BIOKIMIA PANGAN 8 (STKIP Muhammadiyah Sorong 2012)

Bab. 7

Struktur Tiga Dimensi Protein

7,1 Struktur dan Fungsi Protein

Biologis aktif protein adalah polimer yang terdiri dari asam amino yang dihubungkan oleh ikatan kovalen peptida. Banyak konformasi yang berbeda (struktur tiga dimensi) untuk sebuah molekul besar seperti protein. Dari jumlah tersebut banyak struktur, memiliki satu atau beberapa aktivitas biologis; ini disebut konformasi yang asli. Banyak protein tidak mengulangi struktur asli. Akibatnya, protein ini sering digambarkan memiliki segmen besar dari "struktur acak" (juga disebut sebagai kumparan acak). Struktur berulang yang sama ditemukan dalam konformasi awal dari semua molekul protein tertentu, dan Struktur berulang konformasi diperlukan untuk fungsi yang tepat. Karena protein yang kompleks,  mereka didefinisikan dalam empat tingkat struktur. Struktur primer adalah urutan asam amino yang dihubungkan ikatan kovalen bersama-sama. Leu-Gly-Thr-Val-Arg-Asp- Peptidanya (ingat bahwa asam amino N-terminal terdaftar pertama) memiliki struktur utama berbeda dari peptida Val-Nya-Asp-Gly-Leu-Arg-Thr, meskipun keduanya memiliki jumlah dan jenis asam amino sama. Struktur primer adalah langkah satu dimensi pertama dalam menentukan struktur tiga dimensi dari protein. beberapa ahli biokimiamenentukan struktur utama untuk mencakup semua interaksi kovalen, termasuk ikatan disulfida yang dapat dibentuk oleh sistein, namun kita akan membahas ikatan disulfida menjadi bagian dari struktur tersier, yang akan dipertimbangkan kemudian. Aspek kedua tiga dimensi dari rantai polipeptida tunggal, yang disebut struktur sekunder dan tersier, bisa dipertimbangkan secara terpisah. Struktur Sekunder adalah pengaturan dalam ruang dari atom dalam rantai induk peptida. Pengaturan α-heliks dan β- lipit sheet dua jenis struktur sekunder yang berbeda. Struktur sekunder memiliki interaksi ikatan hidrogen yang berulang-ulang antara amida N-H dan gugus karbonil dari rantai induk peptida. Konformasi dari rantai samping dari asam amino bukan bagian dari struktur sekunder. Dalam banyak protein, lipatan bagian rantai dapat terjadi secara independen dari lipatan dari bagian lain. Demikian bagian protein independen dilipat yang disebut sebagai domain atau struktur supersecondary.

Struktur tersier mencakup pengaturan tiga dimensi dari semua atom dalam protein, termasuk dalam rantai samping dan dalam setiap kelompok prostetik (kelompok atom selain asam amino). Protein dapat terdiri dari beberapa rantai polipeptida yang disebut subunit. Pengaturan subunit rantai polipeptida terhadap satu sama lain adalah struktur kuartener. Interaksi antara subunit dimediasi oleh interaksi nonkovalen, seperti hidrogen, atraksi elektrostatik, dan interaksi hidrofobik. 

7.2 Struktur Primer Protein

Urutan asam amino (struktur primer) protein menentukan tiga dimensi yang struktur, yang, pada gilirannya, menentukan sifat-sifatnya. Dalam setiap protein, struktur tiga dimensi yang tepat diperlukan untuk fungsi yang benar.

Salah satu demonstrasi yang paling mencolok dari pentingnya struktur utama ditemukan dalam hemoglobin yang terkait dengan sickle anemia. Dalam penyakit genetik, sel darah merah tidak dapat efesiensi mengikat oksigen. Sel-sel darah merah juga mengasumsikan bentuk karakteristik sickle, memberikan nama penyakitnya. Sel Sickle cenderung menjadi terjebak dalam pembuluh darah kecil, memotong sirkulasi dan sehingga menyebabkan kerusakan organ. Konsekuensi-konsekuensi drastis berasal dari perubahan dalam satu residu asam amino dalam urutan dari struktur primer.

