Biokimia Protein.pdf

PROTEIN Struktur dan Fungsi Dr. Agus Saputra Lehninger. Principles of Biochemistry. by Nelson and Cox, 5th Edition; W.H. Freeman and Company Protein adalah salah satu kelompok makromolekul seperti karbohidrat dan asam nukleat, yang dihasilkan dari penggabungan molekul...

PROTEIN Struktur dan Fungsi Dr. Agus Saputra Lehninger. Principles of Biochemistry. by Nelson and Cox, 5th Edition; W.H. Freeman and Company Protein adalah salah satu kelompok makromolekul seperti karbohidrat dan asam nukleat, yang dihasilkan dari penggabungan molekul – molekul kecil yang dikenal dengan nama asam amino dengan melalui bantuan ikatan peptida  Struktur dasar dari Asam amino carboxyl group ▪ a-karbon berbentuk amino group kiral (kecuali untuk glisin) ▪ pada pH 7.0 Aa tak bermuatan adalah zwitterion a-carbon ▪ Aa memiliki struktur side chain tetrahedral Enantiomer Asam Amino Steroisomer/enantiomer Sistim biologis hanya mensintesis dan menggunakan L-asam amino  Aa Essential/Non-Essential Essential Non-essential ▪ alanine, histidine, ▪ arginine*, isoleucine, ▪ aspartate, leucine, ▪ asparagine, lysine, ▪ cysteine*, methionine, ▪ glutamate, phenylalanine, ▪ glutamine, ▪ glycine*, threonine, ▪ proline*, tryptophan, ▪ serine, valine ▪ tyrosine*  Klasifikasi Asam amino Alifatik Aromatik Hidrofobik Mengandung sulfur Polar/tidak bermuatan Hidrofilik basa/asam Asam Amino dapat diklasifikasikan oleh grup R nya cincin indol  Asam amino mengandung sulfur Methionine (Met, M) – asam amino untuk “start” (inisiasi), sangat hidrofobik Cysteine (Cys, C) – sulfur dalam bentuk sulfhidroil, penting pada ikatan disulfida, asam lemak, dapat membentuk ikatan hidrogen  Asam amino asidik Memiliki grup karboksil (lebih asam lemah dibandingkan dengan suatu grup karboksil) Bermuatan negatif pada pH fisiologis, berperan sebagai basa konjugat Fungsi dari grup karboksil sebagai nukleofil pada beberapa reaksi enzimatik  Asam amino bersifat basa Basa nitrogenous hidrofilik Bermuatan positif pada pH fisiologis Histidine – cincin imidazol yang terionisasi, Aa satu-satunya yang berfungsi sebagai bufer pada kisaran fisiologi. Lysine – asam diamino, terionisasi pada pH 7.0 Arginine - guianidinium selalu terionisasi, Aa paling basa  imidazol guanidino Pembentukan reversibel dari ikatan disulfida oleh oksidasi dua mol cysteine Contoh: dua rantai polipeptida dari insulin  Asam amino yang tidak umum Hydroxylysine, hydroxyproline - collagen Carboxyglutamate - blood-clotting proteins Pyroglutamate - bacteriorhodopsin Phosphorylated amino acids - signaling device  Asam amino tidak umum tetapi fungsi yang penting prothrombim, g b a a # of Ca+ binding proteins 4 3 plant cell wall, collagen 1 5 2 elastin collagen Lysine residues myosin rare, introduced during protein synthesis rather than created ~ 300 tambahan asam amino through a postsynthetic modification telah ditemukan di dalam sel Modifikasi asam amino Reversible terlibat di dalam regulasi aktivitas protein Asam Amino dapat berperan sebagai asam dan basa Bentuk nonionik dan zwitterionik asam amino Titration of glycine Titik Isolistrik (isolistrik pH) pI = ½ (pk1 + pk2) = ½ (2.34 + 9.60) = 5.97  Pemisahan Asam Amino Mikhail Tswett, ahli botani Rusia, pertama kali memisahkan pigmen tanaman dengan cara ‘chromatography’ Banyak