METABILISME PROTEIN

Nama protein pertama kali diusulkan oleh ahli kimia Swedia, Berzelius.  Protein berasal dari bahasa Yunani, protios, yang berarti bahan penyokong yang pertama.

Protein merupakan komponen utama dalam semua sel hidup. Fungsi utamanya sebagai unsur pembentuk styruktur sel, misalnya dalam rambut, wol, kolagen, jaringan penghubung, membran sel dan lain-lain. Selain itu dapat pula berfungsi sebagai protein yang aktif seperti enzim yang berperan sebagai katalisator segala proses biokimia dalam sel. Protein aktif selain enzim yaitu hormon, hemoglobin, protein yang terikat pada gen, toksin, anti bodi atau anti gen dan lain-lain.

Protein adalah rangkaian atau polimer dari sejumlah asam amino. Asam amino adalah molekul organik kecil yang pada umumnya terbuat dari karbon, hidrogen, oksigen, dan nitrogen. Protein dibuat dari suatu pool yang terdiri dari 20 asam amino yang berbeda. Ratusan atau ribuan asam amino dirangkai dengan suatu urutan tertentu untuk membentuk rantai asam amino.

Fungsi protein dimungkinkan karena struktur tiga dimensinya yang unik. Dengan strukturnya yang unik suatu molekul protein dapat melakukan interaksi dengan molekul lainnya sehinnga dapat berfungsi sebagai molekul pengatur dalam suatu ekspresi gen atau transmisi genetik menjadi fenotipik. Jadi, suatu protein sangat tergantung pada kemampuannya untuk mengikat atau berpasangan dengan molekul lainnya untuk menjalankan fungsinya. Kemampuan tersebut ditentukan oleh struktur tiga dimensinya.

Bila asam amino dirakit menjadi suatu rantai protein, rantai tersebut segera melipat membentuk suatu struktur yang secara energetik paling relaks atau yang bentuknya paling stabil. Bentuk yang secara energetik paling stabil ditentukan oleh interaksi tiap-tiap asam amino yang membentuk protein tersebut. Oleh karena itu, jenis asam amino dan urutannya dalam rantai protein akan menentukan struktur tiga dimensi molekul protein yang terbentuk. Urutan asam amino dalam suatu rantai protein sangat penting menentukan fungsi protein tersebut. Dengan 20 macam asam amino yang berbeda, diperoleh jumlah dan urutan yang berbeda-beda sehingga dihasilkan protein-protein unik yang hampir tidak terbatas jumlahnya. Keragamn ini sangat menguntungkan mengingat berbagai ragam fungsi yang dilakukan oleh protein.

Semua organisme merupakan kumpulan dari sejumlah protein dan segala aktivitasnya. Fungsi protein tergantung pada struktur tiga dimensinya, yang pada gilirannya ditentukan oleh sekuen asam amino penyusun protein tersebut. Jadi, DNA menentukan karakteristik suatu organisme karena DNA menentukan sekuen asam amino dari semua protein pada suatu organisme.

DNA mengandung sandi genetik untuk tiap asam amino yang ditampilkan masing-masing dari sekuen tiga pasang basa. Ketiga basa (triplet) ini disebut kodon. Urutan kodon pada suatu sekuen DNA mencerminkan urutan asam amino yang akan dirakit menjadi suatu rantai protein. Satu bagian sekuen DNA lengkap yang mampu menentukan sekuen asam amino suatu protein atau molekul r RNA dan tRNA disebut gen, yaitu satuan hereditas yang didefinisikan oleh para ahli genetika klasik. Semua gen dan sekuen DNA yang dimiliki oleh suatu organisme disebut genom.

