PENDAHULUAN
Perkembangan
ilmu pengetahuan berjalan dengan sangat pesar pada saat ini. Sebagai bagian dari ilmu pengetahuan,
biokimia telah berkembang sangat pesat dalam beberapa dekade terakhir ini. Berbagai rangkaian reaksi biokimia utama
telah semakin diketahui secara rinci.
Demikian juga dengan pengetahuan tentang berbagai biomolekul, khususunya
makro-biomolekul, baik dari segi struktur maupun mekanisme reaksinya semakin
banyak diketahui.
Sel
merupakan suatu unit terkecil dimana berbagai biomolekul dibuat (sintesa) dan
berperan. Semua biomolekul tersebut
menyusun suatu sistim yang sangat kompleks dan saling menunjang satu sama
lainnya yang dikenal sebagai kehidupan.
Sel dapat berdiri sendiri sebagai satu mahluk hidup yang bebas dari sel
lainnya. Sel juga dapat berinteraksi
dengan sel sel sejenis lainnya membentuk jaringan. Selanjutnya, berbagai jaringan akan membentuk
sistim lainnya yang dapat berupa organ.
Sistim kehidupan yang terakhir inilah yang dikenal sebagai mahluk hidup
tingkat tinggi seperti tumbuhan dan binatang.
Topik
topik yang dibicarakan dibawah ini meprupakan bagian bagian dari topik bahasan
yang mendapat perkembangan pesat selama beberapa dekade terakhir. Dengan demikian, topik bahasan yang sudah
menjadi bahan bahasan sejak lama tidak akan dibahas lagi.
BIOLOGI MOLEKULAR DARI MEMBRAN
Membran
sel merupakan bagian yang sangat penting dalam sistim kehidupan sel. Membran merupakan bagian yang melindungi
cairan sel (sitoplasma) sehingga tetap merupakan suatu sistim tertutup. Pada sel eukariotik, membran membagi sel lebih
jauh atas bagian bagian tertentu sehingga setiap bagian dapat mempunyai
lingkungan yang khusus seperti pH yang lebih rendah dari bagian sel yang
lainnya.
Hampir
semua membran sel merupakan membran berlapis dua dengan ketebalan sekitar 60 Ǻ. Masing masing lapisan tersusun pada umumnya
oleh molekul fosfolipid. Molekul molekul
ini tersusun sedemikian rupa sehingga membentuk suatu lembar lapisan dengan
salah satu sisih bersifat hidrofilik (suka air) dan sisih yang lainnya bersifat
hidrofobik. Bila kedua lapisan disusun
satu sama lainya dengan gugus hidrofobik saling berhadapan maka akan terbentuk
membran berlapis dua.
Membran
tidak hanya tersusun dari molekul fosfolipid saja tetapi juga berbagia senyawa
lipid lainnya seperti glikolipid dan kolesterol (Animasi Membran Biologi;
Gambar 1). Protein merupakan juga bagian
dari banyak membran. Ukuran molekul
protein yang besar menyebabkan sebagian protein menempati kedua permukaan
membran.
Membran
bukan merupakan lapisan yang sangat kaku tetapi merupakan lapisan yang dinamik
yang digambarkan sebagai model cairan mosaik.
Membran ini merupakan cairan dimana molekul lain seperti protein dapat
mengambang dan berenang ke segala arah. Berbagai
protein yang berasosiasi dengan dengan membran dapat dibedakan atas:
- Protein integral atau intrinsik adalah protein yang terikat kuat pada membran melalui hidrofobik interaksi dan hanya dapat dilepas dengan penghancuran membran. Glikoforin A pada eritosit sel merupakan contoh protein jenis ini. Pusat reaksi fotosintesa mengandung sebelas protein transmembran.
- Protein yang terikat secara kovalen dengan lipid. Keadaan inilah yang memungkinkan protein seakan melekat pada permukaan membran. Protein yang terikat pada likosilfosfatidilinositol (Protein-GPI) terdapat banyak pada permukaan permukaan luar sel sel eukariotik. Bagian lipid dari GPI-Protein adalah fosfatidil inositol.
