METABOLISME PROTEIN. Oleh : Tim Pengampu MK Biokimia

Transkripsi

1 METABOLISME PROTEIN Oleh : Tim Pengampu MK Biokimia

2 Outline Perkuliahan Katabolisme Protein Degradasi Protein Asam Amino Katabolisme Asam Amino Siklus Urea Anabolisme Protein Biosintesis Asam Amino Biosintesis Protein

3 Struktur primer kuartener *Primer----struktur linear rantai protein tdk ada interaksi dengan rantai yg lain ataupun antar asam amino *Sekunder struktur 2 dimensi protein terjadi folding beraturan krn ada ikatan H antara gugus2 polar asam amino dlm rantai *Tersier-----struktur 3 dimensi sederhana terjadi folding, juga interaksi gugus non-polar utk mendorong lipatan *Kuartener membentuk kompleks, gabungan bbrp rantai. E.g. hemoglobin

4 Protein memiliki beragam fungsi: Struktural Katalisator Transport Sistem pertahanan tubuh Pengendalian metabolisme (hormon) DLL

5 KATABOLISME PROTEIN

6 DEGRADASI PROTEIN MENJADI ASAM AMINO

7 DEGRADASI PROTEIN Degradasi protein (polipeptida) menjadi monomernya (asam amino) dikatalisis oleh enzim pepsin, trypsin, chymotripsin, carboxypeptidase A dan B, dan aminopeptidase. Enzim pepsin (Mr ) menghidrolisis protein pada ikatan peptida pada sisi terminal amino dari residu asam amino aromatik (Phe, Trp, dan Tyr) menghasilkan peptida lebih pendek.

8 DEGRADASI PROTEIN Selanjutnya enzim trypsin dan chymotrypsin menghidrolisis peptida hasil pemotongan enzim pepsin. Enzim peptidase (carboxypeptidases A dan B dan aminopeptidase) lebih lanjut mengkatalis pemotongan peptida pendek menjadi asam amino bebas.

9 DEGRADASI PROTEIN Degradasi protein memiliki beberapa fungsi: Menyediakan asam amino untuk biosintesis protein. Menyediakan atom nitrogen untuk sintesis senyawa yang mengandung nitrogen. Menyediakan energi melalui glukoneogenesis saat sumber karbohidrat dan lipid tidak tersedia. Menghilangkan protein yang rusak atau disintesis secara abnormal di dalam tubuh.

10 KATABOLISME ASAM AMINO

11 Asam amino yang dihasilkan dari degradasi protein, selanjutnya akan menjalani proses katabolisme. Jalur katabolisme asam amino untuk sebagian besar organisme hampir sama. Kunci katabolisme asam amino adalah pemisahan gugus amino dari karbon skeleton asam amino. Proses pemisahan gugus amino dapat melalui reaksi transaminasi dan deaminasi.

12 Ion amonium (NH 4+ ) yang dihasilkan selanjutnya digunakan sebagai bahan untuk biosintesis asam amino, nukleotida, atau memasuki siklus urea. Sementara itu, karbon skeleton akan dioksidasi menghasilkan energi (ATP) melalui siklus krebs (citric acid cycle) dan rantai transfer elektron atau diubah menjadi glukosa melalui jalur glukoneogenesis.

13 (Lehninger, 2001)

14

15 TAHAP KATABOLISME ASAM AMINO Ada dua tahap dalam katabolisme asam amino: 1.Reaksi Transaminasi 2.Reaksi Deaminasi Oksidatif

16 1. REAKSI TRANSAMINASI Pada reaksi transaminasi, gugus α-amino dipindahkan (ditransfer) dari asam amino satu kepada atom karbon α dari α- ketoglutarat menghasilkan asam α-keto. Reaksi dikatalisis oleh enzim aminotransferase atau transaminase yang membutuhkan piridoksal fosfat (PLP)/ vitamin B6 sebagai koenzimnya. Reaksi terjadi di sitosol.

17 (Lehninger, 2001)

18

19 2. REAKSI DEAMINASI OKSIDATIF Glutamat selanjutnya ditransport ke dalam mitokondria untuk menjalani tahap reaksi deaminasi oksidatif. Pada reaksi deaminasi oksidatif, gugus amino dihilangkan dari glutamat menghasilkan ion amonium (NH 4+ ). Reaksi dikatalisis oleh enzim L-glutamat dehidrogenase yang membutuhkan NAD + atau NADP +.