1.      Sintesis Protein

Proses sintesis protein dari sandi genetik melibatkan beberapa langkah. DNA pada dasarnya adalah penyimpan informasi yang pasif, mirip denga cetak biru (blue print) untuk denah rumah. Aktivitas pembuatan protein terjadi pada suatu situs khusus dalam sel yang disebut ribosom. Oleh karena itu, langkah pertama dalam sintesis protein adalah menyampaikan informasi dari DNA ke ribossom. Untuk melakukan hal ini enzim-enzim seluler membuat salinan kopi gen sehinnga dapat dibaca oleh ribosom. Salinan kopi gen ini disebut RNA duta (messennger RNA = mRNA). mRNA membawa sandi genetik yang dipakai langsung untuk sintesis protein di ribosom. Tahap ini disebut dengan tahp transkripsi. Dalam tahap berikutnya kodon pada mRNA harus dapt dikorelasi dengan asam amino yang seharusnya. Tahapan ini dilakukan molekul RNA lain, yaitu RNA transfer, (transfer RNA = tRNA) yang dikenal dengan tahap translasi.  Akhirnya asam amino harus disambungkan untuk membentuk rantai protein fungsional (tahap sintesis). Ribosom yang terdiri dari RNA dan protein, melakukan fungsi tersebut. Bila rantai protein sudah lengkap, suatu tanda berhenti (stop sign) mempengaruhi ribosom sehingga ribosom melepas protein baru tersebut ke dalam sel.

a.       Transkripsi.

Transkripsi adalah sintesis RNA secara enzimatik dengan menggunakan DAN sebagai cetakan. Untuk transkripsi suatu gen, hanya salah satu rantai DNA yang digunakan sebagai cetakan atau templat. Transkripsi dikatalis oleh enzim RNA polimerase. Sintesis RNA selalu bergerak ke satu arah, yaitu dari ujung 5’ ke ujung 3’ dari molekul RNA.

Untuk menginisiasi transkripsi, RNA polimerase berikatan pada suatu daerah di DNA yang disebut promoter. Promoter terletak disebelah hulu (ke arah5’) dari gen. Perbedaan urutan nukleotida dari promoter berbagai gen menyebabkan perbedaan tingkat efisiensi dan regulasi dari inisiasi transkripsi gen-gen tersebut.

Setelah RNA polimerase terikat pada promoter DNA, kedua rantai DNA dipisahkan dan RNA polimerase memulai sintesis RNA di tempat inisiasi. Tempat ini disebut sebagai posisi +1. RNA polimerase menambahkan ribonukleotida ke ujung 3’dari rantai RNA yang sedang disintesis. Hal ini dilakukan dengan bergerak dari ujung 3’ ke arah 5’ dari rantai DNA cetakan., sambil memisahkan bagian rantai ganda DNA yang dilaluinya. Dengan demikian ribonukleotida dapat berpasangan dengan DNA cetakan dan ditambahkan pada ujung 3’ RNA dengan pembentukan ikatan fosfodiester. Heliks ganda akan terbentuk kembali setelah RNA polimerase lewat.

b.      Translasi

Translasi merupakan proses sintesis protein di dalam sel. Sebelum sintesis protein dimulaio, setiap jenis tRNA berikatan dengan asam amino spesifik. Reaksi ini dikatalis oleh enzim aminoasil tRNA sintetase bersama dengan ATP, sehingga terbentuk aminoasil tRNA. Pada tRNA terdapat antikodon yang akan berpasangan dengan kodon yang terdapat pada mRNA. Setiap macam aminoasil tRNA sintetase akan menggabungkan asam amino tertentu pada tRNA yang spesifik. Pada tRNA inisiator, tRNA terikat pada asam amino metionin yang termodifikasi, yaitu N-formilinetionin. Proses sintesis protein terdiri dari tiga tahap yaitu:

1)      Inisiasi                    : proses penempatan ribosom pada suatu molekul mRNA