- Protein periferal atau ekstrinsik adalah protein yang melekat pada permukaan membran melalui ikatan yang lemah dan dapat meninggalkan permukaan dengan mudah. Contoh protein seperti ini adlah sitokrom c.
Fungsi membran
adalah:
- Melindungi cairan dalam sel (sitoplasma) dan cairan organel lainya seperti mitokondria, kloroplas dan lisosom yang berada dalam sel.
- Menyokong protein sehingga berada pada posisi tertentu didalam sel atau organela. Berbagai protein terikat atau berasosiasi dengan membran endoplasmik retikulum. Pada biosintesa polimerisasi protein pada permukaan endoplasmik retikulum kasar merupakan contoh dari fungsi membran. Reseptor yang terdiri dari molekul protein dan GTP merupakan bagian dari membran. Reseptor ini akan mengenali signal dari protein lainnya yang berasosiasi dengan ribosome dan mRNA. Hal ini memungkinkan protein yang sedang disintesa dapat menembus membran endoplasmik retikulum. Peranan membran dalam menopang berbagai protein yang sebagian adalah enzim akan dibicarakan dalam oksidasi fosforilasi.
- Menseleksi jenis dan jumlah molekul yang keluar dan masuk dari dan ke dalam sel. Sebagaian molekul dapat masuk secara bebas ke dalam sel. Namun demikian sebagian besar molekul harus melalui mekanisme tertentu. Hal ini disebabkan molekul yang akan menyeberang tersebut terlalu besar atau terlalu polar untuk menembus membran yang nonpolar.
Ion
dapat ditransfer melewati membran dengan menggunakan molekul pembawa seperti
ionofore yang merupakan molekul organik yang pada umumnya adalah antibiotik
dari bakteri. Valinomisin dan gramisidin
A adalah antibiotik yang dapat mentransfer ion K+. Valinomisin menghantar ion dengan bergerak
dari satu permukaan ke permukaan lainnya, sedangkan gramisidin membentuk
struktur seperti tabung yang menghubungkan kedua permukaan.
Porin
adalah protein yang berbentuk seperti tabung dengan dinding yang terbentuk dari
rantai polipeptida dengan motif β-sheet.
Bagian dalam struktur ini bersifat polar sedangkan bagian luar bersifat
nonpolar. Bagian luar yang nonpolar akan
memperkuat interaksinya dengan membran, sedangkan bagian dalam yang polar
menyebabkan porin dapat memfasilitasi masuk keluarnya molekul polar. Diameter bagian dalam struktur yang terbatas
(10 A) menyebabkan molekul yang lebih besar tidak dapat masuk.
Transport
glukosa dilakukan oleh transporter protein.
Protein ini mempunyai konformasi yang khusus yang memungkinkan glukosa
berinteraksi dengan protein tersebut (Gambar 2). Selanjutnya molekul glukosa tersebut akan
terlepas kedalam sel. Transport ini
dapat terjadi ke dua arah (keluar dan kedalam).
Berbagai
senyawa harus ditransport dari bagian yang konsentrasi rendah ke bagian yang
berkonsentrasi tinggi. Hal ini dilakukan
dengan menggunakan tenaga dimana sumber tenaganya kebanyakan berasal dari ATP.
Enzim
ATPase yang memompa ion Na+ dan K+ pada membran plasma merupakan
contoh dari sistim pemindahan oleh protein/enzim yang mengunakan ATP. Protein ini terdiri dari dua pasang protein
molekul (sub unit). Sub unit tidak
mengandung karbohidrat (α) yang mempunyai aktivitas enzim dan kemampuan mengikat
ion. Sub unit kedua mempunyai gugus
karbohidrat. Kompleks protein (Gambar
xx) ini dinamakan juga sebagai pompa Na+-K+. Kompleks protein yang memompakan Ca dengan
mekanisme yang sama terdapat pada membran plasma. Demikian juga dengan pompa H+ dan
K+ pada membran sel sel mukosa mempunyai mekanisme yang sama.
