Struktur dan Fungsi Biomolekul PDF

Struktur dan Fungsi Biomolekul Struktur dan Fungsi Biomolekul 1 Struktur dan Fungsi Biomolekul Deskripsi MK: Mata kuliah ini merupakan mata kuliah wajib Departemen Kimia yang akan memberikan pemahaman komprehensif mengenai struktur, sifat kimia, reaksi, dan fungsi molekul penyusun ke...

Struktur dan Fungsi Biomolekul Struktur dan Fungsi Biomolekul 1 Struktur dan Fungsi Biomolekul Deskripsi MK: Mata kuliah ini merupakan mata kuliah wajib Departemen Kimia yang akan memberikan pemahaman komprehensif mengenai struktur, sifat kimia, reaksi, dan fungsi molekul penyusun kehidupan, yaitu air, karbohidrat, protein, lipid, dan asam nukleat. Lebih lanjut, akan dibahas mengenai peran enzim, membran transpor, biosinyal, dan vitamin untuk sistem biologis khususnya dalam metabolisme. Proses pembelajaran adalah menggunakan metode perkuliahan secara luring dan daring, serta diskusi aktif melalui pemberian tugas. Bahasa pengantar yang digunakan dalam kuliah ini adalah bahasa Indonesia Pengajar 1. Dr. rer nat Noviyan Darmawan 2. Dr Trivadila 3. Prof. Purwatiningsih 4. Dr. Auliya Ilmiawati, MSi Struktur dan Fungsi Biomolekul 2 Struktur dan Fungsi Biomolekul Materi: Referens: 1. Lehninger Principles of Biochemistry , Sixth Edition. David L. Nelson, Michael M. Cox. W. H. Freeman and Company. New York 2. Biochemistry, Sixth Edition. 2017.Reginald H. Garrett, Charles M. Grisham. Cengage Learning, Boston USA Struktur dan Fungsi Biomolekul 3 Struktur dan Fungsi Biomolekul Karakteristik mahluk hidup 1. Mempunyai kompleksitas kimiawi dan organisasi microscopic yang tinggi (kompleks) 2. Sistem yang dapat mengektraks, mentransformasi dan menggunakan energi dari lingkungan (metabolisme) 3. Setiap komponent mempunyai fungsi yang jelas dan terdapat interaksi yang teregulasi diantara komponen tersebut (terorganisasi) 4. Terdapat mekanisme untuk merasakan dan merespon perubahan pada keadaan sekitar (responsif) 5. Mempunyai kemampuan untuk mereplikasi diri dan “self-assembly” (reproduksi) 6. Mempunyai kapasitas untuk berubah seiring waktu dengan evolusi bertahap (adaptasi) Struktur dan Fungsi Biomolekul 4 Struktur dan Fungsi Biomolekul Struktur dan Fungsi Biomolekul 5 PENDAHULUAN Origin of life: Struktur dan Fungsi Biomolekul 6 PENDAHULUAN Origin of life: Reaksi kimia kunci yang mungkin terjadi pada pra- kehidupan a. Sintesis asam amino Miller-Urey. b. Sintesis fosfolipid. c. Sintesis asam lemak. d. Sintesis asam lemak. e. Reaksi formosa dan sintesis gula ribosa. f. Sintesis ribonukleotida. Struktur dan Fungsi Biomolekul 7 PENDAHULUAN Origin of life: Struktur dan Fungsi Biomolekul 8  PENDAHULUAN Origin of life: protocell (or protobiont) adalah kumpulan lipid membentuk sperikal yang self-organized dan teratur secara endogenous , Struktur dan Fungsi Biomolekul 9 PENDAHULUAN Sel merupakan Unit Kehidupan terkecil entitas terkecil yang mampu menampilkan atribut yang terkait secara unik dengan keadaan hidup: pertumbuhan, metabolisme, respons stimulus, dan replikasi. Ciri struktural Sel yang universal Biomolekul penyusun sel Struktur dan Fungsi Biomolekul 10 PENDAHULUAN Hirarki Biomolekul Struktur dan Fungsi Biomolekul 11 PENDAHULUAN Gugus fungsi yang paling umum ditemui dalam biomolekul Struktur dan Fungsi Biomolekul 12 PENDAHULUAN Biomolekul memiliki konformasi Struktur dan Fungsi Biomolekul 13 PENDAHULUAN Sifat biomolekul 1. Makromolekul Biologis dan monomernya memiliki “Arah" atau direksionalitas Makromolekul sel dibangun dari unit Protein monomer—asam amino dalam protein, nukleotida dalam asam nukleat, dan karbohidrat dalam polisakarida—yang memiliki polaritas struktural. tidak simetris, sehingga mereka dapat dianggap memiliki "kepala" dan "ekor". Polimerisasi unit-unit ini untuk membentuk makromolekul terjadi melalui koneksi linier head-to-tail. Polimer arah terhadap strukturnya. Struktur dan Fungsi Biomolekul 14 PENDAHULUAN Sifat biomolekul 1. Makromolekul Biologis dan monomernya memiliki “Arah" atau direksionalitas Makromolekul sel dibangun dari unit Karbohidrat monomer—asam amino dalam protein, nukleotida dalam asam nukleat, dan karbohidrat dalam polisakarida—yang memiliki polaritas struktural. tidak simetris, sehingga mereka dapat dianggap memiliki "kepala" dan "ekor". Polimerisasi unit-unit ini untuk membentuk makromolekul terjadi melalui koneksi linier head-to-tail. Polimer arah terhadap strukturnya. Struktur dan Fungsi Biomolekul 15 PENDAHULUAN Sifat biomolekul 1. Makromolekul Biologis dan monomernya memiliki “Arah" atau direksionalitas Makromolekul sel dibangun dari unit Asam Nukleat monomer—asam amino dalam protein, nukleotida dalam asam nukleat, dan karbohidrat dalam polisakarida—yang memiliki polaritas struktural. tidak simetris, sehingga mereka dapat dianggap memiliki "kepala" dan "ekor". Polimerisasi unit-unit ini untuk membentuk makromolekul terjadi melalui koneksi linier head-to-tail. Polimer arah terhadap strukturnya. Struktur dan Fungsi Biomolekul 16 PENDAHULUAN Sifat biomolekul 2. Makromolekul Biologis mengandung informasi biologis Struktur makromolekul biologis memiliki arah maka urutan monomer (building blok) ketika diurutkn sepanjang molekul, memiliki kapasitas untuk menentukan informasi dalam barisan linier Struktur dan Fungsi Biomolekul 17 PENDAHULUAN Mutasi Struktur dan Fungsi Biomolekul 18 PENDAHULUAN Sifat biomolekul 3. Biomolekul Memiliki Bentuk Arsitektur Tiga Dimensi Yang Khas Struktur 3D dari setiap molekul adalah unik dan spesifik dan merupakan bagian identitas dari molekul tersebut Biomakromolekul memiliki fungsi biologis yang spesifik karena struktur tiga dimensinya, contoh: Protein Protein walaupun merupakan polimer dengan urutan sekuens asam amino linier namun strukturnya memiliki kemampuan untuk berbelok, melipat, menggulunf dalam ruang tiga dimensi sehingga membentuk arstikteur molekul 3D yang spesifik. Struktur 3D biomolekul ini menentukan sifat biologisnya Struktur dan Fungsi Biomolekul 19 PENDAHULUAN Hubungan struktur dan fungsi: Protein Struktur dan Fungsi Biomolekul 20 20 PENDAHULUAN Sifat biomolekul 4. Interaksi non kovalen (interaksi lemah ) merupakan interaksi yang menentukan struktur 3 D Biomolekul Interaksi ionik (Coulombic) – Interaksi elektrostatik antara spesi yang bermuatan secara permanen (ion –ion) atau ion dengan dipol permanen Interaksi dipole (termasuk ik Hidrogen) – Interaksi elektrostatik antara molekul polar tapi tidak bermuatan Interaksi Van der Waals – Interaksi lemah antara molekul non polar Hydrophobic Effect – Interaksi yang terjadi antar molekul non polar dalam lingkungan air Struktur dan Fungsi Biomolekul 21 PENDAHULUAN Sifat biomolekul 4. Interaksi non kovalen (interaksi lemah ) merupakan interaksi yang menentukan struktur 3 D Biomolekul Ikatan hidorgen Struktur dan Fungsi Biomolekul 22 PENDAHULUAN Sifat biomolekul 4. Interaksi non kovalen (interaksi lemah ) merupakan interaksi yang menentukan struktur 3 D Biomolekul Struktur dan Fungsi Biomolekul 23 PENDAHULUAN Sifat biomolekul 4. Interaksi non kovalen (interaksi lemah ) merupakan interaksi yang menentukan struktur 3 D Biomolekul Interaksi Van der Waals Interaksi Van der Waals meningkatkan interaksi antar molekul yang komplemen. Gln121, terdapat pada permukaan pada lisozim, dikenali oleh situs pengikatan antigen antibodi terhadap lisozim. Gln121 (merah muda) sangat pas di kantong yang dibentuk oleh komponen antibodi Tyr32 (oranye), Phe91 (hijau muda), Trp92 (hijau tua), dan Tyr101 Struktur dan Fungsi Biomolekul 24 (biru). PENDAHULUAN Sifat biomolekul 4. Interaksi non kovalen (interaksi lemah ) merupakan interaksi yang menentukan struktur 3 D Biomolekul Interaksi Ionik Struktur dan Fungsi Biomolekul 25  PENDAHULUAN Sifat biomolekul 5. Pengenalan molekular (Molecular recognition) terjadi melalui komplementaritas struktural (In Non kovalen) Komplementaritas struktural adalah cara rekognisi dalam interaksi Sistem biologis, dari tingkat makromolekul hingga biomolekuler. tingkat sel, beroperasi melalui mekanisme Ciri MH → kompleks dan sangat terorganisir bergantung pada pengenalan molekul spesifik berdasarkan kemampuan biomolekul untuk mengenali dan berinteraksi satu komplementaritas struktural sama lain dengan cara yang sangat spesifik. Protein mengenali metabolit spesifiknya, antibodi Interaksi semacam itu sangat penting untuk metabolisme, mengenali antigennya, untai DNA mengenali untai pertumbuhan, replikasi, dan proses vital lainnya Struktur dan Fungsi Biomolekul komplementernya, sperma mengenali sel telur 26 PENDAHULUAN Sifat biomolekul 6. Interaksi lemah membatasi Organisme untuk hidup pada kondisi lingkungan yang terbatas Struktur dan Fungsi Biomolekul 27 PENDAHULUAN Sifat biomolekul 6. Enzim mengkatalisis reaksi metabolism dalam MH metabolisme—jalur reaksi yang teratur di mana reksi kimia seluler