2)      Elongasi      : proses penambahan asam amino

3)      Terminasi    : proses pelepasan protein yang baru disintesis

Pada sintesis protein sel prokariot, prosaes inisiasi memerlukan sub unit kecil (30S) dan sub unit besar (50S) ribosom, mRNA, tiga faktor inisiasi (IF, IF dan IF) dan GTP. IF dan IF mula-mula terikat pada sub unit kecil ribosom, kemudian IF dan GTP bergabung. Kompleks sub unit kecil ini terikat pada mRNA di tempat pengikatan ribosom yang terletak 8 – 13 nukleotida sebelum hulu kodon inisiasi Aug kemudian bergerak sepanjang mRNA ke arah hilir sampai menemukan kodon inisiasi. Setelah pengikatan sub unit kecil ribosom pada kodon inisiasi, tRNA inisiator dapat terikat pada kodon inisiasi dan melepaaskan IF sehingga terbentuk kompleks inisiasi 30S, melepaskan IF, IF, GDP dan fosfat sehingga terbentuk inisiasi 70S.

Proses elongasi melibatkan tiga faktor elongasi (EF – Tu, EF – Ts, EF – G0, GTR, aminoasil tRNA dan kompleks inisiasi 70 S. Proses elongasi terdiri dari tiga tahap:

1)      Aminoasil tRNA membentuk kompleks denagn EF-Tu dan GTP, terikat pada “A-site” di ribosom dengan melepaskan EF-Tu – GDP. EF-Tu – GTP dapat berubah lagi menjadi EF-Tu – GTP dengan bantuan EF-Ts dan GTP.

2)      Enzim transferase peptidil yang terdapat pada ribosom membenyuk ikatan peptida antara dua asam amino yang berdampingan.

3)      Enzim translokase (EF-G) dengan energi GTP menggerakkan ribosom sejauh satu kodon sepanjang mRNA sehingga tRNA pada “P-site” lepas dan tRNA pada “A-site” pindah ke “P-site”.

Proses elongasi rantai peptida berjalan terus sampai ribosom mencapai suatu kodon stop.

Proses terminasi melibatkan tiga faktor pelepas (“release faktor”, RF, RF dan RF). RF atau RF dapat mengenal kodon stop dan denagn bantuan RF menyebabkan trasnsferase peptidil melepaskan rantai polipeptida dari tRNA. Faktor-faktor pelepas membantu pelepasan kedua sub unit ribosom dari mRNA.

2.      Ciri-ciri Molekul Protein

Beberapa ciri utama molekul protein yaitu:

a.       Berat molekulnya besar, yang merupakan suatu makromolekul

b.      Umumnya terdiri dari 20 macam asam amino, yang membentuk suatu rantai polipeptida yang berikatan satu dengan yang lain. Ikatan peptida merupakan ikatan antara α-karboksil dari asam amino yang satu dengan gugus α-amino dari asam amino yang lainnya.

c.       Terdapatnya ikatan kimia yang lain yang menyebabkan terbentuknya lengkungan-lengkungan rantai polipeptida menjadi struktur tiga dimensi protein. Sebagai contoh misalnya ikatan hidrogen dan ikatan hidrofob.

d.      Strukturnya tidak stabil terhadap beberapa faktor seperti pH, radiasi, temperatur, dan sebagainya.

e.       Umumnya reaktif dan sangat spesifik, yang disebabkan terdapatnya gugus samping yang reaktif dan susunan khas struktur makromolekulnya.. bberapa gugus samping yang biasa terdapat diantaranya gugus kation, anion, hidroksil aromati, hdroksil alifatik, amin, amida, tiol, dan gugus heterosiklik

3.      Klasifikasi Asam Amino

Berdasarkan sifat kekutuban (polarity) gugus R, asam amino dibagi menjadi 4 golongan yaitu:

a.       Asam amino dengan gugus R yang tak mengutub. Golongan ini terdiri dari 5 asam amino yang mengandung gugus R alifatik (alanin, lesin, isolesin, valin, dan prolin), 2 dengan R aromatik (fenilalanin dan triptofan), dan 1 mengandung atom sulfur (metionin).

b.      Asam amino dengan gugus R mengutub tak bermuatan. Lebih mudah larut dalam air karena gugus R mengutub dapat membentuk ikatan hidrogen dengan molekul air. Kekutuban serin, treonin, dan tirosin disebabkan oleh gugus hdroksil, asparagin dan glutamin oleh gugus amida, dan sistein oleh gugus sulfhidril (-SH).

c.       Asam amino dengn gugus R bermuatan negatif (asam amino asam). Golongan ini bermuatan negatif pada pH 6,0-7,0 dan terdiri dari asam aspartat dan asam glutamat yang masing-masing mempunyai dua gugus karboksil.

d.      Asam amino dengan gugus r bermuatan positif (asam amino basa). Golongan asam amino ini bermuatan positif pada pH 7,0 yang terdiri dari lisin, arginin yang mengandung gugus basa lemah.