20

21 HUBUNGAN REAKSI TRANSAMINASI DAN DEAMINASI OKSIDATIF

22 Amonia yang dihasilkan dapat beracun bagi sel, oleh karena itu amonia bebas dikonversi terlebih dahulu menjadi senyawa tidak beracun sebelum diekspor ke hati atau ginjal. Amonia bebas direaksikan dengan glutamat menghasilkan glutamin dengan bantuan enzim glutamine synthetase. Reaksi ini berlangsung dengan dua tahap yang membutuhkan ATP sebagai sumber energi.

23 (Lehninger, 2001)

24 SIKLUS UREA

25 Jika tidak digunakan kembali untuk sintesis asam amino baru atau produk mengandung nitrogen lainnya, gugus amino akan dikeluarkan dari tubuh. Pada sebagian besar organisme air, nitrogen amino diekskresikan dalam bentuk amonia disebut organisme amonotelik. Amonia selanjutnya dibuang dan larut ke dalam air.

26 Pada manusia dan sebagian hewan lain, nitrogen amonia diubah ke dalam bentuk urea (organisme ureotelik) untuk selanjutnya diekskresikan. Pada burung dan reptil, nitrogen amino diekskresikan dalam bentuk asam urat (organisme urikotelik). Pada tanaman, semua gugus amino digunakan kembali (recyle). Ekskresi nitrogen terjadi hanya pada kondisi tidak biasa.

27 Pada organisme ureotelik, amonia dikonversi ke dalam bentuk urea melalui siklus urea. Jalur siklus urea ditemukan pada 1932 oleh Hans Krebs (yang juga penemu citric acid cycle atau siklus krebs) dan seorang mahasiswanya, Kurt Henseleit. Produksi urea terjadi di hati. Urea lalu dikeluarkan ke dalam aliran darah dan masuk ke ginjal untuk selanjutnya diekskresikan ke dalam urin.

28 Sebelum berlangsung siklus urea, dibentuk terlebih dahulu senyawa karbamoil fosfat dari ion amonium (NH 4+ ), karbonat (HCO 3+ ), dan ATP. Reaksi dikatalisis enzim karbamoil fosfat sintetase I. Reaksi terjadi dimatriks mitokondria. Karbamoil fosfat selanjutnya masuk ke tahap siklus urea. (Lehninger, 2001)

29 TAHAP SIKLUS UREA Siklus urea terdiri atas empat tahap: 1. Senyawa karbamoil fosfat mendonasikan gugus karbamoil-nya kepada ornitin membentuk sitrulin dengan melepaskan Pi. Reaksi dikatalisis enzim ornitin transkarbamoilase. 2. Senyawa sitrulin bereaksi dengan ATP membentuk senyawa antara: sitrulil-amp. Sitrulil-AMP bereaksi dengan aspartat membentuk senyawa argininosuksinat. Reaksi dikatalisis enzim argininosuksinat sintetase.

30 TAHAP SIKLUS UREA 3. Senyawa argininosuksinat selanjutnya diputus oleh enzim argininosuksinase membentuk senyawa arginin dan fumarat bebas. Fumarat bebas akan masuk ke dalam siklus krebs, sementara arginin akan menjalani tahap terakhir siklus urea. 4. Enzim arginase memotong arginin menjadi urea dan ornitin. Ornitin ditransport ke dalam mitokondria untuk kembali mengawali berlangsungnya siklus urea.

31 (Lehninger, 2001)

32 Ringkasan Katabolisme Asam Amino (Lehninger, 2001)

33

34 ANABOLISME PROTEIN

35 BIOSINTESIS ASAM AMINO

36 PENDAHULUAN Biosintesis asam amino membutuhkan nitrogen. Sumber nitrogen terpenting adalah udara. Namun hanya sedikit organisme yang dapat mengkonversi nitrogen atmosfir menjadi bentuk yang bermanfaat bagi kehidupan organisme. Organisme ini mampu memfiksasi nitrogen atmosfir dan mengubahnya menjadi NH 3 atau NH 4+.

37 PENDAHULUAN Nitrogen tereduksi dalam bentuk NH 4 + diasimilasi ke dalam bentuk asam amino. Sebagai contoh adalah sintesis glutamin dari glutamat yang dikatalisis glutamin sintetase. Enzim ini ditemukan pada semua organisme.