Gambar 2. Mekanisme
transfer glukose melalu membran
Perbedaan
gradien elektrokimia yang disebabkan oleh pompa ion diatas menyebabkan aliran
yang dapat menarik molekul yang lain.
Misalnya, glukosa diluar sel epitelium akan ikut memasuki sel (Gambar 2)
oleh karena pompa Na-K pada bagian lain sel tersebut. Selanjutnya glukosa dipindahkan ke sel
berikutnya melalui glukosa uniport.
Enzim
laktosa permease memindahkan laktosa dengan menggunakan gradien proton. Proton dan laktosa akan berasosiasi dengan
enzim laktosa permease membentuk kompleks.
Selanjutnya pelepasan proton pada bagian lain membran akan merubah
konformasi enzim yang akan melepaskan juga laktosa. Proton akan dikembalikan pada sisi sebelumnya
melalui metabolisme oksidasi.
FUNGSI BIOLOGI DARI PROTEIN
Protein
merupakan salah satu makrobiomolekul yang mempunyai struktur yang sangat
khusus. Jenis, jumlah dan urutan asam
amino yang menyususn molekul protein sangat bervariasi. Dengan demikian, struktur protein berbeda
satu sama lainnya menurut jenis, jumlah dan uratan asam amino yang
menyusunnya. Keragaman jenis protein
inilah yang menyebabkan protein melakonkan peran yang sangat beragam didalam
sel.
Keragaman
protein lebih diperbanyak dengan adanya biomolekul lainya yang bukan protein
seperti lipid, karbohidrat maupun asam nukleat yang secara kmia terikat dengan
protein membentuk suatu molekul. Fungsi
kompleks protein ini akan dibicarakan lebih lanjut ketika berdiskusi tentang
masing masing kompleks protein tersebut.
Sangat
beragamnya fungsi protein didalam sel menyebabkan kesukaran dalam pengelompokan
mereka secara lebih tepat untuk masing masing jenis protein. Beberapa protein mempunyai fungsi yang sangat
khsusu sehingga sukar dikelompokkan kedalam fungsi tertentu. Demikian juga banyak protein belum dapat
diidentifikasi karena kesulitan dalam isolasinya maupun studi tentang
peranannya. Namun demikian secara umum
protein dapat dikelompokan menurut fungsinya sebagai berikut:
1.
enzim,
2.
pengangkut dan penyimpan oksigen,
3.
pertahanan tubuh (imun sistim),
4.
penggerak sel dan jaringan,
5.
pengangkut hasil metablisme dalam sel,
6.
pengenalan senyawa pada
membran sel,
7.
penyusun struktur sel,
8.
dan pengatur metabolisme.
Fungsi
protein sebagai enzim akan dibicarakan pada bagian tentang enzim. Demikian juga dengan fungsi protein dalam
pengenalan senyawa pada membran sel akan dibicarakan dalam membran sel.
Mioglobin dan
hemoglobin
Mioglobin
merupakan protein yang berfungsi sebagai pengangkut oksigen pada mahluk hidup
yang kompleks. Oksigen ditransportasikan
dari satu jaringan ke jaringan lainnya dimana oksigen digunakan dalam sel di
jarngan tersebut untuk oksidasi yang menghasilkan energi gerak. Pada mahluk hidup yang hidup dalam air,
mioglobin nerfungsi untuk menyimpan oksigen.
Mioglobin
terdiri dari 153 asam amino dan membentuk a-heliks pada delapan
tempat. Struktur seperti ini mendorong
terbentuknya protein globular yang berdimensi 44 X 44 X 25 Å (Gambar 3).
Gambar
3. Struktur molekul mioglobin
Mioglobin
mempunyai gugus heme yang terbentuk dari empat gugus pirol yang terikat satu
sama lainnya dengan jembatan metene membentuk porfirin dan atom besi (Fe II)
yang terkoordinasi dengan empat atom N dari masing masing gugus pirol dalam
porfirin tersebut dan satu atom N dari gugus histidin dari protein. Molekul oksigen (O2) akan terikat
pada atom besi. Selanjutnya atom oksigen
yang lainnya akan berkoordinasi dengan gugus histidin lainnya dari protein
(Gambar 4).