4.      Sifat Asam Basa Asam Amino

Di dalam larutan netral asam amino selalu ada dalam bentuk ion berkutub (zwtterion) yang dapat ditunjukkan dengan konstanta elektrik dan momen dwikutub yang tinggi karena adanya pemisahan muatan positif dan negatif dalam bentuk ion berdwikutub.

Semua asam amino yang didapat barasal dari hidrolisis protein kecuali glisin, memiliki sifat aktif optik yaitu dapat memutar bidang polarisasi cahaya bila diperiksa dengan polarimeter. Reaksi khas asam amino disebabkan oleh adanya gugus α-karboksil, α-amino dan gugus yang terdapat pada rantai samping (R).

5.      Struktur dan Sifat Peptida

Peptida mengandung 2,4 atau 4 asam amino, sehingga dapat disebut dipeptida, tripeptida, dst. Peptida didapatkan dari hidrolisis rantai panjang protein.  Peptida mempunyai pH isoelektrik. Reaksi kimia peptida disebabkan oleh adanya gugus ujung NH2 dan –COOH, dan gugus R yang dapat berionisasi.

Penamaan peptida didasarkan pada komponen asam aminonya. Urutan dimulai dar rantai N-ujung.   Uji peptida ini dapat dilakukan dengan uji buret, yaitu reaksi yang terjadi antara peptida atau protein dengan CuSO4 dan alkali,yang menghasilkan warna ungu.  Pemisahan atau analisis peptisa biasa dikerjakan dengan kromatografi penukar –ion atau elekrtroforesis kertas.

6.      Analisis Asam Amino pada Peptida

Penentuan urutan asam amino dapat dlakukan dengan cara Hidrolisis sempurna. Hidrolisis dengan HCl 6N pada suhu 100 -120 celcius selama 10 - 24 jam memeberikan hasil terbaik, kecuali pada triptopan yang mengalami kerusakan pada suasana asam kuat, juga gugus amida pada glutamin dan asparagin akan pecah menghasilkan asam glutamat, asam aspartat, dan ion amoninum.

Banyaknya amonia pada hidrolisat dapat ditentukan untuk mengetahui kadar amida yang terdapat pada protein. Hidrolisis dengan alkali menyebabkan kerusakan pada sistein, sistin, serin dan treonin.

Penentuan urutan asam amino dalam Polipeptida didasarkan pada cara sanger untuk penentuan urutan asam amino dalam protein insulin yang bebas dari kontaminasi. Cara bertingkat yang dilakukan sebagai  berikut:

a.       Penentuan asam amino C-ujung dan asam amino N-ujung.

b.      Pemutusan rantai plipeptida menjadi fragmen peptida dengan rantai yang lebih pendek  dengan enzim tripsin fragmen peptida. Kemudian fragmen tersebut dipisahkan satu dari yang lain dengan cara elektroforesis atau kromatografi. Tiap fragmen peptida dihidrolisis sempurna dan asam amino ditentukan.

c.       Asam amino C-ujung dan asam amino N-ujung tiap fragmen peptida yang didapat dari no 2 ditentukan, sehingga urutan asam amino tiap fragmen peptida (dipeptida atau tripeptida) dapat ditentukan.

d.      Fragmen peptida yang lebih panjang dari tripeptida, ditentukan urutan asam amino dengan cara edman, yaitu dengan pereaksi fenilisotisianat.