Penelitian yang sedang dilakukan cukup untuk menentukan dampak dari perubahan struktur utama pada fungsi protein. Menggunakan teknik molekul-biologi, seperti situs-directed mutagenesis, yang mungkin untuk mengganti residu asam amino pada protein lain dengan residu asam amino tertentu. Penggantian itu maka dapat ditentukan konformasi dari protein yang berubah, serta aktivitas biologisnya. Hasil seperti substitusi asam amino berkisar dari efek yang diabaikan untuk menyelesaikan hilangnya aktivitas, tergantung pada protein dan sifat residu yang diubah.

Menentukan urutan asam amino dalam protein adalah rutinitas, tetapi tidak mudah, operasi dalam biokimia klasik. Pekerjaan ini terdiri dari beberapa langkah, yang harus dilakukan dengan hati-hati untuk mendapatkan hasil yang akurat.

7.3 Struktur Sekunder Protein

Struktur sekunder protein adalah susunan ikatan hidrogen dari rantai induk protein, rantai polipeptida. Di sini, sifat dari ikatan di rantai induk peptida memainkan peran penting. Dalam setiap residu asam amino dua ikatan dengan rotasi cukup bebas: (1) ikatan antara α-karbon dan nitrogen amino dari residu itu dan (2) ikatan antara α-karbon dan karbon karboksil residu itu. Kombinasi kelompok peptida planar dan dua ikatan bebas berputar memiliki implikasi penting untuk konformasi tiga dimensi peptida dan protein. Sebuah rantai induk peptida dapat divisualisasikan sebagai rangkaian permainan kartu, masing-masing kartu mewakili kelompok peptida planar. Kartu terkait di sudut yang berlawanan dengan arah memutar, mewakili ikatan yang tak ada kebebasan rotasi yang cukup (Gambar 7.1). Rantai samping juga memainkan peran penting dalam menentukan bentuk tiga dimensi protein, tetapi hanya dianggap rantai induk dalam struktur sekunder. Sudut Ф (phi) dan ψ (psi), sering disebut Sudut Ramachandran (GN Ramachandran seorang pencetus), digunakan untuk menunjuk masing-masing rotasi ikatan C-N dan C-C. Konformasi dari rantai induk protein dapat digambarkan dengan menentukan nilai dari Ф dan ψ untuk setiap residu (-180 ° sampai 180 °). Dua jenis struktur sekunder yang sering terjadi dalam protein adalah pengulangan α-heliks dan β-pleated sheet (Atau β-sheet) struktur terikat ikatan hidrogen. Sudut Ф dan ψ berulang menyebabkan asam amino yang bersebelahan berada pada struktur sekunder biasa. α-heliks dan β-pleated sheet mungkin tidak hanya struktur sekunder, tetapi mereka jauh lebih berpengaruh pada yang lainnya.

Gambar. 7.1. Phi dan sudut psi dari rantai imduk peptida. Definisi dari sudut yang
menentukan konformasi dari rantai polipeptida. Kelompok-kelompok peptida kaku planar (disebut "Kartu bermain" dalam teks) yang dinaungi. Sudut rotasi di sekitar ikatan Cα-N disebut Ф (phi), dan sudut rotasi sekitar ikatan Cα-C yang dilambangkan ψ (psi). Kedua ikatan sekitar yang ada kebebasan rotasi.

Struktur Periodik di rantai induk Protein

α-heliks dan β-pleated sheet adalah struktur periodik; fitur mereka terulangi secara berkala. α-heliks adalah menyerupai batangan dan melibatkan hanya satu rantai polipeptida. Struktur β-pleated sheet dapat memberikan array dua dimensi dan dapat melibatkan satu atau lebih rantai polipeptida.

α-heliks distabilkan oleh ikatan hidrogen sejajar dengan sumbu heliks dalam
induk rantai polipeptida tunggal. Menghitung dari ujung N-terminal, gugus C-O dari setiap residu asam amino adalah terikat ikatan hidrogen pada gugus N-H asam amino jauh empat residu dari gugus itu dalam urutan ikatan kovalen. Konformasi heliks memungkinkan pengaturan linier dari atom yang terlibat dalam ikatan hidrogen, yang memberikan kekuatan ikatan maksimum dan
sehingga membuat konformasi heliks sangat stabil. Ada 3,6 residu untuk setiap pergantian helix, dan nada/ pitch helix (jarak linier antara titik yang sesuai pada bergantian berurutan) adalah 5,7 Å (Gambar 7.2).