berlangsung dan transformasi energi biologis dicapai. Laju reaksi seluler merupakan faktor yang sangat penting dalam mempertahankan keadaan hidup. Namun tidak seperti rx di lab: suhu tidak dapat dinaikkan, asam atau basa tidak dapat ditambahkan, tekanan tidak dapat dinaikkan, dan konsentrasi tidak dapat ditingkatkan secara dramatis katalis biomolekuler memediasi reaksi seluler yaitu enzim enzim, mempercepat laju reaksi dengan orde magnitude yang besar dan mengenail subtract tertentu (sesuai prinsip pengenalan molekul sehingga reaksi yang terjadi bersifat spesifik Aktivitas Enzim dapat diatur dengan regulasi metabolik Struktur dan Fungsi Biomolekul 28 PENDAHULUAN Pohon kehidupan Struktur dan Fungsi Biomolekul 29 PENDAHULUAN Sel Struktur dan Fungsi Biomolekul 30 PENDAHULUAN Apakah virus termasuk MH? Struktur dan Fungsi Biomolekul 31 AIR Air mempunyai peran sentral dalam proses kimia dari semua mahluk hidup Biomolekul membentuk struktur 3 dimensi dengan ikatan non kovalen merupakan respon terhadap lingkungan air Sifat kimia air berhubungan erat dengan fungsi biomolekul, sel dan organisme 70% MH tersusun dari air Hidup bermula di lingkungan air Keberadaan air merupakan syarat adanya kehidupan yang mirip dengan yang ada di bumi Struktur dan Fungsi Biomolekul 32 AIR Sifat Unik air diturunkan dari struktur kimianya Sp3, stuktur bengkok, simetri C2v, Membentuk sudut 104.5 ⁰ Polar, momen dipol 1.86 D (sangat besar) Konstanta dielektrik yang tinggi Biomolekul polar larut: interaksi air-solut Biomolekul non polar tidak larut air: cenderung teraggregat Interaksi non covalent: ikatan hidrogen, ionik, hidrofobik dan van der Waals walaupun lemah namun gabungannya akan menentukan struktur 3 D biomolekul (protein, asam nukleat, polisakarisa, dan lipid membran) dalam linkungan air 33 Struktur dan Fungsi Biomolekul 33 AIR Ikatan hidrogen Ikatan hidrogen: interaksi elektostatik (90%) dan ikatan kovalen (10%) Ikatan hidrogen antar molekul air membuat daya kohesif air yang tinggi. Air dalam fase cair pas suhu kamar Ikatan hidrogen bertanggung jawab untuk sifat unik air: titik leleh, titik didih dan entalphi penguapan yang tinggi Energi disosiasi ikatan hidrogen: 23 kJ/mol (sangat rendah dibanding ik. Kovalen (400 kj/mol). Dinamis!! Kekuatan ik hidrogen tergantung dari orientasi ikatan yang terjadi Waktu paruh dlm cairan: 1-20 ps. Ik hidrogen secara terus menerus terbentuk dan terputus: dinamis Ik Hidrogren dalam air : 3.4 / molekul dalam es: 4 /molekul 34 Densitas es lebih kecil dari air Struktur dan Fungsi Biomolekul 34 Interaksi air dengan molekul polar 35 Air melarutkan biomolekul polar dengan interaksi Hidrogen 36 Air dapat melarutkan garam dengan menghidrasi ion (ik dipole ion) Air mempunyai konstanta dielektrik yang tinggi, 78.5 pada suhu 25⁰C Tidak ada interaksi > 40 nm Interaksi elektrostatik dari solvasi menurunkan energy sistem Entropi meningkat ketika kisi kristal larut dalam air 37 Ikatan ionik akan lebih kuat dilingkungan yang lebih non-polar 38 Kelarutan gas dalam air Gas yang penting untuk MH (CO2, O2, and N2) bersifat non polar 39 Efek hidrofobik: interaksi molekul non polar dalam lingkungan berair network ikatan hidrogen antar molekul air menjadi rusak molekul air menjadi “teratur” disekitar solut non polar: entropi turun pembentukan rongga dalam medium dengan tegangan permukaan yang tinggi 40 Efek hidrofobik: interaksi molekul non polar dalam lingkungan berair Molekul lipid terdispersi dalam larutan: ekor nonpolar setiap lipid akan dikerubungi oleh molekul air. Entropi turun. Pembentukan aggregate lipid: air akan terlepas, luas permukaan menurun. Entropi naik. 41 Efek hidrofobik: interaksi molekul non polar dalam lingkungan berair Pembentukan misel Semua gugus hidrofobik tidak berinteraksi dengan air Jumlah molekul air yang teratur dan berinteraksi dengan misel menjadi lebih sedikit Entropi meningkat 42 Efek hidrofobik: key of life! 43 Efek hidrofobik dalam interaksi enzim Sisi aktif enzim dan reseptor biasanya bersifat hidrofobik Sisi aktif tersebut bisa berikatan dengan substrat dan ligan yang hidrofobik seperti ligan hormon steroid Molekul obat didesain dengan memanfaatkan efek hidrofobik ini 44 Terdapat air yang terikat kuat dengan protein: Air terikat Air terikat memiliki sifat yang berbeda dengan air dalam larutan Air terikat sangat penting untuk fungsi dari biomolekul tersebut 45 Terdapat air yang terikat kuat dengan protein: Air terikat Rantai air dalam sitokrom f Proton hopping 46 Sifat Koligatif: tergantung dari jumlah molekul solut Titik didih, titik leleh, dan osmolaritas Sifat non koligatif, tergantung dari jenis senyawa solut: rasa, warna, tegangan permukaan, dan viskositas Sitoplasma merupakan larutan berkonsentrasi tinggi dan memiliki tekanan osmotik yang besar 47 Sifat Koligatif: tergantung dari jumlah molekul solut Tekanan osmosis untuk solut tunggal Π = RT (ic) i factor van hoft dan c adalah konsentrasi Untuk campuran : Π = RT Σ (ic) Kenapa gula disimpan dalam bentuk glikogen? 48 Sifat Koligatif: tergantung dari jumlah molekul solut 1. Misalkan zat terlarut utama dalam lisosom utuh adalah KCl (,0,1 M) dan NaCl (0,03 M). Ketika mengisolasi lisosom, berapa konsentrasi sukrosa yang diperlukan dalam larutan ekstraksi pada suhu kamar (25 ⁰C) untuk mencegah pembengkakan dan lisis? 2. Bila sukrosa tersebut diganti dengan menggunakan larutan polisakarida, seperti glikogen, untuk menyeimbangkan kekuatan osmotik lisosom. Dengan asumsi polimer linier 100 unit glukosa, hitung jumlah glikogen yang dibutuhkan untuk mencapai kekuatan osmotik yang sama dengan larutan sukrosa. Mr dari polimer glukosa adalah ,18.000, dan glikogen tidak terionisasi dalam larutan. 49 Ionisasi Air Berapa konsentrasi H+ dalam larutan 0,1 M NaOH? Nilai K eq, ditentukan dengan pengukuran konduktivitas listrik air murni, adalah 1,8 x10-16 M pada 25 ⁰C. 50 Ionisasi Air pH = -log[H+] K w = [H + ][OH- ] = 110−14 M 2 − log[ H + ] − log[ OH - ] = +14 pH + pOH = 14 51 Keasaman suatu senyawa diukur dari pKa pKa = -log Ka (asam kuat→ besar→ pKa kecil) 52 Keasaman suatu senyawa diukur dari pKa Nilai pKa Asam Lemah dapat diperoleh dari metode titrasi 53 Hubungan Kelarutan dengan pH Air akan lebih mudah melarutkan molekul yang terionisasi pKa= 5 + H+ 54 Latihan: Prediksi kelarutan molekul di bawah ini dalam larutan basa (0.1 M NaOH) atau asam (0.1 M HCl) 55 Buffer: campuran asam lemah dan basa konjugatnya larutan buffer dapat menahan perubahan pH pada pH = pKa, terdapat campuran 50:50 antara asam dan basa konjugat nya kapasitas buffer terbesar pada pH = pKa Kapasitas buffer hilang saat pH berubah lebih dari 1 unit pH 56 Buffer: Persamaan Henderson–Hasselbalch 57 Mekanisme Buffer Persamaan Henderson-Hasselbalch : 1. menghitung pKa, jika ada pH dan rasio molar donor dan akseptor proton 2. menghitung pH, jika ada pKa dan rasio molar donor dan akseptor proton 3. hitung rasio molar donor dan akseptor proton, berdasarkan pH dan pKa. 58 Latihan: Berapa persen histidine yang terionisasi pada pH 7.3 diketahui pKa histidine adalah: pKa1 = 1. 8 pKa2= 6 pka3 = 9.2 59 Latihan: a. Berapa pH campuran dari 0.042 M NaH2PO4 and 0.058 M Na2HPO4 pka 6.8 b. jika 1,0 mL 10,0 M NaOH ditambahkan ke satu liter buffer disiapkan di (a), berapa banyak perubahan pH? c. Jika 1,0 mL 10,0 M NaOH ditambahkan ke satu liter air pada pH 7.0, berapa pH akhir? Bandingkan ini dengan jawabannya di (b). 60 Buffer dalam sistem biologis: Menjaga pH intraselular merupakan hal vital untuk sel – Enzim bereaksi optimal pada pH tertentu – Solubilitas molekular polar tergantung dari keadaan ionisasi dari molekul tersebut – Kesetimbangan gas CO2 and dan HCO3- tergantung pada pH Sistem buffer: – Bufer fosfate : dalam sitoplasma – Bufer bicarbonate: plasma darah CO2 + H2O H2CO3 H2CO3 H+ + HCO3- HCO3- CO3-2 + H+ 61 pKa = 6.4 pKa = 10.2 (tidak relevan, jauh dari pH 7.4) Buffer dalam sistem biologis: 62  Fungsi Biologis Protein Katalis – enolase (pada jalur glikolisis) – DNA polimerase (pada replikasi DNA) Transport – hemoglobin (transport O2 dalam darah) – laktosa permease (transpor laktosa melewati membran sel) Struktur – Kolagen (jaringan ikat) – keratin (rambut, kuku, bulu, tanduk) Pergerakan – myosin (jaringan otot) – actin (jaringan otot, motilitas sel) Asam amino: Building Blocks Protein Protein Peptida: oligomer dari 1 atom N pada gugus guanidina dan imidazola  bentuk paling terprotonasi untuk Arg dan Hys ialah yang dengan gugus =N: terprotonasi menjadi =NH+: Arg pada pH 1 Hys pada pH 1 Asam amino netral pKa1 pKa2 Gly 2.3 9.6 Ala 2.3 9.7 Val 2.3 9.6 Leu 2.4 9.6 Ile 2.4 9.7 Phe 1.8 9.1 Asn 2.0 8.8 Gln 2.2 9.1 Trp 2.4 9.4 Pro 2.0 10.6 Ser 2.2 9.2 Thr 2.6 10.4 Tyr 2.2 9.1 (pKa3 = 10.1) Hyp 1.9 9.7 Cys 1.7 10.8 (pKa3 = 8.3) Cys-Cys 1.6; 2.3 7.9; 9.9 Met 2.3 9.2  Asam amino asam pKa1 pKa2 pKa3 Asp 2.1 9.8 3.9 Glu 2.2 9.7 4.3 Asam amino basa pKa1 pKa2 pKa3 Lys 2.2 9.0 10.5 Arg 2.2 9.0 12.5 His 1.8 9.2 6.0 Pada pH fisiologis (7.3) di dalam sel, nitrogen berikatan-rangkap pada cincin imidazola His belum cukup basa untuk terprotonasi. Perbedaan titik isoelektrik dimanfaatkan untuk memisahkan campuran asam amino dan/atau protein  elektroforesis Campuran asam amino diletakkan pada penyangga padat, misalnya kertas. Penyangga tersebut dibasahi dengan larutan bufer, lalu diberi medan listrik. pH buffer 8 pH buffer 4 pI ialah pH bufer yang tidak menyebabkan pergerakan alanina (6,02). Latihan 1 1) Gambarkan reaksi kesetimbangan asam-basa dan hitung pI pada: a. fenilalanina b. asam glutamat c. histidina 2). Gambarkan struktur spesi apa saja yang dijumpai dalam larutan asam amino R pada pH 2.0 3) Jika campuran dari fenilalanina, asam glutamat, dan histidina diletakkan dalam perangkat elektroforesis dengan pH 7.2, bagaimanakah arak gerakan (ke anode atau katode) dari setiap asam amino tersebut? Arg pada pH 1 Hys pada pH 1  Struktur Protein Struktur Primer (Pembentukan Ikatan Peptida) Struktur 2 dimensi yang menggambarkan urutan residu asam amino penyusun protein dan ikatan tulang-punggung peptida. ikatan peptida (dehidrasi antarmolekul)  Ujung dengan gugus –NH2, disebut ujung-N, di sebelah kiri.  