Struktur dan fungsi protein

Transkripsi

1 Struktur dan fungsi protein dr. Syazili Mustofa, M.Biomed Departemen Biokimia dan Biologi Molekuler Fakultas kedokteran Universitas Lampung Protein Berasal dari kata Yunani (proteos) : yang utama >50% berat kering sel/makhluk hidup adalah protein Keutamaan dlm mencerminkan keutamaan fungsi pasti berperan sgt penting dlm. Sifat kimia & biologi protein sangat beragam # BM : bbp ratus D bbp juta D - dari larutan biasa sampai larutan koloid 1

2 - dapat dikristalkan tidak dpt dikristalkan # Kelarutan : sangat dipengaruhi ph lar. - konsep pi dan ph optimum _ pi : ph isoelektrik, ph yang muatan (+) dlm suatu mol protein = muatan (-): 1. Disbbkan o/ R aa yg membnt prot ybs 2. Pd ph=pi, kelarutan protein semata-mata dipertahankan oleh mantel air pd pi, protein sangat mudah diendapkan, cukup dengan menarik mantel air 3. Pd pemisahan dengan elektroforesis, bila ph dapar elektroforesis=pi prot, ybs tdk bergerak dalam medan listriuk elektroforesis _ ph optimum : suatu protein selalu punya fgs biologis. 1.Bila diamati/diukur pd bbg ph, fgs biologis tsb suatu ph dg akt maksimum. 2.Di luar itu (ph</>), akt biol protein tsb <, sampai 0. Kurva bbnt. Parabola 3. Juga disbbkan oleh ionisasi R yg ada pd residu aa penyusun protein. 4.Pd ph = ph opt, ionisasi R str 3 D yg tepat, sehingga prot ybs dapat menjalankan fgs - pi adalah identitas fisikokimia suatu protein sbg molekul protein - ph adalah identitas fisikokimia suatu protein dalam hubungan fungsi biologisnya. 2

3 Gabungan variasi BM dengan pi & ph opt masalah dlm isolasi & purifikasi protein dlm jangka waktu lama. Isolasi & purifikasi protein sll merupakan usaha penjelajahan (eksplorasi), yang sll mengandung ciri coba-coba, walau pun kini sudah > terarah. Selalu ada pengaruh faktor pengalaman unsur seni (arts) Definisi protein : - Kimia : protein adalah heteropolimer aa yg satu sama lain terikat dengan ikatan peptida 1.Tidak menjelaskan, bgmn heteropolimer tsb disusun dari aa yg berbeda 2.Tidak menjelaskan, bagaimana protein yang berbeda-beda disusun 3. Tidak menjelaskan bgmn protein yang sama tiap akan disintesis tidak boleh salah dlm & urutan aa - Biologi : Protein adalah senyawa yang terbentuk langsung sebagai hasil pengungkapan informasi genetik di dalam gen 1. Tidak menjelaskan komposisi kimia 3

4 2. Tidak menjelaskan, bagaimana unsur pembentuknya terikat satu sama lain 3. Tidak menjelaskan identitas senyawa penyusun protein. # Definisi Biokimia : Protein adalah heteropolimer aa, terikat satu sama lain dengan ikatan peptida & merupakan pengungkapan langsung dari informasi genetik di dalam gen. (tertulis miring: kata kunci) 1. Heteropolimer aa : a. ada >1 aa penyusun protein b. konsep aa penyusun protein & aa bukan penyusun protein ciri-ciri kimia : - gugus asam harus COOH - Harus suatu asam amino a ( -COOH dan -NH 2 terikat ke C yang sama, yaitu C a yang asimetrik) aa dg gugus asam bukan COOH (mis. sulfat, spt pd taurin) tdk pernah berada dalam suatu protein. Aa dg COOH & -NH 2 terikat di tempat berbeda, tidak pernah berada dalam protein (mis. b-alanin) 2. Ikatan peptida : ada bbp kemungkinan ikatan kovalen antar aa. - Ikatan pembentuk protein adalah ikatan peptida: ikatan kovalen yg terbentuk sbg hsl pengawahidratan COOH aa yg satu dg NH 2 aa yg lain. - Ikatan kovalen lain mgkn ada dlm suatu protein, ttp bukan pembentuk rangka utama/tlg pgg protein. Ikatan kovalen lain (mis S-S-) sgt penting u/ str 3 D &/ fgs protein tertentu 4

5 3. Pengungkapan langsung informasi genetik : - gen : unit informasi genetik dalam DNA / kromosom - Pengungkapan lgsg : hub gen dg protein 1 gen untuk 1 polipeptida (Beadle & Tatum : One gene one enzyme) bila gen u/ suatu protein tdk ada, organisme ybs tdk dpt sintesis protein tsb. - Karena prot tda aa jenis tertentu yg tdk boleh salah dalam & urutan hrs ada inf tertentu u/ tiap jenis aa kodon : unit informasi dlm gen yg menyandikan suatu aa. Ada 20 aa penyusun protein, ttp ada > 20 kodon 1 kodon menyandikan 1 aa, ttp 1 aa disandikan oleh > 1 kodon. Kodon adalah tribasa dalam asam nukleat, yang mengandung makna 1 aa., Universalisme biologis : Msk makhluk hidup sangat beragam, ada universalisme mulai dari virus sampai manusia: - Menggunakan aa yang sama u/ menyusun protein, jumlah hanya 20 jenis - Menggunakan bahasa genetik yg sama u/ mengucapkan aa tsb : kodon dg arti yang sama. - Menggunakan alat penukar E yg sama, yaitu ATP. 5