Gambar. 7.2 α-heliks. (a) Dari kiri ke kanan, Model bola-dan-tongkat dari α-heliks, menunjukkan terminologi; model bola-dan-tongkat dengan peptida planar kelompok berbayang; dihasilkan komputer model ruang-terisi α-heliks; garis besar dari α-heliks. (b) Model protein hemoglobin, menunjukkan daerah heliks.

Satuan unit angstrom, 1 Å =10^-8 cm = 10^-10 m, cocok bagi jarak interatomik dalam molekul, tetapi itu bukan satuan unit System International (SI). Nanometer (1 nm = 10^-9 m) Dan picometers (1 pm = 10^–12 m), satuan SI digunakan untuk jarak interatomik. Dalam satuan SI, pitch α-heliks adalah 0,54 nm atau 540 pm. Gambar 4.3 menunjukkan struktur dari dua protein dengan konten α-heliks tingkat tinggi.

Gambar. 7.3. Struktur tiga dimensi dari dua protein dengan sejumlah besar α-heliks dalam struktur mereka. α-heliks diwakili oleh lingkaran teratur bagian dari diagram pita. Myohemerythrin merupakan protein pembawa oksigen dalam invertebrata.

Protein memiliki berbagai jumlah struktur α-heliks, bervariasi dari beberapa
persen menjadi hampir 100%. Beberapa faktor dapat mengganggu α-heliks. Asam amino
prolin menciptakan sebuah tikungan pada rantai induk tersebut karena struktur siklik. Tidak bisa
cocok dengan α-heliks karena (1) rotasi di sekitar ikatan antara gugus nitrogen
α-heliks dan α-karbon sangat terbatas, dan (2) prolin tidak bisa berpartisipasi dalam ikatan hidrogen antar rantai. Faktor lokal lain yang melibatkan rantai samping termasuk karena tolakan elektrostatik yang kuat dari kedekatan beberapa gugus bermuatan yang sama, seperti gugus bermuatan positif lisin dan residu arginin atau kelompok glutamat bermuatan negatif dan residu aspartat. Kemungkinan lain adalah berkerumun (tolakan sterik) yang disebabkan oleh kedekatan beberapa rantai samping yang besar. Dalam konformasi α-heliks, semua rantai samping berada di luar helix, ada cukup ruang bagi mereka dalam interior. α-karbon di luar heliks, dan kerumunan dapat terjadi jika terikat pada dua atom selain hidrogen, seperti halnya dengan valin, isoleusin, dan treonin.

Susunan atom dalam konformasi β-pleated sheet bahwa berbeda nyata dari α-heliks. Rantai induk peptida dalam β-pleated sheet hampir sepenuhnya panjang. Ikatan hidrogen dapat terbentuk antara bagian yang berbeda dari satu rantai yang dua kali lipat pengulangan dari awal (ikatan antar rantai) atau antara yang rantai berbeda (ikatan merantaikan). Jika rantai peptida berjalan dalam arah yang sama (yaitu, jika mereka semua selaras dalam hal N-terminal dan C-terminal ujungnya mereka), terbentuk pleated sheet paralel. Ketika rantai berbalik berjalan di arah yang berlawanan, β-pleated sheet antiparalel terbentuk (Gambar 7.7). Ikatan hidrogen antara rantai peptida dalam β-pleated sheet menimbulkan sebuah bentuk struktur zigzag berulang, maka, nama " pleated sheet " (Gambar 7.5). Perhatikan bahwa Ikatan hidrogen tersebut tegak lurus terhadap arah rantai protein, tidak sejajar dengan seperti dalam α-heliks.

Gambar 7.7 ikatan Hidrogen di β-pleated sheet. Diagram Bola-dan-tongkat yang menunjukkan pengaturan ikatan hidrogen dalam (a) paralel dan (b) antiparalel β-pleated sheet.

Gambar. 7.5 Bentuk tiga dimensi dari pengaturan β-pleated sheet antiparalel. Itu rantai tidak melipat kembali satu sama lain tetapi berada dalam konformasi diperpanjang sepenuhnya.

