Gln, Cys)  neutral amino acids.

Berikatan dengan air melalui ikatan hidrogen gugus hidroksil dengan air

Asam amino sendiri merupakan asam organik

yang bersifat amfoter yang mengandung gugus

amino (NH2), gugus karboksil (COOH), atom

hydrogen

dan

gugus

R

(rantai

cabang).

Ikatan peptida (--CONH--) merupakan ikatan

yang terbentuk

antara gugus alfa karboksil

suatu asam amino dengan gugus alfa amino

dari asam amino lainnya.

• Acid-base properties of amino acids

• Ampholytes (behave both as acids and bases)

2. Asam Amino

COOH H _{Cα NH3} + R COO -H _{Cα NH3} + R COO -H _{Cα NH2} R K₁ H+ K₂ - H+ Neutral Basic (-) Acidic (+) • neutral pH • dipolar ion • zwitter ion

• isoelectric point (PI), NEC = 0

pK_a1 : pH at which [COO-_{] = [COOH]}

pK_a2 : pH at which [NH₃+_{] = [NH} 2]

3. Struktur & Klasifikasi Protein

• Definisi protein : polimer yang terdiri atas asam

amino yang dihubungkan dengan ikatan peptida

• Klasisifikasi Berdasarkan Asal protein

:

• Homoprotein

:

not enzymatically modified in cells.

• Heteroprotein

(conyugated protein) :

modified or complexes covalently or non-covalently linked with non-protein components (prosthetic group)

• Nucleoproteins (ribosomes)

• Glycoprotein (ovalbumin, caseins) • Phosphoprotein (α dan β caseins) • Lipoproteins (egg yolks)

• Berdasarkan struktur

• Globular



spherical and ellipsoidal shapes. Sebagai hasil dari pelipatan rantai

polipeptidanya

• Fibrous

 rod shapes, linier polipetida (collagen, tropomyosin, keratin, elastin)

• Berdasarkan Fungsi :

• Enzyme catalyst • Structural proteins

• Contractil proteins (myosin, actin)

• Transfer proteins (serum albumin, hemoglobin) • Antibodies (immunoglobulins)

• Storage proteins (eggs, seed proteins) • Hormonal (insulin)

• Toxic (snake venom)

• Primary structure

• Struktur protein ditinjau dari urutan asam aminonya • Struktur protein yang merupakan urutan linear asam

amino yang terhubung melalui ikatan kovalen berupa ikatan peptida (ikatan amida)

• protein yang membentuk rantai lurus dan panjang sebagai untaian polipeptida tunggal

• Secondary Structure

• Struktur protein ditinjau tidak hanya pada urutan AAnya saja tapi juga dari struktur bangunnya

• Protein sudah mengalami interaksi intermolekul, melalui rantai samping asam amino. Ikatan pembentuk struktur ini didominasi oleh ikatan hidrogen antar rantai samping yang membentuk pola tertentu bergantung pada orientasi ikatan hidrogennya

• Tertiary Structure

• Struktur protein yang digambarkan kembali atas bentuk primer dan sekundernya sehingga diketahui bentuk lipatan intra molekularnya

• struktur yang dibangun oleh struktur primer atau sekunder dan distabilkan oleh interakasi hidrofobik, hidrofilik, jembatan garam, ikatan hidrogen dan ikatan disulfida (antar atom S) sehingga strukturnya menjadi kompleks

• Quaternary Structure

• Struktur protein yang terdiri atas dua atau lebih struktur tertiernya yang bergabung secara

kovalen

• hasil interaksi dari beberapa molekul protein tersier

• Ikatan peptida

• Peptida dan Ikatan peptida

3. Struktur & Klasifikasi Protein

H COO -C R₁ + H COO -C NH₃ + R₂ H CO C R₁ H COO-C NH R₂ + H₂O Ikatan peptida NH₃ + NH₃ + dipeptida

3. Struktur & Klasifikasi Protein

H CO C R₁ H CO C NH R₂ Ikatan peptida NH₃ + H CO C NH R₂ H COO-C NH R₂

N-terminal Second A.A C-terminal

3. Struktur & Klasifikasi Protein

1. Atas dasar komposisi kimia penyusun

a. Simple protein

• Tediri atas hanya asam amino (AA)

b. Conyugated protein

• Terdiri atas AA + komponen organik maupun an organik • Misalnya : Nucleoprotein  Nucleic acid + protein

Lipoprotein  Lipid + protein

Glycoprotein  Karbohidrat + protein

c. Derived protein

3. Struktur & Klasifikasi Protein

2. Atas dasar kelarutan

a. Albumin

• Larut dalam air

• Mengendap dengan (NH4)2. SO4 • Mis: egg albumin dan lactalbumin

b. Globulin

• Larut dalam garam netral • Misalnya : Actin, miosin, dll.

c. Histone

• Larut dalam air

d. Prolamine

• Larut dalam 50 – 90% etanol

e. Protamine

• Membentuk kompleks dengan asam nukleat f. Skleroprotein

3. Struktur & Klasifikasi Protein

3. Atas dasar bentuk

a. Fibrous protein (silk, wool, hair)

• Collagen • Elastin • Keratin

b. Globular protein

• Larut dalam air, asam, basa, etanol

Denaturation :

Perubahan struktur protein dari bentuk alami nya, tanpa merubah struktur primernya

Sebab-sebab : • Suhu

• Bahan Kimia (asam, basa)

4. Changes and

Reaction

4. Changes and Reaction

• Chemical reaction of functional group in amino acids and proteins

• Reaction of Amino groups  (deamination, reductive alkylation, acetylation, guanidation, etc)

• Reaction of carboxyl groups (esterification, reduction, decarboxylation)

• Reaction of Sulfhydryl groups (oxidation, blocking)

• Chemical reagents to detect amino acids

• Ninhydrin

• O-phthaldialdehyde • Fluorescamine

• Pemanasan protein dapat menyebabkan

terjadi reaksi yang diharapkan maupun yang

tidak diharapkan.