6 Struktur protein : - kompleksitas molekul protein str yg rumit, yg hrs dibagi dlm bbp pengertian / konsep : - Str. Primer, yaitu bagaimana aa disusun menurut urutan tertentu, tiap kali disintesis. - Str. Sekunder : bagaimana interaksi antara gugus bermuatan yang berdekatan dari aa yg menyusun suatu protein dan menghasilkan suatu bentuk geometris tertentu. - Str tersier : bagaimana gambaran global dari suatu protein, sebagai hasil dari str sekunder yang ada di dalamnya - Str kuaterner : khusus u/ prot yang terdiri atas bbp polipeptida, bagaimana hub antar subunit Asam amino ada 20 asam amino. Asam amino terdiri dari gugus karboksil dan gugus amino yang terikat pada atom karbon a Sebuah atom hidrogen dan sebuah rantai samping (R) juga terikat atom karbon a 6

7 Struktur 4 asam amino alifatik Prentice Hall c2002 Chapter 3 13 Proline mempunyai N pada sisitem cincin alifatiknya Proline (Pro, P) - has a three carbon side chain bonded to the a-amino nitrogen The heterocyclic pyrrolidine ring restricts the geometry of polypeptides Prentice Hall c2002 Chapter

8 Struktur asam amino Aromatik Prentice Hall c2002 Chapter 3 15 Methionine and cysteine Prentice Hall c2002 Chapter

9 Pembentukan cystine Prentice Hall c2002 Chapter 3 17 Asam amino dengan rantai samping gugus alkohol Serine (Ser, S) and Threonine (Thr, T) have uncharged polar side chains Prentice Hall c2002 Chapter

10 Structures of histidine, lysine and arginine Prentice Hall c2002 Chapter 3 19 Struktur aspartate, glutamate, asparagine dan glutamine Prentice Hall c2002 Chapter

11 Struktur primer kondensasi a-carboxyl satu asam amino dengan a-amino asam amino lainnya (hilangnya molekul H 2 O) # Str sekunder : - Interaksi ikatan kimia antara bbg gugus dari R dlm suatu protein pola-pola geometris 3 D dari suatu pggl / keseluruhan urutan aa - Pola-pola tsb disbbk o/ keberadaan aa tertentu - Str sekunder ditentukan oleh str primer - Pola tsb : heliks-a, lembar gelombang-b, tekukan,simpai (loop) & sulur sebarang (random coil) - Suatu rantai polippt yg membentuk suatu protein dpt hanya mempunyai 1 str sekunder, dapat pula > 1. 11

12 Fig The a-helix Prentice Hall c2002 Chapter 3 23 Fig Stereo view of right-handed a helix All side chains project outward from helix axis Prentice Hall c2002 Chapter

13 Fig Horse liver alcohol dehydrogenase Amphipathic a helix (blue ribbon) Hydrophobic residues (blue) directed inward, hydrophilic (red) outward Prentice Hall c2002 Chapter 3 25 Fig 4.15 b-sheets (a) parallel, (b) antiparallel Prentice Hall c2002 Chapter

14 Fig Common motifs Prentice Hall c2002 Chapter 3 27 Fig Common domain folds Prentice Hall c2002 Chapter

15 # Str tersier : - Gambaran 3 D suatu mol protein / polippt tunggal - Hanya ada 2 : globuler & fibriler - Hasil dari str sekunder dlm rantai polippt - Bila rantai polippt punya >1 str sekunder protein globuler - Bila hanya ada 1 str sekunder protein fibriler. Str sekunder tunggal tsb biasanya heliks-a saja atau lembar-b saja. - Jenis str tersier menggambarkan fgs umum dari protein ybs - Protein globuler umumnya protein regulator (enzim, mediator dlsb) - Protein fibriler biasanya protein pendukung struktur (kolagen, keratin dll) - Keberadaan suatu str sekunder di suatu penggal polippt menentukan lokasi & interaksi penggal tsb dg sesamanya atau dg mol lain - jenis str sekunder menentukan str tersier (=str 3 D) & ini menentukan fgs protein 15

16 protein Globular Biasanya larut air, padat, berbentuk lonjong. Bagian dalam Hidrofobik, bagian permukaan hyirofilik Contohnya : enzim, protein pembawa dan protein regulator Chapter 3 31 Protein Fibriler Berfungsi sebagai penyokong mekanik Sering berbentuk seperti kabel Contoh a-keratins: komponen utama rambut dan kuku Collagen: komponen utama tendon, kulit, tulang dan gigi Chapter