Penyimpangan dalam Struktur Reguler

Struktur heliks lain ditemukan dalam protein. Struktur heliks lain ini sering ditemukan pada bentangan lebih pendek dari dengan α-heliks, dan mereka kadang pemutusan alami biasa dari α-heliks. Yang paling umum adalah helix 310, yang memiliki tiga residu per pengulangan dan 10 atom di cincin yang dibentuk dengan membuat ikatan hidrogen. Heliks umum lain ditetapkan 27 sampai 7,716, mengikuti tatanama yang sama seperti heliks 310.

Sebuah β-bulges/tonjolan adalah ketidakteraturan nonrepetitive yang umum ditemukan di β-sheets antiparalel. Hal ini terjadi antara dua struktur β- ikatan hidrogen yang normal dan melibatkan dua residu pada satu untai dan satu di sisi yang lain. Gambar 7.6 menunjukkan β-bulges khas. Protein folding mensyaratkan bahwa rantai induk peptida dan struktur sekunder
dapat mengubah arah. Seringkali gilirannya terbalik menandakan transisi antara satu struktur sekunder dan struktur lainnya. Untuk alasan sterik (spasial), glisin sering dijumpai pada keadaan terbalik, di mana rantai polipeptida berubah arah; hidrogen tunggal dari rantai samping mencegah berkerumun. Karena struktur siklik dari prolin memiliki geometri untuk berbelok terbalik, asam amino ini juga sering ditemui dalam keadaan seperti bergantian (Gambar 7.7c).

Gambar. 7.6. β-bulges. Tiga model Bola-dan-tongkat berbeda struktur β-bulges. Ikatan hidrogen akan ditampilkan sebagai titik-titik merah.

Gambar. 7.7. Struktur ternyata terbalik. Tanda panah menunjukkan arah dari rantai polipeptida. (a) tipe I gilirannya terbalik. Dalam residu 3, rantai samping (emas) terletak di luar lingkaran, dan setiap asam amino dapat menempati posisi ini. (b) tipe II gilirannya terbalik. Rantai samping residu 3 telah diputar 180° dari posisi dalam tipe I terbalik dan sekarang di dalam loop. Hanya sisi hidrogen rantai glisin dapat masuk ke dalam ruang yang tersedia, sehingga residu ketiga glisin harus dalam gilirannya terbalik tipe II. (c) cincin beranggota lima dari prolin memiliki geometri untuk giliran sebaliknya; residu ini biasanya terjadi sebagai residu kedua giliran terbalik. Pergantian ditampilkan di sini adalah tipe II, dengan glisin sebagai residu ketiga.

Struktur Supersecondary dan Domain

α-helix, β-pleated sheet, dan struktur sekunder lainnya digabungkan dalam banyak hal sebagai rantai polipeptida melipat kembali pada dirinya sendiri dalam protein. Hal itu merupakan kombinasi dari- dan β-sheet memproduksi berbagai jenis struktur supersecondary pada protein. Fitur yang paling umum dari jenis ini adalah unit βαβ, dalam dua untaian sejajar β-sheet dihubungkan oleh hamparan α-helix (Gambar 7.8a). Sebuah unit α α (helix-turn-helix) terdiri dari dua antiparalel α-heliks (Gambar 7.8b). Dalam pengaturan tersebut, kontak energetik ada antara rantai samping di dua ruas heliks. Dalam β-meander, sebuah antiparalel sheet/sheet/lembaranan dibentuk oleh serangkaian putaran terbalik ketat yang menghubungkan bentangan dari rantai polipeptida (Gambar 7.8c). Jenis lain dari sheet/lembaran antiparalel terbentuk ketika rantai polipeptida ganda kembali pada keadaan semula dalam pola yang dikenal sebagai kunci Yunani, (nama untuk desain dekoratif yang ditemukan pada tembikar dari klasik periode) (Gambar 7.8e). Motif adalah struktur supersecondary berulang. Beberapa dari motif yang lebih kecil yang umum ditunjukkan pada Gambar 7.9. Motif lebih kecil ini sering dapat diulang dan disusun dalam motif besar. Urutan protein yang memungkinkan untuk β-meander atau kunci Yunani sering bisa ditemukan tersusun menjadi β-barrel dalam struktur protein tersier (Gambar 7.10). Motif yang penting dan memberitahu kita banyak tentang lipatan protein. Namun, motif tidak mengizinkan kita untuk memprediksi apa-apa tentang fungsi biologis protein karena mereka ditemukan dalam protein dan enzim dengan fungsi yang sangat berbeda.