Ujung dengan gugus –CO2H, disebut ujung-C, di sebelah kanan.  Peptida dinamai dari ujung-N ke ujung-C, dengan semua asam amino selain ujung-C diganti dari akhiran -ina menjadi -il. Menggunakan nama lengkap asam amino: – serylglycyltyrosylalanylleucine Menggunakan kode abreviasi tiga huruf: – Ser-Gly-Tyr-Ala-Leu Pada peptida yang lebih panjang (seperti protein) kode satu huruf dapat digunakan: – SGYAL  Peptida: Keberagaman fungsi Hormon dan feromon – insulin (metabolisme gula) – oksitosin (persalinan) – sex-peptide (serangga) Neuropeptida – antiinflamasi (pereda nyeri) Antibiotik – polymyxin B (untuk bakteri Gram – ) – bacitracin (untuk bakteri Gram +) Proteksi, seperti racun. – amanitin (jamur) – conotoxin (cone snails) – chlorotoxin (kalajengking)  Latihan: (a) Gambarkan rumus struktur tripeptida glisilalanilserina (Asp-Cys-Val) pada pI. Diketahui rantai samping R untuk ketiga asam amino tersebut berturut-turut –CH2COOH, –CH3SH, dan –CH(CH3)2 (b) Ada berapa ikatan peptida di dalamnya? Lingkari semua ikatan itu. (c) Asam amino apakah yang menjadi ujung N dan ujung C? (d) Ke arah mana tripeptida tersebut akan bergerak dalam peralatan elektroforesis pada pH 3? (e) Tuliskan rumus singkat semua kemungkinan isomer tripeptida dari Gly-Ala-Ser. Struktur Sekunder Struktur 3 dimensi hasil pelipatan polipeptida C O H N akibat ikatan hidrogen antara O-karboksil dan N-amino dari ikatan peptida  Intrarantai  heliks- (wol, rambut) h h (a) terjadi jika R berukuran besar (b) gugus R menonjol keluar heliks (c) merupakan kumparan berputar-kanan: ikatan hidrogen terjadi tiap selang 3 AA (AAn dan AAn+4)  Antarrantai  lembaran terlipat- (sutera) (a) terjadi jika monomer utamanya Gly dan Ala (R kecil) (b) gugus nonhidrogen terletak pada 1 sisi lembaran (c) gaya lemah antarlembaran membuatnya terasa halus. h h Struktur Tersier Struktur 3 dimensi hasil pelipatan polipeptida akibat interaksi antargugus R dari residu asam amino penyusun protein: (1) Jembatan garam: Terjadi antara residu asam amino-asam (Asp & Glu) dan -basa (Lys, Arg, Hys), yaitu antara gugus CO2- dan NH3+. (2) Ikatan hidrogen: Terjadi di antara residu-residu yang memiliki gugus fenolik (Tyr), hidroksil (Ser, Thr), karboksil (asam amino asam), amino dan gugus bernitrogen lainnya (asam amino basa), atau amida (Asn, Gln). (3) Jembatan disulfida: Terjadi di antara 2 residu Cys yang teroksidasi. O O NH CH C NH CH C CH2SH oksidasi CH2 S CH2SH reduksi CH2 S NH CH C NH CH C O O 2 residu sisteina residu sistina Contoh: Pengeritingan dan pelurusan rambut (4) Interaksi hidrofobik: Terjadi karena residu-residu nonpolar (Ala, Val, Leu, Ile, Phe, Cys) secara termodinamika lebih suka mengelompok untuk menghindari interaksi dengan air. Struktur Kuaterner Struktur yang dihasilkan dari interaksi struktur tersier dengan senyawa lain, baik protein maupun nonprotein. MIOGLOBIN (contoh struktur tersier) Hemoglobin (gabungan 4 mioglobin: 2 & 2) merupakan contoh struktur kuaterner.  Protein terdiri atas: Polipeptida (-amino acids yang terikat secara kovalen) + xxxx: kofaktor Komponen fungsional non-asam amino yang membantu kerja protein. Dibedakan menjaidi 2, yaitu: a. Kofaktor anorganik, seperti logam b. Kofaktor organik atau koenzim: Yang berikatan lemah, contoh flavin gugus prostetik, Terikat secara kovalen pada kofaktor - Contoh: Heme pada myoglobin Protein Terkonjugasi Terikat secara Kovalen pada Suatu Nonprotein Protein dapat dipisahkan dan dimurnikan Protein umumnya terdapat di sel atau jaringan 1. Sel di “buka” untuk melepaskan protein ke dalam larutan (ekstrak kasar) 2. Sentrifugasi diferensial 3. Setelah ekstrak atau fraksi organel siap, banyak teknik yang bisa digunakan untuk mendapatkan protein  Pemisahan campuran protein “Salting out”: mengendapkan protein pada konsetrasi garam yang tinggi, biasanya digunakan (NH4)2SO4 Dialisis: pemisahan protein dari pelarut berdasarkan ukuran. Protein dimasukan kedalam kantong semi permeabel yang direndam dalam larutan buffer. Ion dan buffer akan berkesetimbangan, sedangkan protein tidak bisa keluar. Bisa digunakan untuk menghilangkan (NH4)2SO4  Kromatografi Kolom Stationary phase Mobile phase Effluent Type: Ion exchange Size Exclusion Affinity Pemisahan Berdasakan Muatan: Pertukaran Ion Pemisahan Berdasarkan Ukuran: Size Exclusion Pemisahan Berdasarkan Ikatan: Afinitas  Elektroforesis pada Analisis Protein Pemisahan dalam skala analitik secara umum dapat dilakukan dengan electrophoresis. – Medan listrik dapat menarik protein berdasarkan muatannya. – Matriks gel membatasi mobilitas protein berdasarkan ukuran dan bentuknya. – Gel yang digunakan umumnya adalah polyacrylamide, sehingga pemisahan protein menggunakan elektroforesis seringkali disebut polyacrylamide gel electrophoresis, atau PAGE.  SDS PAGE Memisahkan Protein Berdasarkan Bobot Molekul SDS – sodium dodecyl sulfate – detergen Misel SDS terikat pada protein dan menyebabkan unfolding dan denaturasi protein – SDS memberikan semua protein muatan negatif secara seragam. Penambahan beta-merkaptoetanol bertujuan memutuskan jembatan disulfida Laju pergerakan hanya akan bergantung pada ukuran: protein- Staining (pewarnaan): Coomassie blue SDS-PAGE Dapat Digunakan untuk Menghitung Bobot Molekul Protein  Asam Amino Aromatik dapat Menyerap Cahaya dengan Perlakuan yang Bergantung pada Konsentrasi Asam amino aromatik menyerap cahaya pada daerah UV. Protein memiliki absorbansi UV maksimum pada 275– 280 nm. Tryptophan dan tyrosine merupakan kromofor paling kuat. Untuk protein dan peptida dengan extinction coefficients (or sequences) yang diketahui, konsentrasi dapat ditentukan oleh Spektrofotometri UV-visible menggunakan hukum Lambert-Beer: A = cl Terima kasih! Struktur Protein Struktur Primer Protein Asam amino Ikatan peptida Struktur Sekunder Protein α-helik β-sheet β-turn Random coil Struktur tersier protein Protein fibrous (berserat) Protein α-keratin Protein Kolagen Fibroin Sutera (silk) Protein globular contoh protein globular Motif struktur protein Struktur kuartener protein Protein folding Penyakit yang berkaitan dengan protein folding 4 Levels of Protein Structure Ikatan peptida Reaksi kondensasi dengan melepaskan air Ikatan peptida = amida Asam amino dalam ikatan peptida ini sering dinamakan dengan residu Gugus R tidak berubah dalam reaksi ini dan tetap aktif Urutan asam amino yang berikatan peptida disebut sekuen asam amino Asam amino merupakan molekul penyusun (building blocks) protein Reaksi secara termodinamika tidak spontan. Membutuhkan energi. Prosesnya disebut sebagai translasi protein  Resonansi pada Ikatan Peptida Struktur protein sebagian dibentuk berdasarkan sifat-sifat dari ikatan peptida. Ikatan peptida merupakan resonansi hibrida dari struktur kanonik Resonansi (pemakaian bersama elektron) menyebabkan ikatan peptida, Kurang reaktif dibandingkan ester Ikatan C-‐N pada ikatan peptida lebih pendek daripada ikatan C-‐N pada amina sederhana. Membuatnya kaku dan hampir planar. Menunjukkan momen dipol yang besar dan konfigurasi trans Ikatan peptida /ikatan tulang punggung sangat rigid Ujung N ke ujung C Konfigurasi trans Kecuali proline bisa terdapat konfigurasi cis 5  Kekakuan pada bidang peptida dan Rotasi bebas sebagian Rotasi di sekitar ikatan peptida tidak diperbolehkan Rotasi di sekitar ikatan-ikatan yang terhubung pada karbon alfa diperbolehkan  (phi): sudut di sekitar -‐carbon—amide nitrogen bond  (psi): sudut di sekitar the -carbon—carbonyl carbon bond Pada polipeptida yang diperpanjang sepenuhnya,  