38 PENDAHULUAN Contoh lain adalah sintesis glutamat dari reaksi α-ketoglutarat dan NH 4+ yang dikatalisis enzim L-glutamat dehidrogenase. Enzim ini ditemukan pada semua organisme.

39 PENDAHULUAN Selain dalam bentuk NH 4+, sumber nitrogen untuk biosintesis asam amino juga diperoleh dari senyawa-senyawa antara yang dihasilkan melalui jalur: glikolisis, siklus krebs, atau pentosa fosfat.

40 (Lehninger, 2001)

41 BIOSINTESIS ASAM AMINO Jalur biosintesis asam amino diklasifikasikan ke dalam enam kelompok berdasarkan prekursor yang digunakan: 1. α-ketoglutarat 2. 3-fosfogliserat 3. Oksaloasetat 4. Piruvat 5. Fosfoenolpiruvat dan eritrosa 4-fosfat 6. Ribosa-5-fosfat

42 Biosintesis Asam Amino dari Prekursor α-ketoglutarat

43 1. Biosintesis glutamat dari α-ketoglutarat. Reaksi dikatalisis L-glutamat dehidrogenase. 2. Biosintesis glutamin dari glutamat Reaksi dikatalisis glutamin sintetase.

44 3. Biosintesis Prolin dari Glutamat Prolin merupakan turunan glutamat yang berbentuk siklik. Terdapat beberapa enzim yang terlibat dalam reaksi: glutamat kinase, glutamat dehidrogenase, dan pirolin karboksilat reduktase. Reaksi membutuhkan ATP dan NADH atau NADPH sebagai kofaktor.

45 4. Biosintesis Arginin dari Glutamat Asam amino arginin dibentuk dari glutamat melewati serangkaian jalur biosintesis, yang sebagiannya dikenal dengan siklus urea. Biosintesis arginin membutuhkan ATP sebagai sumber energi.

46 Biosintesis Asam Amino dari Prekursor 3-fosfogliserat

47 1. Biosintesis Serin dan Glisin dari 3-fosfogliserat Asam amino glisin dibentuk dari asam amino serin melalui reaksi transferasi. Asam amino serin dibentuk dari prekursor 3- fosfogliserat yang membutuhkan NAD+ sebagai penerima elektron.

48 2. Biosintesis Sistein dari Serin

49 Biosintesis Asam Amino dari Prekursor Oksaloasetat dan Piruvat

50 Alanin dan aspartat disintesis dari piruvat dan oksaloasetat melalui reaksi transaminasi glutamat. Asparagin disintesis oleh reaksi amidasi aspartat dengan glutamin sebagai donor NH + 4 Metionin, treonin, dan lisin disintesis dari aspartat. Sementara valin dan isoleusin disintesis dari piruvat. Rangkaian reaksi biosintesis asam amino ini sangat kompleks dengan melibatkan 25 molekul enzim berbeda.

51

52 Biosintesis Asam Amino dari Prekursor Fosfoenolpiruvat dan Eritrosa 4-fosfat

53 Biosintesis asam amino triptofan diawali dari pembentukan molekul dengan 7 atom karbon (sikimat) yang diturunkan dari eritrosa 4-fosfat dan fosfoenolpiruvat. Sikimat selanjutnya diubah menjadi senyawa chorismate. Chorismate dikonversi menjadi triptofan melalui serangkaian reaksi yang dikatalisis oleh beberapa enzim seperti: antranilat sintase, antranilat fosforibosiltransferase, isomerase, indol-3-gliserolfosfat sintase, dan triptofan sintase.

54

55 Biosintesis asam amino tirosin dan fenilalanin juga diawali dari pembentukan sikimat, lalu dikonversi menjadi chorismate. Chorismate selanjutnya mengalami perubahan menjadi senyawa antara prefenat. Senyawa antara prefenat dapat diubah menjadi asam amino tirosin jika dikatalisis oleh enzim prefenat dehidrogenase. Sementara itu prefenat dapat dikonversi menjadi asam amino fenilalanin jika dikatalisis oleh enzim prefenat dehidratase.

56 Enzim yang terlibat:

57 Biosintesis Asam Amino dari Prekursor Ribosa 5-fosfat

58 Asam amino histidin diturunkan dari tiga prekursor. Prekursor pertama adalah senyawa 5- Phosphoribosyl-1-pyrophosphate (PRPP) yang menyumbangkan lima atom C. Prekursor kedua adalah cincin purin dari ATP yang menyumbangkan satu atom N dan satu atom C. Prekursor ketiga adalah glutamin yang menyuplai nitrogen cincin kedua.