Pada
saat Fe (II) berhubungan dengan O2, molekul mioglobin dikatakan
telah berada dalam bentuk teroksidasi.
dengan demikian Fe (II) menjadi Fe (III ). Bila bukan O2 yang terikat pada
gugus heme ini, melainkan gugus lain seperti CO, NO atau H2S yang
lebih kuat afinitasnya, maka mioglobin tersebut tidak dapat lagi mengikat O2. Dalam hal ini, senyawa CO, NO dan H2S
dikatakan sebagai racun bagi mioglobin.
Gambar 4. Kompleks heme dengan myoglobin dan pengikatan
oksigen
Berdasarkan
pada kemampuan mioglobin mengikat molekul oksigen tersebut maka mioglobin
mempunyai fungsi untuk menyimpan dan menyalurkan oksigen ke jaringan sel dalam
otot. Bila oksigen sendiri sukar
berdifusi dalam jaringan otot, maka mioglobin mampu berdifusi dengan baik. dengan demikian oksigen dapat disampaikan ke
dalam jaringan otot dengan lancar.
Hemoglobin
merupakan molekul protein lainnya yang mempunyai tugas untuk mengikat oksigen
dan membawanya dari jaringan yang satu ke jaringannya yang membutuhkan
oksigen. Hemoglobin terdapat di dalam
sel darah merah yang dapat diangkut keberbagian lain dari sistim yang kompleks
seperti tubuh manusia.
Molekul
hemoglobin terbentuk dari empat rantai polipeptida (tetramer; a2b2). Struktur molekul dari hemoglobin a
adalah sama satu sama lainnya. Demikian
juga kedua molekul hemoglobin b. Struktur
molekul dari hemoglobin a dan b sedikit berlainan satu sama lainnya. Secara keseluruhan, ukuran molekul
hemoglobin adalah 64 X 55 X 50 Å.
Hemoglobin
akan mengikat oksigen melalui gugus heme seperti pada mioglobin. Bentuk molekul (conformasi) hemoglobin akan
berubah dengan masuknya molekul oksigen.
Kemampuan hemoglobin mengikat oksigen berbeda dengan mioglobin. Bila intekaksi oksigen dengan mioglobin
mengikuti kurva hiperbola maka hemoglobin mengikuti kurva sigmoidal. Hal ini menyebabkan hemoglobin mampu
melepaskan oksigen pada konsentrasi oksigen disekitarnya sedikit rendah.
Aktin dan miosin
Aktin
dan miosin merupakan protein yang menjadi bagian utama dari jaringan otot
manusia maupun hewan lainnya. Kedua
molekul ini terdapat dalam sel sel miofibrin yang merupakan sel sel
memanjang. Secara mikroskopis posisi
molekul molekul ini terlihat sebagai lapisan tebal dan tipis (Gambar 5). Lapisan tebal merupakan protein miosin yang
terdiri dari enam rantai polipeptida yaitu dua rantai berat (220 kD) dan dua
pasang rantai esensial dan rantai regulatori yang bervariasi dalam ukurannya
antara 15 dan 20 kD tergantung asal jaringannya. Kedua polipeptida rantai berat membentuk
spiral rangkap dua dengan salah satu ujung (amina) yang membesar. Kedua molekul kecil lainnya berasosiasi dekat
kelapa rantai berat tersebut (Gambar 6).
Kepala myosin ini merupakan emzim ATPase.
Lapisan
tipis tersusun dari tiga protein yaitu aktin, tropomiosin dan troponin. Aktin merupakan protein yang berbentuk
globular yang tersusun dari 375 asam amino.
Tropomiosin merupakan rantai heliks rangkap dua yang memanjang dan
berasosiasi dengan molekul troposiosin lainnya membentuk rantai yang
panjang. Pada rantai inilah molekul
aktin berinteraksi membentuk rangkaian sepanjang molekul tropomiosin. Selanjutnya satu molekul troponin yang
mengikat ion Ca terikat pada satu untaian tropimiosin.