dan  keduanya adalah 180°  Kekakuan pada bidang peptida dan Rotasi bebas sebagian 6 atom pada peptida terdapat dalam 1 bidang Atom O pada karbonil dan atom H pada N amida adalah trans Berdasarkan ikatan rangkap parsial, ikatan peptida tidak dapat berotasi secara bebas. Membatasi konformasi polipeptida 4 Levels of Protein Structure  Struktur Sekunder Struktur sekunder α heliks β sheet β-turn Random coil (tidak teratur) Dibentuk dari interaksi non kovalen (ik hidrogen) antara gugus fungsi amida dari AA yang berdekatan (α heliks) dan sgemen yang berdekatan (β sheet)  -Heliks Tulang punggung heliks disatukan oleh ikatan hidrogen antara tulang punggung amida dari asam amino n dan n+4 Right-‐handed helix dengan 3.6 residu (5.4 Å) per putaran Ikatan peptida bisa dianggap sejajar dengan sumbu heliks Rantai samping mengarah keluar dan kira2 tegak lurus dengan sumbu heliks Pernyataan yang tepat tentang Ikatan hidrogen pada strukur alfa heliks adalah A. sejajar dengan sumbu heliks. B. tegak lurus dengan sumbu heliks. C. terjadi di antara atom elektronegatif dalam gugus R. D. hanya terjadi di antara beberapa asam amino dalam struktur heliks. E. hanya terjadi pada heliks di dekat gugus amina dan karboksil ujung Kiralitas struktur heliks  -Heliks: Top View Diameter bagian dalam heliks (tanpa rantai samping) adalah sekitar 4–5 Å Diameter bagian luar heliks (dengan rantai samping) adalah 10–12 Å Residu 1 dan 8 sejajar dengan baik di atas satu sama lain Jenis sekuens seperti apa yang akan menghasilkan α-heliks dengan permukaan hidrofobik? Penyusun: Residu hirofobik yang kecil, seperti Ala dan Leu Perusak: Pro dan Gly   Sheets Planaritas dari ikatan peptida dan geometri tetrahedral dari karbon -membentuk struktur seperti lembaran berlipat Susunan tulang punggung seperti lembaran disatukan oleh ikatan hidrogen antara tulang punggung amida dalam segmen yang berbeda Rantai samping menonjol dari lembarannya secara bergantian ke atas dan ke bawah   Sheets Tulang punggung diperpanjang menjadi zigzag dan disusun berdampingan membentuk lembaran  Bentuk ikatan hidrogen antara segmen yang berdekatan atau terkadang bisa sangat jauh atau bahkan di antara polipeptida yang berbeda Menghasilkan ikatan H yang bengkok Grup R dari aa yang berdekatan (lebih lemah) mempunyai orientasi berlawanan Syarat ukuran: grup R berdekatan harus berukuran kecil Misalnya, -keratin (Serat sutra dan serat jaring laba-laba) memiliki kandungan Gly dan Ala yang tinggi (Grup R terkecil) Menghasilkan ikatan H yang bengkok (lebih lemah)   Turns β turns sering terjadi setiap kali untaian di lembaran β berubah arah Bisa menghubungkan elemen b sheet dan alpha heliks secara berurutan Putaran 180°dibuat oleh 4 aa Beta turn distabilkan oleh ik. Hidrogen dari oksigen karbonil dan proton amida dari aa 1 dan aa 4 β turns : Prolin di posisi 2 atau glisin di posisi 3  Proline Isomers ikatan peptida yang tidak melibatkan prolin mempunyai konfigurasi trans (>99.95%) Peptida mengandung prolin, terdapat 6% ik. Peptida dengan konfigurasi cis. Sebagian besar dari 6% ini melibatkan β-turns Isomerisasi prolin dikatalisis oleh prolin isomerase Struktur tersier protein Interaksi: banyaknya interaksi lemah Dua jenis struktur tersier: antara rantai samping asam amino Protein serat (fibrous) (bisa tidak berdekatan) dalam satu Protein globular rantai polipeptida. Protein serat dan globular Protein Serat (Fibrous) Protein globular Rantai polipeptida tersusun rantai polipeptida melipat Definisi dari untaian panjang membentuk bentuk satu jenis struktur sekunder sperikal. Bentuk panjang dan atau Terdiri atas berbagai jenis berlembaran-lembaran struktur sekunder. Bentuk kompak Beragam fungsi: katalis, Fungsi struktur dan bentuk sel transport, storage, pergerakan Kelarutan Sebagian besar larut Tidak larut air air Keratin, sutera, Enzim, myoglobin, Contoh kolagen ferritin, actin  Protein Fibrous : Dari Struktur hingga Fungsi Fungsi Struktur Contoh Kokoh, kaku, keras Cross-linked -helixes -keratin (kuku, tanduk) Rigid linker (S—S) Kekuatan tarik, Cross-linked triple-helixes Collagen tidak elastis Flexible linker (Lys-HyLys) (tendon, tulang rawan) Halus, fleksibel, Non-covalently held -sheets tidak elastis van der Waals interaction Silk fibroin (egg sac, nest, web) Protein serat (fibrous): keratin Strukur 3o sederhana: alpha heliks Struktur 4o kompleks: gabungan koil bergabung membentuk kompleks supramolekuler besar.  Struktur Kolagen Kolagen: tendons, tulang rawan, tulang , kornea mata. Kaya akan : Gly-‐ and Pro, left‐ handed helix, tripeptide (Gly-‐X-‐X) Stuktur heliks kolagen berbeda dengan dengan α helix: 1) left handed 2) Setiap 3 aa berputar Tiga rantai kolagen berikatan membentuk right-‐handed superhelical triple helix yang mempunyai kekuatan yang lebih tinggi (bahkan dibanding kawat besi yang ukurannya setara)  Struktur Kolagen Triple helik bergabung menjadi fibril  Struktur sutera: fibroin Fibroin adalah protein utama pada sutra dari ngengat dan laba-laba. Struktur antiparalel  sheet Rantai samping mayoritas kecil (Ala dan Gly) bisa dipack lebih dekat Silk tidakl “melar” (konformasi  is highly extended) Fleksibel : struktur distabilkan oleh – Ik. hidrogen antar lembaran – Interaksi dispersi london antar lembaran  Strukur Protein Tersier Protein Globular – rantai polipeptida melipat membentuk bentuk sperikal. – Ada banyak tipe struktur 2o – enzime dan regulator – Sebagian besar larut air (hidrofilik) – Bentuk kompak  Protein Globural Segmen-segmen yang berbeda dari rantai polipeptida (or multiple polypeptide chains) fold back on each other →→ compact form Menyediakan keberagaman struktural untuk melakukan berbagai fungsi biologis Human serum albumin  contoh: Myoglobin Mr 16700, protein pengikat O2 dalam sel otot Meyimpan O2 dan memasok dengan cepat ke otot yang berkontraksi. Memiliki grup heme. Berlimpah pada otot mamalia laut. 8  heliks lurus lalu disambung oleh lengkungan karen  turns Terpanjang aa helix – 23; paling pendek aa helix – 7 70% myoglobin adalah  helix Kebanyakan Grup R hidrofobik R berada dalam protein Residu hidrofobik berwarna biru: terbenam dalam bagian interior protein Struktur Protein Struktur Primer Protein Asam amino Ikatan peptida Struktur Sekunder Protein α-helik β-sheet β-turn Random coil Struktur tersier protein Protein fibrous (berserat) Protein α-keratin Protein Kolagen Fibroin Sutera (silk) Protein globular contoh protein globular Motif struktur protein Struktur kuartener protein Protein folding Penyakit yang berkaitan dengan protein folding  Struktur Protein Kuartener Struktur Kuartener terbentuk dari penggabungan tiap- tiap polipeptida menjadi klaster fungsional yang lebih besar. protein multisubunit Tetramer or dimer of αβ protomers  Proteostasis 1) Sintesis protein pada ribosom 2) Pelipatan protein (melibatkan kompleks yang disebut dengan chaperons) 3)Pengisolasian dan degradasi protein yang unfolded (tidak melipat) secara permanen  Stabilitas Protein dan Pelipatan Fungsi protein bergantung pada struktur 3D Denaturasi: hilangnya struktur native yang menyebabkan hilangkan fungsinya Bukan berarti protein tidak melipat (unfolded) secara keseluruhan Dalam banyak kasus, protein yang terdenaturasi terdapat dalam keadaan melipat sebagian  Stabilitas Protein dan Pelipatan Denaturan: Panas: mempengaruhi interaksi lemah (mainly H-‐bonds) Extremes of pH: mengubah muatan total dari protein, repulse elektrostatik, hilangnya ikatan hidrogen Pelarut Organik, detergen: interaksi hidrofobik rusak Agen Chaotropic agents (urea and guanidine HCl): rusaknya pengubahan molekul air yang mensolvasi protein  Experiment Refolding Renuklease Renaturasi: beberapa protein terdenaturasi dapat kembali ke konformasi asalnya dan dan aktivitas biologinya jika dikembalikan pada kondisi dimana konformasi asalnya stabil. Ribonuklease A adalah protein kecil yang mengandung 8 sisteines terhubung dengan 4 ikatan disulfide Chris Anfinsen the 1972 Chemistry Nobel Prize Protein misfolding is the basis of numerous human diseases cystic fibrosis : terjadi karena mutasi pada gen untuk protein cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR), a Cl-‐ channel. Protein misfolding is the basis of numerous human diseases Mad cow disease disebabkan oleh misfolded protein (prion)  Protein misfolding is the basis of numerous human diseases Amyloid fibrils terakumurlasi pada Alzheimer's disease dan banyak neurodegenerative diseases lainnya.  