cara kromatografi untuk pisahkan campuran Aa – Ion exchange chromatography – High-performance liquid chromatography Pemisahan dg kolom penukaran kation: Protein adalah polimer linear dari asam amino Asam amino 1 Asam amino 2 Dipeptida  Peptida merupakan rantai asam amino hidrolisis kondensasi Peptida dinamai dimulai dari residu terminal amino dan berdasarkan konvensi ditempatkan dikiri Pentapeptide Serylglyciltyrosylalanylleucine or Ser-Gly-Tyr-Ala-Leu or SGYAL Beberapa residu Aa → oligopeptida Banyak residu Aa → polipeptida  Tata nama Protein Peptida terdiri dari 2 – 50 Aa Protein > 50 Aa Aa dengan grup a-amino adalah terminal- amino atau residu terminal-N Aa dengan grup a-karboksil adalah terminal karboksil atau residu terminal-C Kode tiga huruf – Met-Gly-Glu-Thr-Arg-His Kode huruf tunggal – M-G-E-T-R-H  “Peptida” Polimer pendek dari Aa Setiap unit disebut residu 2 residu - dipeptida 3 residu - tripeptida 12-20 residu - oligopeptida > 20 residu - polipeptida Polipeptida mempunyai Beberapa protein memiliki grup kimia selain Aa Karakteristik komposisi Aa (conjugated proteins). Pada protein terkonjugasi, bagian yang non Aa Disebut grup prosthetik.  Pemutusan ikatan peptida secara kimia dan enzimatis  “Protein” Satu atau lebih rantai polipeptida satu rantai polipeptida – protein monomerik > 1 rantai polipeptida – protein multimerik Homomultimer – satu jenis rantai Heteromultimer - >2 rantai berbeda Hemoglobin, heterotetramer - 2 rantai alfa dan 2 rantai beta  Proteins – besar dan kecil Insulin – rantai dg A= 21 residu, B = 30 residu - total berat mol. 5,733 Glutamine synthetase - 12 subunit tdd masing- masing 468 residu - total berat mol. 600,000 Connectin protein - alpha - MW 2.8 million! beta connectin - MW 2.1 million, dg panjang 1000 nm dapat memanjang menjadi 3000 nm!  Peptida dan polipeptida yang aktif secara biologik Protein multisubunit: ≥ 2 rantai polipeptida Protein Oligomerik: min 2 rantai identik, Yg berasosiasi secara nonkovalen Unit yang identik disebut protomer.  Sekuens Aa pada protein Unik Karakteristik untuk masing masing protein Dikode oleh sekuens nukleotida DNA Merupakan bentuk informasi genetik Dibaca dari terminal amino ke terminal karboksil  Arsitektur Protein Bentuk fibrous, globular, membran 4 tingkat –1. Primer – sekuens asam amino –2. Sekunder - a heliks dan lembar-b –3. Tertier – lipatan dari struktur sekunder –4. Kuartener – Struktur subunit  Gaya apa yang menentukan strukturnya? Struktur Primer – ditentukan oleh ikatan kovalen Struktur Sekunder, Tertier, Kuaterner – semua ditentukan oleh gaya lemah Gaya lemah – ikatan H, interaksi ionik, interaksi van der Waals , interaksi hidrofobik  There are several levels of protein structure Multisubunit proteins Particularly stable arrangements of Arrangement is space of amino acid residues giving rise to polypeptide subunits recurring structural paterns All aspects of the 3-D folding Includes disulfide bonds of a polypeptide  Amfipatik α heliks Heliks berjajar dengan Aa hidrofilik pada satu sisi dan Aa hidrofobik pada sisi lainnya Amfipatik α heliks dapat membentuk pori-pori aqueous pada membran  Struktur Umum Membran Lipid bilayer mengandung dua lembar/lapisan lipid dengan protein diantaranya  Protein Integral – Penetrasi pada bagian hidrofobik – N-terminus