• Contoh : denaturasi, kehilangan aktivitas

enzim, perubahan kelarutan dan hidrasi,

perubahan warna, derivatisasi residu asam

amino, cross-linking, pemutusan ikatan

peptida, dan pembentukan senyawa yang

secara sensori aktif.) dan Reaksi Maillard

(interaksi protein dan gula pereduksi)

5. Sifat Fisik, Kimia & Fungsional

1. Sifat Fisik  Makromolekul

Pemisahan dengan

• Electrphoresis • Sedimentasi • Sentrifugasi

2. Sifat Kimia  Protein memiliki gugus reaktif, sehingga dapat bersifat

• Amphoter :

• Asal kata (bhs Greek) : ampho = both

• Mempunyai dua sifat berlawanan, khususnya kemampuan bereaksi sebagai asam atau basa • Dapat bereaksi dengan asam atau basa

• Dapat memberi dan menerima proton sekaligus • Mengikat ion (binding of ion)

5. Sifat Fisik, Kimia & Fungsional

• Amphoter

• Asal kata (bhs Greek) : ampho = both

• Mempunyai dua sifat berlawanan, khususnya kemampuan bereaksi sebagai asam atau basa • Dapat bereaksi dengan asam atau basa

• Dapat memberi dan menerima proton sekaligus

COOH H _{Cα NH3} + R COO -H _{Cα NH3} + R COO -H _{Cα NH2} R K₁ H+ K₂ - H+ Neutral pH < pI : • Acidic

• Cationic (+) • neutral pH_{• dipolar ion} • zwitter ion

• isoelectric point (PI), NEC = 0

pH > pI :

• Basic

5. Sifat Fisik, Kimia & Fungsional

• Isoelectric point (titik isoelectric)

• Adalah menunjukkan nilai pH dimana

AA memiliki muatan total (net electrical

charge, NEC) nol (NEC = 0) dalam satu

larutan tertentu

• Zwitter ion = dipolar ion

• Senyawa yang memiliki dua kutub yang

berlawanan

5. Sifat Fisik, Kimia & Fungsional

• Binding of Ion

• Pada pH > pI :

• Protein / AA bersifat anionik (COO

-

₎

 mengikat Cation (Ca

2+

_{, dll)}

• Pada pH < pI :

• Protein / AA bersifat cationik (NH3

+

₎

 mengikat Anion (Cl

-

_{, dll)}

• Dalam bahan pangan, terdapat

campuran berbagai protein dengan

berbagai pI  mengikat berbagai ion

5. Sifat Fisik, Kimia & Fungsional

• Hydration of protein

• Kemampuan protein dalam mengikat air • Pada gugus N (amino)

 Pada N terminal + N pada rantai peptida • Pada gugus C (karboksil)

 Pada C terminal + C karbonil rantai peptida • Negativitas N < C

• Pada pH > pI atau pH < pI  protein memiliki afinitas terhadap air lebih besar dibandingkan pd pH = pI.

• Agregat molekul air akan terbentuk pada titik polar protein

• Hydrasi protein tergantung pada : • Konsentrasi protein

• pH

• Adanya senyawa lain (kekuatan ion) • Suhu

5. Sifat Fisik, Kimia & Fungsional

• Interaksi protein dan air

• Melalui ikatan peptida dalam rantai polipeptida

• Dipole – dipole atau ikatan hidrogen

• Melalui gugus R (rantai cabang) asam amino (AA)

• Interaksi melalui ionisasi, polar dan non polar

• Kelarutan protein dalam air tergantung pada : • pH : pH > pI  protein bermuatan

-pH < pI  protein bermuatan +

pH = pI  protein netral (NEC=0) 

Dapat berinteraksi dengan air

Protein mengendap

5. Sifat Fisik, Kimia & Fungsional

• Interaksi protein dan air (lanjutan)

• Adanya senyawa lain  kekuatan ionik (µ) : • µ = ½ Σ (C_i x Z_i2_{)  C = konsentrasi ion;}

Z = valensi ion • Misal: adanya garam

pada 0,5 – 1 M  kelarutan protein naik  salting in. pada > 1 M  kelarutan protein turun  salting out

 protein mengendap karena

Interaksi : Air – garam > air – protein sehingga terjadi interaksi protein – protein.

5. Sifat Fisik, Kimia & Fungsional

• Interaksi protein dan gula  Non

enzymatic browning

• Maillard reaction :

• Jenis gula  (gugus karbonil)

• Jenis protein  (gugus amino)