Banyak protein yang memiliki tipe yang fungsi sama memiliki urutan protein yang sama; akibatnya, domain dengan konformasi yang sama terkait dengan fungsi tertentu. Banyak jenis domain telah diidentifikasi, termasuk tiga jenis domain dimana protein mengikat DNA. Selain itu, urutan polipeptida pendek dalam protein mengarahkan modifikasi posting translasi dan lokalisasi subselular. Sebagai contoh, beberapa urutan berperan dalam pembentukan glikoprotein (yang mengandung gula selain ke rantai polipeptida). Urutan tertentu lain menunjukkan bahwa protein terikat pada membran atau dikeluarkan dari sel. Masih urutan lain yang spesifik menandai protein untuk fosforilasi oleh enzim tertentu.

Gambar. 7.8 Diagram Skema struktur supersecondary. Panah menunjukkan arah dari rantai polipeptida. (a) Sebuah unit βαβ, (b) unit αα, (c) β-meander dan (d) kunci Yunani. (e) Motif kunci Yunani dalam struktur protein menyerupai pola geometris vas kuno Yunani ini, sehingga menimbulkan nama.

Gambar. 7.9. Motif dan modul. Motif yang berulang struktur supersecondary, kadang-kadang disebut modul. Semua ini memiliki struktur sekunder tertentu yang diulang dalam protein. (Dikutip dari “Protein Modules,” Trends in Biochemical Sciences, Vol. 16, pp. 13–17, Copyright © 1991.)

GAMBAR 7.10 Beberapa pengaturan β-barel. (a) Serangkaian terkait β-meanders. Susunan ini terjadi pada protein rubredoxin dari Clostridium pasteurianum. (b) pola kunci Yunani terjadi pada prealbumin manusia. (c) β-barel melibatkan unit βαβ bolak-balik. Susunan ini terjadi pada fosfat triose isomerase dari otot ayam. (d) atas dan sisi dilihat dari susunan rantai induk polipeptida di fosfat triose isomerase. Perhatikan bahwa bagian α-heliks berada di luar yang sebenarnya β-barel.

Kolagen Double Helix

Kolagen, komponen dari tulang dan jaringan ikat, adalah protein yang paling melimpah dalam vertebrata. Hal ini merupakan serat yang tidak larut dalam air. Sebuah serat kolagen terdiri dari tiga rantai polipeptida yang saling melilit, atau triple helix. Masing-masing memiliki tiga rantai, dalam batasan, urutan berulang dari tiga residu asam amino, X-Pro-Gly atau X-HYP-Gly, di mana HYP singkatan hidroksiprolin, dan setiap asam amino dapat menempati posisi awal, yang ditunjuk oleh X.

Prolin dan hidroksiprolin dapat mencapai 30% dari residu dalam kolagen. Hidroksiprolin terbentuk dari prolin oleh hidroksilasi tertentu enzim setelah asam amino yang dihubungkan bersama. Hidroksilasi juga terjadi pada kolagen. Dalam sekuens asam amino dari kolagen, setiap posisi ketiga harus ditempati oleh glisin. triple helix diatur sehingga setiap residu ketiga rantai masing-masing di dalam helix. Hanya glisin yang cukup kecil untuk masuk ke dalam ruang yang tersedia (Gambar 7.11).

GAMBAR 7.11 Sebuah triple helix. Poli (Gly-Pro-Pro) adalah kolagen seperti tangan kanan
triple helix terdiri dari tiga rantai kidal heliks. (Dikutip dari M. H. Miller and H. A. Scheraga, 1976, Calculation of the structures of collagen models. Role of interchain interactions in determining the triplehelical coiled-coil conformations. I. Poly(glycyl-prolyl-prolyl). Journal of Polymer Science Symposium 57:171–200. © 1976 John Wiley & Sons, Inc)

Tiga rantai kolagen individu itu sendiri heliks yang berbeda dari α-heliks. Mereka memutar sekitar satu sama lain dalam susunan superheliks untuk membentuk batang kaku. Tiga Molekul heliks disebut tropocollagen, tropocollagen panjang adalah 300 nm (3000 Å) dan diameter 1,5 nm (15 Å). Tiga aliran yang dibentuk bersama oleh ikatan hidrogen yang melibatkan residu hidroksiprolin dan hidroksilisin. Berat molekul dari array triple-stranded adalah sekitar 300.000; masing-masing untai mengandung sekitar 800 residu asam amino. Kolagen adalah dihubungkan oleh intramolecular dan intermolecular ikatan kovalen yang dibentuk oleh reaksi dari residu lisin dan histidin. Jumlah silang di jaringan meningkat sesuai dengan peningkatan usia. Itu sebabnya daging dari hewan yang lebih tua lebih keras daripada daging dari hewan yang lebih muda.