59

60 Untuk sintesis histidin dibutuhkan: 1 PRPP dan 1 ATP 1 H2O 1 glutamin 1 glutamat 2 NAD+ Enzim yang terlibat dalam reaksi:

61 BIOSINTESIS PROTEIN

62 PENDAHULUAN Pada hakikatnya, biosintesis protein merupakan tahap penyusunan molekul protein (polipeptida) dari monomermonomernya, yaitu asam amino. Dua puluh jenis asam amino digunakan untuk biosintesis protein. Organel sel yang terlibat dalam biosintesis protein adalah ribosom. Komponen lain yang turut berperan adalah t- RNA.

63 Asam Amino Struktur Asam Amino

64 Struktur Asam Amino

65 Ribosom Ribosom terdiri atas dua subunit: subunit kecil dan besar. Ribosom sel bakteri memiliki ukuran 70S, terdiri atas 1 subunit kecil (30S) dan 1 subunit besar (50S). Ribosom sel eukariot memiliki ukuran 80S, terdiri atas 1 subunit kecil (40S) dan 1 subunit besar (60S).

66 Subunit 30S terdiri atas: 16 srna (1.540 nukleotida) dan 21 protein. Subunit 40S terdiri atas: 18 srna (1.900 nukleotida) dan ~33 protein. Subunit 50S terdiri atas: 5 srna (120 nukleotida), 23 srna (3.200 nukleotida) dan 36 protein. Subunit 60S terdiri atas: 5 srna (120 nukleotida), 28 srna (4.700 nukleotida), 5,8 srna (160 nukleotida), dan ~49 protein.

67

68 Transfer RNA (trna) trna berukuran relatif kecil residu nukleotida. BM antara dan Mitokondria dan kloroplas mengandung trna dengan ukuran lebih kecil. Sel memiliki minimal satu macam trna untuk setiap asam amino; minimal 32 trna dibutuhkan untuk mengenali semua kodon asam amino, tetapi beberapa sel menggunakan >32 trna.

69

70 PENDAHULUAN Terdapat tiga penemuan penting dalam mendukung pemahaman terhadap biosintesis protein di dalam sel. Pertama, percobaan Paul Zamecnik dan kolega (1950-an) yang bertujuan untuk mengetahui tempat protein sel disintesis. Percobaannya menggunakan asam amino yang dilabel radioaktif lalu disuntikkan ke tikus. Hasil percobaannya berhasil mengetahui tempat berlangsungnya sintesis protein (sekarang disebut ribosom).

71 PENDAHULUAN Penemuan penting kedua dibuat Mahlon Hoagland dan Zamecnik. Mereka menemukan bahwa asam amino diaktivasi ketika diinkubasi dengan ATP dan fraksi sitosolik dari sel hati. Asam amino menjadi melekat pada molekul RNA yang sebelumnya telah ditemukan dan dikarakteristik oleh Robert Holley (saat ini disebut transfer RNA atau trna), membentuk aminoasil-trna. Enzim yang mengkatalisisnya disebut aminoasil-trna sintetase. Mahlon Hoagland

72 PENDAHULUAN Penemuan ketiga dihasilkan Francis Crick yang mengungkap bagaimana informasi genetik pada DNA dapat diterjemahkan ke dalam bentuk protein. Menurut Crick, ada asam nukleat kecil yang berperan sebagai adaptor, satu bagian molekul adaptor mengikat asam amino spesifik dan bagian lainnya mengenali urutan nukleotida (mrna) yang mengkode asam amino. Francis Crick

73 Hipotesis Adaptor Crick

74 Setiap tiga nukleotida pada mrna (disebut kodon) akan dibaca oleh molekul trna, yang sudah berikatan dengan asam amino tertentu, dengan cara memasangkan urutan kodon mrna dengan urutan antikodon pada trnanya.

75

76 BIOSINTESIS PROTEIN Biosintesis protein berlangsung dalam lima tahap: 1. Aktivasi asam amino 2. Inisiasi 3. Elongasi (pemanjangan) 4. Terminasi (pengakhiran) dan pelepasan 5. Pelipatan dan Pengolahan protein pasca translasi Setiap tahap membutuhkan komponen pendukung.