Assisted Folding of Proteins Tidak semua protein melipat secara spontan Molecular chaperones: merupakan protein yang membantu protein melipat dengan berinteraksi dengan polipeptida yang terlipat sebagian dan menyediakan keadaan un for pelipatan yang tepat Dua kelas: 1. Hsp70 – heat shock proteins of MW ~70 kDa -‐ mengikat untuk membuka polipeptida yang kaya akan aa hidrofobik -‐ membutuhkan Hsp40 lain -‐ Pada bakteri, homologs DnaK dan DnaJ -‐ Mencegah agregasi dari protein unfolded 2. Chaperonins – (GroEL/GroES pada bakteri) -‐ barrel and lid, menyediakan microenvironment yang baik protein folding  Chaperon tidak secara aktif Pada sistem eukariotik: chaperon melakukan pelipatan protein, namun menyediakan tempat untuk protein mencegah agregasi dari protein yang melakukan folding belum melipat  Fungsi Protein Globular Tempat menyimpan (ion/molekul) – myoglobin, ferritin Transpor ion-ion dan molekul- molekul – hemoglobin, glucose transporter Pertahanan terhadap patogen – antibodi, sitokin Kontraksi otot – aktin, myosin Katalisis biologi – kemotripsin, lisozim Fungsi Protein Globular Interaksi protein dan ligan Protein berikatan dengan oksigen (globin) Struktur protein pengikat oksigen (myoglobin) dan transport oksigen (hemoglobin) Mekanisme pengikatan oksigen ( cooperative binding) Pertahanan Tubuh (antibody) Interaksi komplementer antibody Interaksi Protein dan Ligan Fungsi protein → berikatan Ikatan sangat spesifik : protein dan dengan molekul lain ligand dapat berubah konformasi Reversibel Non kovalen Ligan: molekul yang berikatan protein Binding site: Bagian dari protein yang berikatan dengan ligan. Sisi ini komplementer dengan ukuran, bentuk, dan karakter hidrofobik atau hidrofilik dari ligan Enzim merupakan kasus khusus dari ikatan protein ligand (substrate) Induced fit memungkinkan pengikatan ligan semakin erat. Interaksi Protein dan Ligan Maka dengan mensubtitusikan [PL] = Ka[L][P], akan kita dapatkan: Kita bisa tulis ulang untuk Nilai Ka dapat diperoleh dari plot menentukan rasio antara kompleks antara θ dan ligan bebas protein-ligand dengan protein bebas Kita bisa mendefinisikan fraksi terikat (θ) sebagai berikut Konsentrasi L saat θ= 0.5 → 1/Ka atau Kd = Konstanta disosiasi Interaksi Protein dan Ligan Kd merupakan konsentrasi molar Bila ligannya gas (seperti pada ligand saat setengah dari sisi binding protein globin) maka dapat enzim terpakai menggunakan tekanan parsial Kd menunjukan afinitas protein Berapakah nilai Kd untuk protein X terhadap suatu ligand dan Y, dan mana yang lebih kuat afinitas proteinnya Semakin kuat ikatannya → Kd semakin kecil Interaksi Protein dan Ligan Soal Latihan: Protein A berikatan dengan ligan dengan laju asosiasi (ka) 8.9 x 103 M-1s-1. dan Konstanta disosiasi Kd adalah 10 nm. Berapakah laju disosiasi (kd) Suatu antibody berikatan dengan antigen dengan Kd = 5 x 10-8 M. Pada konsentrasi antigen berapakah nilai θ = 0.2? Protein Pengikat Oksigen: Globin Mioglobin (Mb) Hemoglobin (Hb) Monomerik Tetramer (α2β2). Mempunyai sisi Storage: membawa O2 ke alosterik mitokondria dalam sel Transport O2 dari paru-paru ke Gugus prostetik Heme jaringan sel Mengikat 1 molekul oksigen Gugus prostetik Heme Pengikatan O2 bukan Mengikat 4 molekul oksigen cooperative binding Pengikatan O2 dengan bentuk Sekuen AA berbeda dengn Hb cooperative binding (bisa Struktur tersier mirip dgn Hb megubah afinitas thpd oksigen) Protein Pengikat Oksigen: Globin Bagaimana Hb bisa mengikat secara kuat O2 di paru-paru dan mudah melepas di jaringan yang butuh O2 → cooperative binding Hemoglobin has a sigmoidal binding response to oxygen 100 torr: 98% saturated 20 torr: 32% saturated 66% change possible due to cooperativity (a non-cooperative transport protein could achieve 38% at best) Mekanisme Cooperative Binding Pengikatan oksigen pada 1 sisi ikat O2 mempengaruhi pengikatan 3 sisi ikat lainnya Pengaruh ini →perubahan konformasi hemoglobin. Terdapat 2 keadaan: Keadaan T: afinitas O2 rendah Keadaan R: afinitas O2 tinggi Mekanisme Cooperative Binding Oksigen terikat pada ion besi pada gugus prostetik yang disebut heme. Ada 4 heme dalam hemoglobin yang terpisah antara 24 dan 40 Angstrom terpisah. Bil Koord besi= 6 Setiap besi memiliki enam situs koordinasi, salah satunya dapat ditempati oleh oksigen. Oxygen N N Fe N N Histidine Heme = ion Fe2+ dan protoporphyrin Mekanisme Cooperative Binding Tanpa O2. In the absence of oxygen, Ikatan O2 ion besi bergerak ke ion besi terletak 0,4 Angstrom di luar bidang cincin porfirin, menarik bidang cincin porfirin. histidin ke atas dan lebih dekat ke porfirin. Mekanisme Cooperative Binding Tertariknya histidine ke atas, menarik juga struktur heliks sehingga mengarah langsung ke daerah antarmuka tetramer. Menyebabkan perubahan struktur kuarterner → mengubah afinitas oksigen pada sisi ikat lain (Two distinct stable quaternary arrangements) Mekanisme Cooperative Binding Bentuk sigmoid dari kurva pengikatan dihasilkan dari peralihan antara status T dan R. Fraksi terikat Mekanisme Cooperative Binding Model cooperative binding: Concerted Model All T All R Sequential Model All T Mixed T and R subunits All R  Anemia sell sabit disebabkan oleh mutasi pada hemoglobin individu homozygous alel sel sabit yang mengkode subunit  Ketika Hb dari pasien yang sakit di deoksigenisasi (Hb S) akan mengagregat dan mengendap (normal Hb, Hb A tidak akan mengendap saat di- deoksigenasi) Perbedaannya adalah substitusi aa Glu6 → →Val pada rantai  dari Hb Rantai samping Val yang baru (hidrofobik) mengikat molekul Hb berbeda sehingga membentuk suatu untaian homozygous individu yang tidak diobati umumnya meninggal saat anak-anak Heterozygous individuals menunjukkan resistensi terhadap malaria Efektor Alosterik: BPG Afinitas Hb terhadap oksigen dapat dikendalikan oleh efektor eksternal, yang mempengaruhi keseimbangan antara keadaan T dan R. Efektor yang mendukung keadaan T membantu hemoglobin dalam melepaskan oksigen yang terikat. Contoh: 2,3-Bis-phosphoglycerate: BPG menurunkan afinitas Hb thdp oksigen. Sehingga membantu melepaskan oksigen ditempat yang dibutuhkan BPG menstabilkan keadan T dengan interaksi ionik Efektor Alosterik: BPG Janin tidak terlalu berpengaruh oleh BPG Adaptasi Climber Rantai b janin berbeda dalam Adaptasi: meningkatkan jumlah residu 143 His diganti menjadi Ser produksi sel darah merah dan Hb Interaksi ionic BPG hilang. Afinitas Hb janin thd O2 meningkat Meningkatkan jumlah BPG → transfer O2 dari Hb ibu. Efektor Alosterik: Bohr Effect The Bohr effect: CO2 dan H+ dapat menurunkan afinitas Hb thdp Oksigen Efek Bohr dapat dijelaskan dengan interaksi ionik. Ketika terprotonasi, Histidin 146 Ujung N (positif) rantai Hb terletak di pada rantai b bermuatan positif, interface subunit α dan β interaksi ionik dengan Asp 94, yang menstabilkan keadaan T. CO2 Carbon dioxide dapat bereaksi Pada pH rendah, keadaan T membentuk carbamate (negatif) disukai, menurunkan afinitas sehingga dapat berinteraksi ionic yang oksigen. menstabilkan keadaan T  Sistem Imun Seluler Antibodi mengikat fragmen yang muncul pada permukaan sel yang menyerang Fagosit: Sel khusus yang memakan pathogen Makrofage: Fagosit besar yang menelan bakteri yang ditandai oleh antibodi  Sistem Imun Humoral Sistem pertahanan tubuh: soluble antibodies yang secara spesifik mengikat antigen – Antigen adalah substansi yang dapat menstimulasi produksi antibodi Biasanya makromolekular di alam Dikenal sebagai zat asing oleh sistem imun Coat proteins dari bakteri dan virus Karbohidrat permukaan dari sel atau virus – Antibodi adalah protein yang diproduksi sel B dan secara spesifik mengikat antigen Antigen terikat antibodi akan dikenali oleh sistem imun Antibodi yang diberikan akan mengikat bagian kecil (epitope) dari antigen Satu antigen memiliki beberapa epitope  Antibodi: Immunoglobulin G Terdiri atas dua rantai berat dan dua rantai ringan Rantai ringan: satu domain tetap dan satu domain bervariasi Rantai berat: Tiga domain tetap dan tiga domain bervariasi Domain bervariasi dari setiap rantai dapat membentuk binding site antigen (dua/antibodi) Domain yang bervariasi memiliki bagian yang hypervariable (secara spesifik situs antigen-- ‐binding) Memberi kespesifikan antigen yang tinggi  Pengikatan antigen via induced fit Pengikatan antigen menyebabkan perubahan struktur yang signifikan terhadap antibodi Antibodi mengikat antigen secara ketat dan spesifik(Kd ~ 10–10 M)  Interaksi Antigen-‐Antibodi: rapid antigen Poliklonal antibodi – Diproduksi oleh limfosit B yang berbeda merespon satu antigen(e.g. antigen injected in an animal) –Mengandung campuran Ab yang mengenali bagian yang berbeda dari antigen Antibodi monoklonal – Diproduksi oleh sel B yang indentik (cloned) yang tumbuh dalam kultur sel – Homogeneous, mengenali bagian yang sama dari antigen Dapat digunakan untuk affinity chromatography (attached to beads) Serta pada ELISA dan immunoblot assays Definisi enzim: Enzim merupakan biomolekul yang dapat berfungsi sebagai katalis Spesifik Efisien Berfungsi dalam sistem aqueous Protein globular (Sebagian besar) dan RNA (ribozyme, rRNA → teori RNA world) Memiliki kofaktor (logam, vitamin, koenzim, gugus prostetik) Keunggulan