Biasanya berupa protein transmembran, mengisi seluruh bagian membran C-terminus CYTOPLASMIC SIDE a Helix  Membran Protein dan fungsinya Glycoprotein Carbohydrate Fibers of extracellular Glycolipid matrix (ECM) EXTRACELLULAR SIDE OF MEMBRANE Microfilaments of cytoskeleton Cholesterol Peripheral Integral protein CYTOPLASMIC SIDE protein OF MEMBRANE b-sheet b-barrel  Struktur Tertier Stabilisasi Struktur Ikatan kovalen Ikatan Ionik Ikatan Hidrogen Ikatan Hidrofobik Aa hidrofobik berada dalam protein  Struktur Protein Kuartener- struktur subunit. Modified from Figure 5-16 and 5-18, Page 149, 151 from: Essential Cell Biology by Alberts et al. 1997, Garland Publishing Inc. New York, NY  Fungsi Biologis suatu Protein Protein adalah agen dari fungsi biologiss Enzim - Ribonuklease Protein transport - Hemoglobin Protein regulator - Insulin Protein struktur - kolagen Protein kontraktil - Aktin, Miosin Protein eksotik - Antifreeze protein pada ikan  Kolagen Kolagen banyak ditemukan di jaringan penghubung, seperti tulang dan kornea mata. Kolagen terdiri dari 35% Gly, 11% Ala, dan 21% Pro dan Hyp. Urutan asam amino kolagen umumnya adalah perulangan tiga peptida Gly-X-Pro atau Gly- X-Hyp, dimana X adalah asam amino mana saja. Struktur primer kolagen  Protein Plasma Konsentrasi protein total dalam plasma manusia adalah sekitar 7,0-7,5 g/dL dan merupakan bagian utama dari padatan plasma. Protein plasma sebenarnya adalah campuran kompleks yang tidak hanya mencakup protein sederhana tetapi juga protein terkonjugasi seperti glikoprotein dan berbagai jenis lipoprotein  Plasma Proteins Sekitar 100 protein yang berbeda terdapat dalam plasma darah manusia Sebagian besar protein plasma disintesis di dalam hati Albumin (69 kDa) adalah protein utama plasma manusia (3,4-4,7 g/dL) dan membentuk ± 60% dari total protein plasma Plasma Proteins KIMIA BIOANORGANIK MYOGLOBIN KIMIA BIOANORGANIK HEMOGLOBIN KIMIA BIOANORGANIK HEMOGLOBIN  KIMIA BIOANORGANIK HEMOGLOBIN  Posisi tirosin pada HC2 berguna untuk menstabilkan molekul dengan membentuk ikatan hidrogen antara heliks H dan F  Posisi glisin pada B6 penting agar supaya heliks B dan E dapat berdekatan rapat  Posisi prolin pada C2 penting sebagai terminasi heliks  Posisi histidin pada F8 penting untuk berikatan dengan Fe  Posisi histidin pada E7 penting untuk membuat ikatan Fe-CO dan Fe-O2 tidak terletak pada garis lurus  Posisi Phe pada CD1 dan Leu pada F4 berguna untuk kontak dengan heme  Posisi Thr pada C4 dan Lys pada H10 masih belum diketahui fungsinya SITOSKELETON merupakan suatu network protein yang sangat kompleks dan terdapat di seluruh area sitoplasma hanya terdapat pada eukariot, tidak terdapat pada bakteria bertugas untuk pergerakan sel, kontraksi sel otot, perubahan bentuk, dan membantu pergerakan organel terdiri dari tiga komponen protein utama yaitu actin filament, microtubule dan intermediate filament. kontraksi otot tergantung pada actin dan pergerakan silia tergantung pada microtubule. SEL OTOT KERANGKA berbeda dengan sel otot polos dan sel otot jantung disebut juga sebagai muscle fiber pada manusia dewasa, mempunyai diameter 50 μm dan panjang 500000 μm sel otot kerangka merupakan multinucleated cell komponen utama dari sel otot kerangka yaitu myofibril (2/3 berat kering) MYOFIBRIL terdiri dari unit-unit