77 No TAHAP BIOSINTESIS KOMPONEN PENTING YANG DIBUTUHKAN 1 Aktivasi asam amino 20 asam amino, 20 aminoasil-trna sintetase, 32 atau lebih trna, ATP, Mg 2+ 2 Inisiasi mrna, N-formilmetionil-tRNA fmet, kodon inisiasi pada mrna (AUG), sub-unit ribosom 30S dan 50S, faktor inisiasi (IF-1, IF-2, IF-3), GTP, Mg 2+ 3 Pemanjangan Ribosom 70S fungsional (kompleks inisiasi), aminoasil-trna yang dispesifikasi oleh faktor pemanjangan kodon (EF-Tu, EF-Ts, EF-G), GTP, Mg 2+ 4 Terminasi dan Pelepasan Kodon terminasi, faktor pelepasan mrna (RF-1, RF-2, RF-3) 5 Pelipatan dan Pengolahan Pasca Translasi Enzim spesifik, kofaktor, dan komponen lain untuk penghilangan residu inisiasi, sekuen sinyal, pengolahan proteolitik, modifikasi residu terminal, pelekatan fosfat, metil, karboksil, karbohidrat, atau gugus prostetik.

78 TAHAP BIOSINTESIS PROTEIN

79 1. AKTIVASI ASAM AMINO Terjadi di sitosol. Enzim aminoasil-trna sintetase mengkatalisis reaksi esterifikasi 20 asam amino kepada trna yang sesuai membentuk aminoasil-trna. Setiap enzim aminoasil-trna sintetase spesifik untuk satu asam amino.

80

81 2. INISIASI Faktor inisiasi (IF-1 dan IF-3) terikat pada subunit 30S ribosom. Subunit 30S ribosom berikatan dengan mrna. trna yang telah mengikat residu metionin mengenali kodon AUG pada mrna. Faktor inisiasi 2 (IF-2) ikut bergabung dalam kompleks.

82 2. INISIASI Subunit 50S ribosom bergabung membentuk kompleks inisiasi dengan subunit 30S ribosom dan mrna. Dengan bergabungnya subunit 50S ribosom, faktor inisiasi (IF-1, IF-2, IF-3) dilepaskan.

83 3. PEMANJANGAN Aminoasil-tRNA yang baru bergabung dengan kompleks inisiasi. Jenis aminoasil-trna yang masuk bergabung disesuaikan dengan kesesuaian antikodon pada aminoasil-trna dengan kodon pada mrna.

84 3. PEMANJANGAN Dibentuk ikatan peptida antara asam amino pertama dan kedua. Setelah ikatan peptida dibentuk, trna pertama tidak lagi mengikat residu asam amino (terdeasilasi).

85 3. PEMANJANGAN Proses terakhir tahap pemanjangan: ribosom bergerak dari arah 5 menuju 3 mrna. trna yang tidak lagi mengikat residu asam amino akan dilepaskan. Aminoasil-tRNA berikutnya yang antikodonnya komplemen dengan kodon mrna masuk untuk melanjutkan proses pemanjangan rantai polipeptida.

86 4. TERMINASI Tahap terminasi berlangsung saat salah satu dari kodon terminasi dijumpai pada mrna (UAA, UAG, UGA). Kodon terminasi (STOP) ini tidak memiliki pasangan antikodon yang sesuai pada trna. Sehingga yang masuk ke dalam kompleks bukan aminoasil-trna yang baru melainkan faktor pelepasan (RF).

87 4. TERMINASI Masuknya RF menyebabkan terjadinya hidrolisis ikatan trna dan rantai polipeptida. Rantai polipeptida (protein) lepas dari kompeks. Kondisi ini akan menyebabkan kompleks yang terbentuk antara subunit ribosom (30S dan 50S) dan mrna berakhir. Masing-masing komponen lepas.

88 5. PELIPATAN & PASCA TRANSLASI Tahap terakhir sintesis protein adalah pelipatan rantai polipeptida menjadi bentuk tiga dimensi dan mengalami pengolahan pasca translasi agar dapat aktif secara biologi. Beberapa pengolahan pasca translasi di antaranya adalah: Modifikasi ujung amino dan karboksil Penghilangan sekuen sinyal Penambahan rantai samping karbohidrat (glikosilasi) Penambahan gugus prostetik DLL

89 Glikosilasi Protein Protein folding