Materi Kuliah Biokimia II

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.

 Gambar 1.  Membran organela dalam sitoplasma

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:

1. 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.
2. 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.
3. 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:

1. Melindungi cairan dalam sel (sitoplasma) dan cairan organel lainya seperti mitokondria, kloroplas dan lisosom yang berada dalam sel.
2. 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.
3. 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.

 Gambar 5.  Penampakan lapisan tebal dan laipsan tipis pada otot

 Gambar 6.  Struktur molekul miosin yang mengandung

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):

1. Molekul ATP akan mengikat kepala miosin sehingga domain kepala tersebut akan terlepas dari ikatan dengan aktin.
2. 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.
3. Hidrolisis ini menyebabkan terjadinya interaksi kembali dengan aktin.  Namun demikian interaksi ini sedikit lemah.
4. 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.

 Gambar 6.  Mekanisme kerja konstraksi otot.

5. 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.
6. Langkah berikutnya adalah  pelepasan molekul ADP yang diikuti oleh  bergesernya molekul miosin pada posisi dimana miosin ini akan berinteraksi secara kuat dengan aktin.

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.

 to be continued... (capek)

.