enzim: Mempercepat laju reaksi Reaksi sangat selektif Kondisi reaksi tidak ekstrem Dapat diregulasi Metabolit mempunyai banyak jalur reaksi Enzim tertentu akan mengkatalis hanya satu jalur reaksi terrsebut Selektifitas enzim Contoh: enzim phenilalanin hidroksilase Cara Kerja Enzim: Enzim hanya meningkatkan laju reaksi untuk mencapai titik kesetimbangan namun tidak mempengaruhi kesetimbangan reaksi Cara Kerja Enzim: Enzim menurunkan energi aktivasi dari suatu reaksi Cara menurunkan energi aktivasi 1. mendekatkan gugus fungsi yang akan bereaksi →membentuk kompleks ES yang kaku/rigid 2. Menstabilkan energi keadaan transisi → enzim berikatan lebih kuat dengan keadaan transisi Cara Kerja Enzim: Bukti: Bukti: mendekatkan gugus fungsi yang Menstabilkan energi keadaan akan bereaksi transisi Cara Kerja Enzim: Skema Keadaan transisi Bagaimana enzim menstabilkan keadaan transisi: Katalisis Asam Basa: memberi dan menerima proton Katalisis kovalen: mengubah jalur reaksi Katalisis ion logam: menggunakan kofaktor redoks, mengubah pKa Katalisis elektrostatik: interaksi yang paling mungkin dengan keadaan transisi Bagaimana enzim menstabilkan keadaan transisi: Katalisis Asam Basa: memberi dan menerima proton Enzim dapat melakukan katalisis asam dan basa secara bersamaan Contoh: hidrolisis amida Bagaimana enzim menstabilkan keadaan transisi: Katalisis Asam Basa: memberi dan menerima proton Bagaimana enzim menstabilkan keadaan transisi: Katalisis kovalen: mengubah jalur reaksi Reaksi hidrolisis anhidrida O O O O H2O CH3 O- + - + 2 H + H3C O slow H3C H3C O O O O O H3C O CH3 + N + - fast CH3 H3C O.. N dikatalisis oleh piridin, nukleofilik yang lebih baik daripada air.. O (pKa=5.5). H H Hidrolisis dipercepat karena O- kehilangan muatan dalam keadaan.. O + transisi menjadikan piridin gugus pergi N N CH3 + - yang baik. H3C O OH Reaksi menjadi memiliki jalur baru + H yang menurunkan energi aktivasi Bagaimana enzim menstabilkan keadaan transisi: Katalisis kovalen: mengubah jalur reaksi Kinetika Enzim: Enzim hanya meningkatkan Eksperimen laju reaksi untuk mencapai titik 1) Campurkan enzim + substrat kesetimbangan namun tidak 2) Catat laju hilangnya substrat / mempengaruhi kesetimbangan pembentukan produk sebagai fungsi reaksi waktu (kecepatan reaksi) 3) Plot kecepatan awal vs konsentrasi substrat 4) Ubah konsentrasi substrat dan ulangi Kinetika Enzim: Persamaan Michaelis Menten Kurva hubungan antara [S] dan V0 berbentuk rectangular hyperbola untuk sebagian besar enzim Penyimpangan terjadi karena: – Batasan pengukuran – Inhibisi substrat – substrate mengandung inhibitors – enzyme mengandung inhibitors Kinetika Enzim: efek Konsentrasi [S] tinggi, [S] >> Km Maka Km menjadi tidak signifikan ➔ ➔V0 = Vmax Saat [S] rendah , Km >> [S], [S] menjadi tidak signifikan➔➔V0 = Vmax[S]/Km (V0 is linear with [S]). Kinetika Enzim: Secara Praktis:Plot Lineweaver-‐Burk Parameter Kinetika Enzim – Konstanta michaelis (Km) = (k–1 + k2)/k1 menunjukkan afinitas substrat terhadap enzim – Kecepatan maksimum dari suatu enzim(Vmax) Vmax =k2[Et] – kcat = bilangan turnover (kcat = k2) : ekuilaven dengan jumlah subtrats yang terkonversi per detik – Konstanta Specificity kcat/Km (digunakan untuk membandingkan efisiensi katalitik dari enzim)→ efisiensi enzim – Parameter kinetic tergantung dari mekanisme enzim Parameter Kinetika Enzim LATIHAN: Seorang ilmuwan menemukan enzim untuk reaksi SEDIH BAHAGIA Enzim ini dinamakan happyase. Ilmuwan itu menemukan bahwa kcat enzim ini adalah 600 s-1. Ketika [Et]= 20 nm dan [SEDIH] = 40 μM, dan kecepatan reaksi Vo 9.6 μM, hitung Km Mekanisme enzim untuk reaksi dua substrat – Mekanisme Sekuensial: – Mekanisme pinpong: pembentukan kompleks 3 tidak ada pembentukan komponen (ternary) komplek ternary Inhibisi enzim: Inhibitor : senyawa yang menurunkan aktivitas enzim Inhibitor dari jenis interaksinya: Inhibitor irreversibel (inaktivator) bereaksi dengan enzim Satu molekul inhibitor menghentikan aktivitas satu enzim secara permanen Biasanya bersifat racun (tapi ada juga yang digunakan sebagai obat) Inhibitor reversibel : ikatan non kovalen dengan enzim struktur analog dari produk substrat. biasanya digunakan sebagai obat untuk memperlambat enzim tertentu Inhibitor reversibel dapat mengikat: Enzim bebas dan mencegah pengikatan substrat Kompleks enzim-‐substrat [ES] dan mencegah reaksinya Inhibitor reversibel dapat dibagi menjadi: Inhibitor kompetitif Inhibitor unkompetitif Inhibitor nonkompetitif Inhibisi kompetitif: Berinteraksi dengan sisi aktif Analog struktur Vmax tidak berubah, Nilai Km meningkat→ afinitas Lineweaver-‐Burk: garis berpotongan pada sumbu-y pada –1/Vmax Inhibisi unkompetitif: Berinteraksi dengan sisi alosterik Menurunkan nilai Vmax Lineweaver-‐Burk: parallel Inhibisi campuran Mengikat enzim dengan dan tanpa substrat Terikat pada sisi regulator Menghambat pengikatan substrat dan katalisis Menurunkan Vmax; Km berubah Inhibisi Vmax [S] V0 = Km + ’[S] Latihan: bila enzim happyase (dari Latihan sebelumnya) mempunyai inhibitor kompetitif STRESS, penambahan 1nm STRESS meningkatkan Km sebanyak 2 kali. Berapa nilai α dan α’ Efek pH-→ optimal → pKa Inhibisi ibuprofen adalah penghambat prostaglandin endoperoksida sintase. Dengan menghambat sintesis prostaglandin, ibuprofen mengurangi peradangan dan rasa sakit. Dengan menggunakan data pada kolom pertama dan ketiga dari tabel, tentukan jenis penghambatan yang diberikan ibuprofen pada prostaglandin endoperoksida sintase Inhibisi Latihan: Enzim prostaglandin synthesase. Prostaglandin adalah senyawa yang termasuk kelas eikosanoid, turunan asam lemak, dengan berbagai fungsi yang sangat kuat pada jaringan vertebrata. Mereka bertanggung jawab untuk sinyal yang menghasilkan demam dan peradangan dan rasa sakit. Prostaglandin Disintesis dari asam arakidonat oleh enzim prostaglandin endoperoksida sintase. Enzim ini,, menggunakan oksigen untuk mengubah asam arakidonat menjadi PGG2, prekursor langsung dari banyak prostaglandin yang berbeda. Dibawah data kinetic enzim ini (kolom 1 dan 2) tentukan nilai Km dan Vm dari enzim ini I  CARBOHYDRATES: STRUCTURE AND FUNCTION Bagian 1 Purwantiningsih Lab. Kimia Organik Departemen kimia FMIPA IPB University Objectives To understand: ❑The structure of carbohydrates of physiological significance ❑The main role of carbohydrates in providing and storing of energy ❑The structure and function of glycosaminoglycans ❑Complex carbohydrate ❑Mailard Reaction OVERVIEW Carbohydrates: The most Many diseases associated with abundant organic molecules disorders of carbohydrate in nature. The empiric metabolism including: formula is (CH2O)n, ❑ Diabetes mellitus “hydrates of carbon” ❑ Galactosemia Carbohydrates: Provide ❑ Glycogen storage diseases important part of energy in ❑ Lactose intolerance diet Act as the storage form of energy in the body are structural component of cell membranes Biological significance of carbohydrates ▪ It represents 50-60% of most human food and 0.6% of his weight. ▪ It is important rapid source of energy (4.2 Cal/g). ▪ It can act as storage of energy in plants in the form of starch and less frequently in mammals as glycogen. ▪ It can act as structural components of many organisms (supporting function in plants as cellulose). ▪ It can be cell-membrane components mediating intercellular communication. ▪ It can be cell-surface antigens (it participates in recognition and adhesion between cells). ▪ It can be part of the body’s extracellular ground substance (carbohydrate polymers lubricate skeletal joints). ▪ It can be associated with other biological macromolecules like proteins and lipids to form glycoproteins and glycolipids, respectively. ▪ It forms part of nucleic acids (ribose and deoxyribose in RNA and DNA, respect-) ▪ It forms part of several coenzymes (like NAD+ , NADP+ , FAD, CoA). CLASSIFICATION  Monosaccharides D-(+)-gliseraldehida glukosa fruktosa (aldoheksosa) (ketoheksosa)  Monosaccharides ▪ Stereoisomerism: Compounds with the same molecular formula but having different structures or different orientation. ▪ Diastereoisomers ▪ Annomerism: the spatial configuration with respect to the first carbon atom in aldoses and second carbon atom in ketoses ▪ Optical Activity – It is the rotation of plane- polarized light forming (+) glucose and (-) glucose.  