e.       Diambil polipeptida asal dan pemotongan rantai menjadi fragmen diulangi lagi, tetapi dengan mempergunakan enzim lain, misalnya kimotripsin atau pepsin. Kimotripsin menghidrolisis ikatan peptida yang gugus karboksilnya berasal dari asam amino fenilalanin, triptofan atau tirosin. Pepsin menghidrolisis ikatan peptida yang gugus aminonya berasal dari  asam amino fenilalanin, triptofan, tirosin, lesin, asam aspartat, asam glutamat.

f.        Dibandingkan komposisi asam amino dan asam amino N-ujung serta C-ujung dari fragmen yang dihasilkan kedua cara hidrolisis tersebut, maka urutan yang benar sisa asam amino dalam polipeptida asal dapat ditentukan.

7.      Organisasi struktur protein

Struktur tiga dimensi protein dapat dijelaskan dengan mempelajari tingkat organisasi struktur yaitu struktur primer, sekunder, tersier dan kuartener.

a.       Struktur primer: Struktur primer protein ditentukan oleh ikatan kovalen antara residu asam amino yang berurutan yang membentuk ikatan peptida.Struktur primer dapat digambarkan sebagai rumus bangun yang biasa ditulis untuk senyawa organik.Untuk mengetahui struktur primer protein diperlukan cara penentuan bertingkat yaitu:

1)      Penentuan jumlah rantai polipeptida yang berdiri sendiri dari protein

2)      Pemutusan ikatan antara rantai polipeptida yang satu dengan lainnya.

3)      Pemisahan masing-masing rantai polipeptida

4)      Penentuan urutan asam amino dari masing-masing rantai polipeptida dengan cara sanger.

b.      Struktur sekunder: Struktur ini terjadi karena ikatan hidrogen antara atom O dari gugus karbonil (C=O) dengan atom H dari gugus amino (N-H) dalam satu rantai pilipeptida,memungkinkan terbentuknya konfirasi spiral yang disebut Struktur helix.Rantai paralel yang berkelok-kelok disebut konfirmasi –ß,rantai dihubung silangkan oleh ikatan hidrogen sehingga membentuk  suatu struktur yang disebut lembaran berlipat-lipat.Struktur polipeptida dalam protein serabut pada rambut dan wol berbentuk spiral yang berarah putar kekanan. Yang disebut dengan ð-helix,sedang yang berkelok-kelok disebut ß-kerotin.

c.       Struktur tersier:

1)      Struktur tersier terbentuk karena terjadinya perlipatan (folding) rantai ð-helix,konformasi ß,maupun gulungan rambang suatu polipeptida,membentuk protein glubular,yang struktur tiga dimensinya lebih rumit daripada protein serabut.

2)      Kemantapan struktur tersier suatu molekul protein selain disebabkan oleh ikatan kovalen seperti ikatan peptida dan ikatan disulfida juga oleh ikatan tak-kovalen yang menunjangnya yaitu yang menyebabkan terjadinya pelipatan tersebut.

d.      Struktur kuartener: Sebagian besar protein berbentuk globular yang mempunyai berat molekul lebih dari 50 ribu merupakan suatu obligomer,yang terjadi dari beberapa rantai polipeptida yang terpisah yang disebut juga dengan protomer yang saling mengadakan interaksi membentuk struktur kuartener dari proteina obligomer tersebut.

DAFTAR PUSTAKA

Suwanto. 2002. Bioteknologi, Jakarta: Pusat Penerbit Universitas Terbuka Jakarta

Conn, E.E. 1987. Outlines of Biochemistry. New York USA: John Wiley & Sons.

Girindra, A. 1986. Biokimia. Jakarta: Gramedia

Lehninger, A.L. 1982. Biochemistry. New york: Worth Publisher Inc.

Trehan, K. 1980. Biochemistry. New delhi: Wiley Eastern Limited.

Wirahadikusumah, M. 1983. Biokimia Protein Enzim dan Asam Nukleat. Bandung: Penerbit ITB

Wirahadikusumah, M. 1983. Biokimia. Bandung: Penerbit ITB