Kolagen di mana prolin tidak terhidroksilasi untuk hidroksiprolin pada enzim yang penghihroksilasi prolin dan dengan demikian mempertahankan kondisi normal kolagen membutuhkan asam askorbat (vitamin C) untuk tetap aktif. Sariawan perut/usus disebabkan oleh kekurangan vitamin C. 

Dua Jenis konformasi Protein: berserat dan globular

Ini adalah sulit untuk menarik pemisahan yang jelas antara struktur sekunder dan tersier. Sifat dari rantai samping dalam protein (bagian dari struktur tersier) dapat berpengaruh pada lipatan dari rantai induk (struktur sekunder). Membandingkan kolagen dengan sutra dan serat wol dapat mencerahkan. Serat sutra sebagian besar terdiri dari serat protein, yang seperti kolagen, memiliki struktur berserat, tetapi yang, tidak seperti kolagen, sebagian besar terdiri dari β-sheets. Serat wol sebagian besar terdiri dari protein keratin, yang sebagian besar merupakan-heliks. Asam-asam amino kolagen, serat, dan keratin mereka akan mengadopsi konformasi berbeda, tetapi semua adalah protein berserat (Gambar 7.12a).

 

Skema diagram dari bagian berserat sebuah protein dan protein globular.

Gambar. 7.12 Perbandingan bentuk protein berserat dan protein bulat.

Dalam protein lain, rantai induk lipatan kembali pada bentuk awalnya untuk menghasilkan bentuk lebih atau kurang bulat. Ini disebut protein globular (Gambar 7.12b), dan kami sejauh biasa kurang stabil daripada kolagen normal. Gejala penyakit kudis, seperti gusi berdarah dan perubahan warna kulit, adalah hasil dari kolagen yang rapuh. banyak contoh akan dilihat dari mereka. Bagian heliks dan lipit-sheet/lembaran mereka bisa diatur sehingga membawa ujung urutan dekat satu sama lain dalam tiga dimensi. Protein globular, tidak seperti protein berserat, larut dalam air dan memiliki struktur kompak, struktur mereka tersier dan kuartener dapat cukup kompleks.

7.7 Struktur Tersier Protein

Struktur tersier protein adalah susunan tiga dimensi dari semua atom dalam molekul. Konformasi dari rantai samping dan posisi dari semua grup prostetik adalah bagian dari struktur tersier, seperti susunan bagian α-heliks dan β-lipit-sheet/lembaran berhubungan satu dengan lain. Pada protein berserat, bentuk keseluruhan yang merupakan bentuk batang panjang, struktur sekunder juga menyediakan banyak informasi tentang struktur tersier. Rantai induk heliks protein tidak melipat kembali pada dirinya sendiri, dan aspek penting hanya dari struktur tersier yang tidak spesifik dari struktur sekunder adalah susunan atom-atom rantai samping.

Untuk protein globular, informasi jauh lebih dibutuhkan. Hal ini diperlukan untuk menentukan cara di mana bagian heliks dan lipit-sheet/lembaran lipat kembali satu sama lain, selain posisi sisi-rantai atom dan setiap kelompok prostetik. Interaksi antara rantai samping memainkan peran penting dalam pelipatan protein. Pola lipat sering membawa residu yang dipisahkan dalam urutan asam amino ke dalam jarak di "acak" atau tersier Pada kenyataannya "koil acak.", kekuatan yang menstabilkan protein masing-masing untuk konformasi. 

Referensi/diambil dari :

Mary K. Campbell dan Shawn O. Farrell,(2009),BIOCHEMISTRY 6th EDITION, Thomson Brooks/Cole, a part of The Thomson Corporation.