Isomerism Compounds having same chemical formula but different structural formula. Example: Glucose (Aldose) and Fructose (Ketose) ▪ Epimers CHO dimers that differ in configuration ▪ Enantiomers (D- and L-Forms) around only one specific Structures that are mirror images carbon atom. Example: of each other and are Glucose and galactose, C4 designated as D- and L- sugars Glucose and Mannose, C2 based on the position of –OH grp Galactose and mannose on the asymmetric carbon farthest are not epimers from the carbonyl carbon ▪ Majority of sugars in humans are D-sugars  The D Family of Aldoses Monosaccharides Most biologically important aldoses are of the D family Sintesis Killiani-Fischer Degradasi Ruff: dekarboksilasi oksidatif asam aldonat. Degradasi Wohl: kebalikan sintesis Killiani-Fischer  Sintesis Killiani-Fischer Reaksi untuk memperpanjang rantai monosakarida melalui pembentukan dan reduksi sianohidrin Reduksi nitril menjadi aldehida melibatkan hidrogenasi menggunakan katalis tipe lindlar, yang membentuk imina. Hidrolisis asam imina menghasilkan aldehida. Degradasi Wohl Reaksi untuk memperpendek rantai monosakarida d-glucose is converted to the glucose oxime by reaction with hydroxylamine and sodium methoxide. In the second step the pentaacetyl glycononitrile is formed by reaction with acetic anhydride in acetic acid with sodium acetate. In this reaction step the oxime is converted into the nitrile with simultaneous conversion of all the alcohol groups to acetate groups. Degradasi Ruff adalah suatu metode untuk memperpendek rantai aldosa melalui oksidasi adehida menjadi –COOH dan di lanjutkan dengan dekarboksilasi. Ketotetrosa Ketopentosa Ketotriosa Turunan D-ketosa α- and β-Forms Cyclization of Monosaccharides (linear form) Monosaccharides with 5 or more carbon are predominantly found in the ring form The aldehyde or ketone group reacts with the –OH group on the same sugar Cyclization creates an anomeric carbon (former carbonyl carbon) generating the α and β configurations  In solution, the cyclic α and β anomers of a sugar are in Mutarotation equilibrium with each other, and can be interconverted spontaneously Persentase bentuk  pada kesetimbangan: 112 − 52 60  100 =  100 = 64.5% 112 − 19 93 +112o +52o +19o Persentase bentuk  pada kesetimbangan = 100 – 64.5 = 100%  100%  35.5% kesetimbangan %  dan ? Glukosa Manosa 19 Siklisasi C1-C5 pada D-glukosa 1 CHO 2  D → gugus ke atas H OH L → gugus ke bawah 3  HO H H 4  OH ≡ 5  H OH  6 CH 2OH siklisasi posisi O di kanan atas transfer H+ D-glukopiranosa (proyeksi Haworth) Siklisasi C2-C5 pada D-fruktosa Umumnya, jika −OH: * Ke atas → β 1 CH2OH * Ke bawah →  2 C O 1. siklisasi 3  HO H 2. transfer H+ 4  ≡ H OH 5  H OH  6 CH2OH D-fruktofuranosa D-fruktosa 1 Siklisasi C2-C6 pada D-fruktosa CH2OH 2 C O 3  1. siklisasi HO H 2. transfer H+ 4  ≡ H OH 5  H OH  6 CH2OH D-fruktopiranosa D/L dan penomoran pada struktur cincin D-Glukosa CH2OH OH pada C6 6 ke bawah O 5 OH 4 OH1 HO 3 2 OH Glikosidik OH bersifat asam ke atas → ß 5 O ke bawah → α HO L-Glukosa CH OH OH pada C6 4 6 2 OH1 OH ke atas 3 2 OH  Physical Properties of Monosaccharides Most monosaccharides have a sweet taste (fructose is sweetest; The relative sweetness of sugars (sucrose = 1.00) 73% sweeter than sucrose). They are solids at room temperature. They are extremely soluble in water: ✓ Despite their high molecular weights, the presence of large numbers of OH groups make the monosaccharides much more water soluble than most molecules of similar MW. ✓ Glucose can dissolve in minute amounts of water to make a syrup (1 g / 1 ml H2O).  Monosaccharides Chemical Properties ▪ Osazone formation: Osazone are carbohydrate derivatives when sugars are reacted with an excess of phenylhydrazine. eg. Glucosazone ▪ Oxidation: Monosaccharide are reducing sugars if their carbonyl groups oxidize to give carboxylic acids. In Benedict’s test, D-glucose is oxidized to D-gluconic acid thus; glucose is considered a reducing sugar. ▪ Reduction to alcohols: The C=O groups in open-chain forms of carbohydrates can be reduced to alcohols by sodium borohydride, NaBH4, or catalytic hydrogenation.The products are known as “alditols”  Monosaccharides Reaksi Oksidasi ▪ Oksidator kuat mengoksidasi gugus aldehida dan hidroksil ujung (suatu alkohol primer) → asam polihidroksi dikarboksilat (asam aldarat (aldaric acid) → lakton. Monosaccharides Reaksi oksidasi: Periodat Monosaccharides mekanismenya Reaksi oksidasi: Periodat  Reaksi pada Gugus Hidroksil dari Karbohidrat a. Pembentukan Asetat b. Pembentukan Eter Pembentukan Ester Biologis: Fosforilasi  Dalam organisme hidup, pusat anomerik karbohidrat dapat bertautan dengan lipid (glikolipid) atau protein (glikoprotein).  Glikokonjugat ini merupakan komponen dinding sel dan penting dalam mekanisme pengenalan sel satu sama lain.  Pembentukan glikokonjugat diawali dengan fosforilasi mono-sakarida oleh ATP. Glikosil fosfat lalu diubah menjadi glikosil uridina difosfat oleh UTP.  Dengan fosforilasi ini, gugus –OH anomerik gula akan menjadi gugus pergi yang baik dan mudah disubstitusi oleh lipid atau protein. D-glukosa D-glukosil fosfat PPi uridina 5`-trifosfat (UTP) D-glukosiluridina-5`-difosfat (UDP-glukosa) UDP-glukosa glikoprotein Ringkasan Reaksi-reaksi Penting dari Monosakarida atau Karbohidrat Sederhana Important Monosaccharides  8 Monosakarida Esensial Diperlukan 8 monosakarida berikut agar fungsi tubuh berjalan baik. Meskipun dapat dibiosintesis, asupan dalam makanan diperlukan. Semuanya digunakan untuk sintesis komponen glikokonjugat dari dinding sel. produk reaksi aldol N-asetilmanosamina + piruvat L-xilosa N-asetil-D-glukosamina (2-asetamido- 2-deoksi-D-glukosa) L-fukosa (6-deoksi-L- D-glukosa galaktosa) D-manosa N-asetil-D-galaktosamina asam N-asetil- (2-asetamido- D-neuraminat 2-deoksi-D-galaktosa) (asam sialat) D-galaktosa How Sweet It Is! Sugar Substitutes The first of the artificial sweeteners, saccharin is Aspartame (NutraSweet) is about 160 times sweeter than noncaloric and about 500 times sweeter than sugar. It sugar; it is composed of the amino acids aspartic acid was discovered in 1879 by Constantine Fahlberg, a and phenylalanine, neither of which has a sweet taste. It chemistry student at Johns Hopkins University working was discovered at Searle by James Schlatter in 1965, who for Ira Remsen; he noticed that the bread he was eating was preparing intermediates for the synthesis of a was unusually sweet, and went back to his lab bench tetrapedtide for an anti-ulcer project. Schlatter had spilled and tasted all of the compounds he had been working some of the dipeptide intermediate on his hands, and with that day to find the compound responsible. It was noticed later that there was a strong, sweet taste; he went marketed commercially as a non-nutritive sweetener back to his bench and tasted the dipeptide and found that very quickly, especially for use by diabetics. It was it indeed was extremely sweet. Aspartame is sensitive to banned in some areas for some time because it was a heat, so it cannot be used in cooked foods, and it suspected carcinogen. decomposes slowly in liquids, reducing their shelf life. How Sweet It Is! Sugar Substitutes Cyclamates have a very sweet taste, with about 30 times Acesulfame potassium, an artificial sweetener, is commonly the sweetening power of sucrose. They are used as referred to as acesulfame K, Ace K, or ACS-K. It is a white sweeteners in baked goods, confections, desserts, soft crystalline powder, calorie-free sugar substitute, and 180– drinks, preserves, and salad dressings. They are often 200 times sweeter than sucrose. It is the methyl ester of the combined with saccharin to produce a synergistic peptide aspartylphenylalanine (Hartel et al., 2018) having a sweetening effect. Cyclamates were discovered by Michael clean sweetness but has a sweet aftertaste and is not heat Sveda in 1937. They have no caloric value and are poorly stable. Ace-K is widely used in the human diet, as a table- absorbed from the gastrointestinal tract. However, a top sweetener and for preparing confectionery items, such variable amount is hydrolyzed by bacteria in the intestinal as candies and pastries. Blends of alternative sweeteners tract to form cyclohexylamine, which is a potential having acesulfame potassium are also used. Combinations carcinogen. of saccharin/sorbitol or acesulfame potassium/isomalt are used in sugar-free gums and candies. How Sweet It Is! Sugar Substitutes ▪ Sorbitol merupakan salah satu pemanis buatan yang biasa digunakan dalam makanan atau minuman. Pemanis buatan yang satu ini memiliki kalori yang lebih rendah daripada gula biasa. Tak hanya rendah kalori, sorbitol juga juga mempunyai beberapa manfaat untuk kesehatan tubuh. ▪ Sorbitol adalah jenis pemanis golongan gula alkohol. Meski tergolong gula alkohol, pemanis ini sama sekali tidak mengandung senyawa alkohol etanol yang menyebabkan efek mabuk. Sorbitol dapat larut dalam air dan terkandung secara alami di banyak buah, seperti apel, kurma, beri, dan persik.  