17 Struktur kuaterner : - Tidak semua protein punya str ini - Hanya ada pd protein yg tdda bbp polippt sbg subunit (protein oligomer) spt Hb, Ig, hormon dll - Tdk ada hub dg BM (insulin, Hb, albumin) Fig 4.25 Quaternary structure of multidomain proteins Prentice Hall c2002 Chapter

18 Fig Hemoglobin tetramer (a) Human oxyhemoglobin (b) Tetramer schematic Prentice Hall c2002 Chapter Interaksi kimia antar subunit terjadi melalui 2 kemungkinan : ikatan S-S- (Ig, insulin, hormon, toksin tetanus) atau ikatan H (Hb). - Interaksi ini sangat rentan akan perubahan aa yang langsung berkontak - Perubahan 1 aa (str primer) mengubah str sekunder & ini mengubah str tersier gangguan fgs protein ybs - Perubahan 1 aa (str primer) juga dpt mengubah titik interaksi antara polippt yg menjadi subunit suatu protein / mengganggu interaksi antar molekul (sesama protein, dg protein lain, atau dg molekul lain) - Perubahan 1 aa (=mutasi) dampak yang luas 18

19 Hubungan struktur fungsi : - Str 3 D yg tepat menjamin fgs - Contoh : FSH, insulin & Ig (Ab) - FSH kuda # FSH manusia, ttp bila salah satu disuntik dg FSH yg lain respon biologis yg sama. Hal yg sama dengan insulin & ATS - Str primer (urutan aa) kedua hormon & ab yg berasal dari kedua sumber tsb berbeda - Efek biologis sama disbb o/ pusat aktif protein tsb sama. - Pusat aktif tsb tda aa tertentu yg sama/mirip str 3 D setempat sama dpt kenali & ikat str yg menjadi sasarannya - Dapat dikatakan, bahwa urutan asam amino sebenarnya diperlukan untuk memperoleh suatu struktur yang tepat. - Urutan itu sendiri, pada dirinya sendiri sebenarnya tidak berperan apa pun. - Tampak pd campuran aa, bahkan juga pd protein denaturasi - Urutan aa adalah usaha untuk mencapai suatu struktur tertentu, dalam kondisi fisik lingkungan tertentu. - Str 3 D, dibentuk dengan cara apa pun, apa bila telah diperoleh dengan tepat, dapat menjalankan suatu fungsi biologis, meskipun tdk dpt dikendalikan. Rekayasa yg plg mdh u/ itu ialah dg gunakan ab. 19

20 Perubahan str 3 D protein dpt terjadi secara menetap sejak awal, atau sementara. # Perubahan str 3 D menetap sejak awal : - Disebabkan oleh perubahan aa di suatu tempat (mutasi) - Ok jenis aa di suatu tempat ditentukan oleh kodon, perubahan kodon - Tdk dapat dipulihkan/diperbaiki dengan cara-cara fisikokimia - Efek biologis beragam : mulai dari tidak ada (sekedar variasi aa tanpa perubahan str 3 D berarti) yaitu suatu polimorfisme, sampai kepada kelainan yang berat. # Perubahan str 3 D sementara disbb o/ pengaruh lingkungan - Sangat penting u/ jalankan fgs protein - Semua protein bekerja atas dasar perubahan str 3 D sementara ini (jelas pada enzim, mediator, efektor spt miosin dll) - Pd dsrnya, terjadi karena perubahan kondisi tk lingk molekul yg reversibel - Bila proses fgs biologis selesai dijalankan, protein kembali ke keadaan semula. - Faktor lingkungan yg sgt penting u/ perubahan str 3 D ialah ph, t o dan reaksi/ikatan kimia. 20

21 - Pengaruh ph : _ Mengubah ionisasi / muatan gugus R & gugus karbonil & imino _ Menyebabkan fenomena ph optimum _ Biasanya denaturasi yg disbbkan perubahan ph bersifat reversibel _ Menerangkan perlunya sistem dapar & mekanisme homeostasis - Pengaruh t o : _ t o menggambarkan gerak termodinamik (gerak Brown) dari molekul _ E ini melawan E ikatan kimia, t.u lemah, yg pertahankan str 3 D. Juga t o optimum _ ireversibel bila E masuk >>. - Pengaruh ikatan/reaksi kimia : _ Pengikatan gugus tambahan ke suatu bag protein (gugus R) ubah str 3 D _ Reversibel : terjadi mis a.l pd rx enzimatik, interaksi protein-ligan, protein lokomosi. Ada mekanisme u/ melepaskan diri dari ikatan kimia (+)an tsb _ Ireversibel : fisiologis terjadi pada peristiwa modulasi suatu reaksi enzimatik. Patologis terjadi pada peristiwa keracunan (logam berat, senyawa kimia lain bersifat racun seperti insektisida) 21

22 Fungsi penting protein dalam kehidupan 1. Enzim, katalis biokimia 2. Penyimpanan dan transport molekul biokimia 3. Pendukung fisik sel dan bentuk sel (tubulin, actin, collagen) 4. Pergerakan mekanik (flagella, mitosis, muscles) Chapter