kecil yang disebut sarcomere yang panjangnya 2 μm setiap unit sarcomere terdiri dari thick filament dan thin filament thin filament terbentuk dari actin sedangkan thick filament terbentuk dari myosin thick filament mempunyai tangan/kepala (myosin head) yang menonjol dari permukaan sepanjang 13 nm dan menghubungkan thick filament dengan thin filament ACTIN semua spesies eucaryote mengandung actin selama proses evolusi gen actin tidak mengalami perubahan yang besar (highly conserve) actin terdiri atas sub-unit yang merupakan suatu polipeptida, 375 AA, protein globular yang dinamakan G actin, berasosiasi secara non kovalen dengan satu molekul ATP filament actin berbentuk helix dan akan membentuk putaran setiap 37 nm Monomer actin MYOSIN selalu berasosiasi dengan actin dan membentuk contractile bundle di dalam sitoplasma setiap molekul myosin terdiri dari enam rantai polipeptida yaitu dua rantai berat (heavy chain) dengan 2000 AA, dua rantai ringan (light chain) dengan 190 AA dan dua rantai ringan dengan 170 AA enzim papain akan memotong molekul myosin ini menjadi dua bagian yaitu bagian kepala dan bagian ekor fungsi dari ekor myosin untuk membentuk thick filament sedangkan kepala myosin untuk menggerakkan molekul di atas actin yang berdekatan dengannya Insulin terdiri dari 2 rantai polipeptida, A dan B yang berikatan oleh 2 ikatan disulfida. Sekuensi ini adalah insulin sapi  Penentuan Sekuens 1953-Frederick Sanger pertama sekuens dua rantai insulin. – Semua molekul suatu protein mempunyai sekuen yang sama Protein dapat disekuens melalui 2 cara: - mensekuensi Aa yang sebenarnya - mensekuensi DNA yang berkaitan pada gennya  Penentuan Sekuens Strategi 8 langkah 1. bila lebih dari satu rantai polipeptida, dipisah. 2. Potong (reduce) jembatan disulfida 3. Tentukan komposisi masing-masing rantai 4. Tentukan residu terminal N dan C  Penentuan Sekuens Strategi 8 langkah 5. Potong masing2 rantai menjadi fragmen lebih kecil dan tentukan sekuensnya. 6. Ulangi langkah 5, menggunakan prosedur pemotongan yang berbeda untuk hasilkan set fragmen yang berbeda.  Penentuan Sekuens Strategi 8 langkah 7. Rekonstruksi sekuen protein dari sekuens fragmen yang tumpang tindih 8. Tentukan posisi dari ikatan silang disulfidanya Analisis sekuens darif catrocollastatin-C, a 23.6 kD protein dari bisa ular Crotalus atrox  Pemisahan dan Pemurnian Protein Kromatografi kolom Ekstrak kasar --> --> → fraksinasi  Example: Cation-exchange chromatography Kromatografi Pertukaran Ion Kromatografi Eklusi (filtrasi gel) Kromatografi Afinitas  Electrophoresis gel stained with a protein-specific SDS-polyacrylamide gel dye (e.g. coomasie blue) Purification of RNA Cross-linked polymer polymerize from E. coli polyacrylamide SDS acts as a molecular sieve, slowing the migration CH3(CH2)11SO4- of proteins approximately in proportion to their Na+ charge-to-mass ratio. Isoelectric focusing Two-dimensional electrophoresis  Determination of amino acid sequence Amino acid sequence of bovine insulin (10 years of work by Sanger) The amino acid sequences of millions of proteins have been determined Identical in human, pig, rabbit and sperm whale Identical in cow, dog, goat and horse Amino acid sequences can also be deduced by other methods codon Correspondence of DNA and amino acid sequences