Steviol (Truvia, PureVia) Stevioside is a natural sweetener extracted from leaves of Stevia rebaudiana (Bertoni) Bertoni. The literature about Stevia, the occurrence of its sweeteners, their biosynthetic pathway and toxicological aspects are discussed. Stevia rebaudiana (Bertoni) Bertoni Stevia rebaudiana (sweetleaf) is a plant in the sunflower family widely grown for its sweet leaves. The leaves contain a compound called steviol, which is attached via glycoside linkages to glucose molecules to form stevioside (250-300 times sweeter than sugar) and rebaudioside A (aka rebiana, contains an additional glucose group, 350-450 times sweeter than sugar). The FDA put rebaudioside A on the GRAS list in 2009. Stevioside Disaccharides Composed of two monosaccharide units by glycosidic link from C-1 of one unit and -OH of second unit 1→3, 1→4, 1 → 6 links most common but 1 → 1 and 1 → 2 are possible Links may be  or  Link around glycosidic bond is fixed but anomeric forms on the other C-1 are still in equilibrium from http://ntri.tamuk.edu/cell/carbohydrates.html Disaccharides: Maltose It is also called maltobiose or malt sugar. The disaccharide maltose contains two D-glucose residues joined by a O-glycosidic linkage between C-1 (the anomeric carbon) of one glucose residue and C-4 of the other. Because the disaccharide retains ONE free anomeric carbon maltose is a reducing sugar. The configuration of the anomeric carbon atom in the glycosidic linkage is α-(1→4). The glucose residue with the free anomeric carbon is capable of existing in α- and β–pyranose forms.  Some common disaccharides. Trehalosa atau mikosa ialah sejenis disakarida iaitu homodisakarida yang bersifat gula penurun. It is a sugar derived from insect cocoons + -ose) is a sugar consisting of two molecules of glucose. Lactose  CARBOHYDRATES: STRUCTURE AND FUNCTION Bagian 2 Purwantiningsih Lab. Kimia Organik Departemen kimia FMIPA IPB University Objectives To understand: ❑The structure of carbohydrates of physiological significance ❑The main role of carbohydrates in providing and storing of energy ❑The structure and function of glycosaminoglycans ❑Complex carbohydrate ❑Mailard Reaction  Structural Polysaccharides The polysaccharide cellulose is a major component of the tough wall of plant cells Like starch, cellulose is a polymer of glucose, but the glycosidic linkages differ The difference is based on two ring forms for glucose: alpha () and beta ()  Cell wall Cellulose microfibrils in a plant cell wall Microfibril 10 m 0.5 m Cellulose molecules  Glucose monomer  Polysaccharides Heteropolysaccharides ▪ Polisakarida hanya memiliki 1 gugus – ▪ Heteropolysaccarides yield a mixture OH anomerik di ujung rantai yang of monosaccharide on hydrolysis. ▪ They are present in extracellular sangat panjang. Karena itu, bukan gula matrix of plants, animals and pereduksi dan praktis tidak bacteria. bermutarotasi. ▪ Contoh: ✓ Agar → cell wall of marine red algae ▪ Homopolysaccharides: Gelidium, Gracilaria, Gigartina etc. It is a ✓ Branched: Glycogen and starch (α- mixture of sulphated heterpolysaccharides made up of D-galactose and L-galactose glycosidic polymer) derivatives ether-linked between C3 and ✓ Unbranched: Cellulose (β-glycosidic C6. ✓ Peptidoglycan constitutes the rigid polymer) ¨ component of bacterial cell wall. It is ▪ Heteropolysaccharides: e.g., heteropolysaccharide of alternating β(1→4) linked N-acetyl-D-glucosamine glycosaminoglycans (GAGs) and N-acetyl muramic acid residues. Homopolysaccharides Hydrolysis of homopolysaccarides yield a single type of Polymers with α monosaccharide glucose are helical They serve as both storage (e.g., starch, glycogen, dextran, inulin) and Polymers with β glucose are straight structural (e.g., cellulose, chitin, xylan, pectin) polymers. Homopolysaccharides Pectin Inulin Glycogen Xylan  Enzymes that digest starch by hydrolyzing  linkages can’t hydrolyze  linkages in cellulose Cellulose in human food passes through the digestive tract as insoluble fiber Some microbes use enzymes to digest cellulose Many herbivores, from cows to termites, have symbiotic relationships with these microbes Chitin, another structural polysaccharide, is found in the exoskeleton of arthropods Chitin also provides structural support for the cell walls of many fungi  Chitin Chitin is a polymer of N-acetylglucosamine, an amide derivative of the amino sugar glucosamine, in which one of the OH groups is converted to an amine (NHCOCH3/NH2 ) group. The polymer is extremely strong because of the increased hydrogen bonding provided by the amide groups. Chitin is the main component of the cell walls of fungi, the exoskeletons of arthropods such as crustaceans and insects, and the beaks of cephalopods. The chitin is often embedded in either a protein matrix, or in calcium carbonate crystals. Since this matrix cannot expand easily, it must be shed by molting as the animal grows. PROCESSING OF CHITIN dan CHITOSAN The quality of chitin-chitosan depends on the source and its method of isolation Various types of chitin processing can be performed, such as physical, biological and chemical methods and a combination of them. Physical techniques such as crushing and stirring are used in parallel with chemicals or catalysts. Biological extraction and deacetylation of chitin has been gaining interest as an environmentally friendly alternative to chemical processes. Industrial process for chitin and chitosan production from crustacean shells PROCESSING OF CHITIN dan CHITOSAN Demineralization (DM) → to remove mineral CaCO3 and Ca3(PO4)2 The preferential reagent used 1.0 N HCl (w/v) for 30 minutes at room temperature, solid: solvent (1:15, w/v) Demineralization is easily achieved → involves the decomposition of calcium carbonate into the water-soluble calcium (CaCl2) salts with the release of carbon dioxide gas:  PROCESSING OF CHITIN → CHITOSAN Deproteinization (DP) → to remove protein The preferential reagent used NaOH (w/v) at concentration ranging from 0.125 to 5.0 M, at varying temperature (up to 160 °C) and treatment duration (from few minutes up to few days). Soluble in water Na+ proteinate can be proofed with Biuret test. The biuret test (known as Piotrowski's test) → mixture of Hydrated Copper sulphate, Potassium hydroxide solution and Potassium sodium tartrate Biuret reagent will react with protein peptide bonds → Cu2+ ions form a purple-colored chelate complex with unshared electron pairs of peptide nitrogen and oxygen of water. The chelate complex absorbs light at 540 nm and the color change from blue to purple indicates the presence of proteins. PROCESSING OF CHITIN dan CHITOSAN Decolorization (DC)→ to remove pigments Most insects contain major pigments melanins, ommochromes, and pteridines Extraction with organic solvent obtain the pigments, such as carotenoids are pigments that give prawns their characteristic pink- orange color. Astaxanthin (A) is the most effective pigment in impacting the color of shrimp, lobsters and crabs Bleaching used oxidator agent (NaOCl, H2O2, KMnO4) depend on residue color after deproteination dan demineralization process. PROCESSING OF CHITIN dan CHITOSAN Deacetylation of Chitin → to remove partial/full of N-acetyl to NH2 groups The deacetylation of chitin can be conducted by chemical hydrolysis under severe alkaline conditions or by enzymatic hydrolysis in the presence of particular enzymes, among of chitin deacetylase Chemical hydrolysis: 50% NaOH (w/v) for 30 minutes at 115 psi/121oC, solid: solvent (1:10, w/v) Comparison of chitin production from different sources The process use lower HCl (0.55 M) and NaOH (0.3 M) concentrations, but use varying No of batch depend on source species of crustaceous and cephalopods a good efficacy on the reduction of proteins and minerals Thermogravimetric analysis Tolaimate, A.; Desbrieres, J.; Rhazi, M.; Alagui, A. Polymer 2003, 44, 7939–7952.  Chitin production from insects The process used varying NaOH and HCl concentrations, temperature (up to 100oC) and treatment duration (3 – 21 hours) Obtained varying chitin yield in ranging 2.5% until 20.5%, depend on source species of insects M. Kumar, et al. In ”Natural Materials and Products from Insects: Chemistry and Applications” D. Kumar and M. Shahid Editors, Springer. 2020. https://doi.org/10.1007/978-3-030-36610-0  CHITOSAN PRODUCTION FROM INSECTS CHITIN/ BIOMASS Deacetylation process used varying NaOH concentrations, temperature (up to 140 oC) and treatment duration (1h - up to few days) Obtained varying chitosan yield in ranging 2.3% until 82%, and also give varying result of DD and MW ranging depend on source species of insects T. Hahn et al. J Chem Technol Biotechnol. 2020; 95: 2775–2795. DOI 10.1002/jctb.6533 APPLIED CHITIN AND CHITOSAN AGRICULTURE TEXTILE FOOD PHARMACY PAPER CHITIN, AND INDUSTRY CHITOSAN BIOMEDIC WATER COSMETICS PURIFICATION BIOTECHNO -LOGY 18 Aplikasi ke relawan Uji efektivitas Anti-Aging dari serum Nanogold dan Karboksimetil Kitosan Kelembaban Kehalusan