Setiap
aktin dapat mengikat bagian kepala dari molekul miosin melalui inteaksi ion dan
hidrofobik. Ikatan atau interaksi inilah
yang mengatur kontraksi otot. Interaksi
antara aktin dan miosin ini akan berada dalam keadaan terikat atau tidak secara
berganti ganti. Mekanismenya adalah
sebagai berikut (Gambar 7):
- Molekul ATP akan mengikat kepala miosin sehingga domain kepala tersebut akan terlepas dari ikatan dengan aktin.
- Adanya ATP pada miosin akan menyebabkan miosin tersebut tidak dapat berinteraksi dengan aktin. Langkah berikut adalah terjadinya hidrolisa dari satu gugus fosfat. Hal ini menyebabkan kepala miosin bergeser sedikit.
- Hidrolisis ini menyebabkan terjadinya interaksi kembali dengan aktin. Namun demikian interaksi ini sedikit lemah.
- Langkah berikut adalah terjadinya pelepasan gugus fosfat yang terhidrolasi diatas. Pelepasan gugus fosfat ini menyebabkan perubahan konformasi struktur miosin yang diikuti oleh semakin kuatnya interaksi dengan aktin.
- Perubahan konformasi menyebabkan gerakan secara tiba tiba dari molekul miosin dan aktin. Bila hal ini terjadi serentak disemua sel dalam jaringan maka akan terjadi gerakan otot.
- Langkah berikutnya adalah pelepasan molekul
Imunoglobulin
Sistim
ketahanan pada mahluk hidup yang kompleks seperti manusia dapat dibedakan atas
ketahanan sel dan ketahanan humoral (cairan).
Ketahanan sel terhadap infeksi virus, fungi, bakteri atau patogen
lainnya dilakukan dengan membentuk sel penangkal seperti sel T limposit. Ketahanan humoral dilakukan dengan pembentukan
protein tertentu yaitu immunoglobulin atau antibodi. Antibodi ini disintesa dalam sel B-limposit
atau sel B.
Pembentukan
protein antibodi seperti imunoglobulin dirangsang oleh adanya molekul asing
yang dinamakan antigen. Molekul asing
ini sering berupa mokromolekul seperti protein dan karbohidrat. Ketika sel B bertemu dengan antigen,
imunoglobulin pada permukaan sel akan membungkus antigen tersebut kemudian
menghancurkannya.
Struktur
molekul imunoglobulin secara umum terdiri dari dua pasang rantai polipeptida ringan
(L) dan dua pasang polipeptida berat (H).
Keempat sub unit ini tersusun membentuk seperti huruf Y seperti terlihat
dalam gambar XX. Keempat sub unit ini
dihubungkan satu sama lain oleh ikatan disulfida dan interaksi nonkovalent. Kedua sub unit rantai ringan menempati bagian
“tangan”dari immunoglobulin yang berfungsi sebagai bagian yang berinteraksi
dengan antigen. Bagian tangan ini dapat
dibedakan lebih lanjut atas bagian variabel dan bagian konstan. Bagian variabel sangat bervariasi susunan
asam amino untuk setiap jenis antibodi.
Setiap
domain pada tangan antibodi terbentuk dari tiga dan empat anti paralel β-sheet
yang diikat oleh ikatan disulfida.
Kemampuan untuk mengenal berbagai jenis antigen terletak pada jenis asam
amino yang menempati tiga bengkokan pada rantai polipeptida dari domain diujung
amina. Urut-urutan asam amino pada
ketiga bengkokan polipeptida ini dinamakan hipervariabel. Interaksi antara asam asam amino ini dengan
bagian molekul antigen yang menentukan pengenalan antigen oleh antibodi. Interaksi ini merupakan perpaduan dari
interaksi vander Walls, hidrofobik, ikatan hidrogen dan ikatan ionik.
.
