Analisis Pembentukan Struktur Sekunder dan Tersier pada Protein

Analisis Pembentukan Struktur Sekunder dan Tersier pada Protein

STRUKTUR SEKUNDER

Struktur sekunder menggambarkan konformasi berulang yang diasumsikan oleh segmen rantai tulang punggung polipeptida atau protein. Dengan kata lain, struktur sekunder menggambarkan bagaimana segmen tulang punggung melipat. Tiga faktor menentukan struktur sekunder dari segmen protein:

§  Planaritas regional tentang setiap ikatan peptida (sebagai akibat dari karakter ikatan ganda parsial dari ikatan amida), yang membatasi kemungkinan konformasi dari rantai peptida.

§  Meminimalkan energi dengan memaksimalkan jumlah ikatan hidrogen antara kelompok peptida (yaitu, ikatan hidrogen antara karbonil oksigen dari satu asam amino dan hidrogen amida yang lain).

§  Kebutuhan untuk pemisahan yang cukup antara kelompok R berdekatan untuk menghindari ketegangan sterik dan tolakan muatan suka

α-Helix (Spiral)

Salah satu jenis struktur sekunder adalah α-helix. Dalam α-helix, tulang punggung polipeptida melingkar di sekitar sumbu panjang molekul protein. Substituen pada α-karbon dari asam amino menonjol keluar dari spiral, sehingga meminimalkan saring sterik. Spiral distabilkan oleh ikatan hidrogen, setiap hidrogen yang terikat pada nitrogen amida adalah hidrogen yang terikat pada oksigen karbonil dari asam amino, 4 asam amino.

▲Gambar

a)      Segmen protein dalam α -helix. Substituen pada titik α -karbon keluar dari heliks.

b)      Spiral distabilkan oleh ikatan hidrogen antara kelompok peptida. Perhatikan bahwa setiap oksigen karbonil menunjuk ke atas dan setiap hidrogen pada titik-titik nitrogen turun.

Karena asam amino memiliki L-konfigurasi, α-helix adalah spiral tangan kanan, artinya berputar searah jarum jam saat spiral berputar ke bawah. Setiap pergantian heliks mengandung 3,6 asam amino, dan jarak pengulangan heliks adalah 5,4 Å.

Tidak semua asam amino dapat masuk ke dalam α-helix. Proline, misalnya, menyebabkan distorsi dalam heliks karena ikatan antara nitrogen prolin dan α-karbon tidak dapat berputar untuk membiarkan prolin masuk ke dalam heliks dengan benar. Demikian pula, dua asam amino yang berdekatan yang memiliki lebih dari satu substituen pada β-karbon (valin, isoleusin, atau treonin) tidak dapat masuk ke dalam heliks karena kerumunan sterik antara kelompok R. Akhirnya, dua asam amino yang berdekatan dengan substituen bermuatan seperti tidak dapat masuk ke dalam heliks karena tolakan elektrostatik antara kelompok R.

Persentase asam amino yang digulung menjadi α-heliks bervariasi dari protein ke protein. Rata-rata sekitar 25% asam amino dalam protein globular berada dalam heliks.

Bantuan Tangan Kanan dan Tangan Kiri

α-helix tersusun dari rantai L-asam amino, adalah spiral tangan kanan. Ketika para ilmuwan mensintesis rantai D-asam amino, mereka menemukan bahwa itu terlipat menjadi spiral kidal yang merupakan bayangan cermin dari heliks tangan kanan. Ketika mereka mensintesis peptidase yang hanya mengandung D-asam amino, mereka menemukan bahwa enzim sama aktifnya dengan katalitik sebagai peptidase alami dengan L-asam amino. Namun, peptidase yang mengandung asam-asam terdispersi peptida membelah ikatan hanya dalam rantai polipeptida yang terdiri dari asam-asam d-amino.

Lembar β-Lipit

Tipe kedua dari struktur sekunder adalah lembaran β-lipit. Dalam lembaran β-lipit, tulang punggung polipeptida berada dalam struktur zig-zag yang menyerupai serangkaian lipatan. Ikatan hidrogen dalam lembaran β-lipit terjadi antara rantai peptida yang. Lembar β-lipit hampir sepenuhnya diperpanjang; rata-rata dua jarak pengulangan asam amino adalah 7,0 Å.

Bagian dari struktur tulang punggung dari latar belakang protein yang ada dalam lembaran lipit ditunjukkan oleh panah datar yang menunjuk pada arah N→C. Rantai berdekatan lembaran lipit dapat berjalan dalam arah yang berlawanan (lembar antiparalel β-lipit) atau dalam arah yang sama (lembaran β lipit paralel).

Karena substituen (R) pada α-karbon dari asam amino pada rantai berdekatan dari lembaran lipatan berdekatan satu sama lain, substituen harus kecil jika rantai harus bersarang cukup berdekatan untuk memaksimalkan interaksi ikatan hidrogen. Sutra misalnya, mengandung sebagian besar asam amino yang relatif kecil (glisin dan alanin), oleh karena itu, memiliki segmen besar lembar lipit. Jumlah helai bersebelahan dalam lembaran β-lipit berkisar 2 hingga 15 dalam protein globular. Rantai rata-rata di bagian lembaran β-lipit mengandung enam asam amino.

▲ Gambar

Segmen dari lembaran antiparalel β-lipit. Rantai diperpanjang yang disatukan oleh ikatan hidrogen (jajaran oranye) antara kelompok peptida. Kelompok-kelompok peptida berada dalam bidang lembaran; rantai samping (R) bergantian antara menunjuk di atas dan di bawah pesawat.

Wol dan protein berserat otot memiliki struktur sekunder yang hampir semua heliks. Akibatnya, protein-protein ini bisa diregangkan. Sebaliknya, protein dengan struktur sekunder yang sebagian besar lembar β-lipit, seperti sutra dan jaring laba-laba, tidak dapat direntangkan karena lembaran lipit sudah hampir sepenuhnya diperpanjang.

Konformasi Koil (Kumparan)

Secara umum, kurang dari setengah tulang punggung protein diatur dalam struktur sekunder yang ditentukan lembaran α-heliks atau β-lipit. Sebagian besar sisa protein, meskipun sangat teratur, bersifat nonrepetitif dan, karenanya, sulit untuk dijelaskan. Banyak dari fragmen polipeptida yang dipesan ini dikatakan berada dalam konformasi kumparan atau lingkaran.

▲ Gambar

Struktur tulang punggung dari enzim yang disebut ligase: lembaran β-lipit ditunjukkan oleh panah datar yang menunjuk ke arah N→C, α-heliks dengan pita heliks, dan konformasi kumparan atau lilitan oleh tabung tipis.

β-Peptida: Upaya untuk Memperbaiki Alam

β-Peptida adalah polimer dari asam β-amino, sehingga mereka memiliki tulang punggung yang satu karbon lebih lama dari sifat peptida yang mensintesis menggunakan asam amino. Oleh karena itu, setiap asam b-amino memiliki dua karbon di mana rantai samping dapat dilekatkan.

Seperti polipeptida, β-polipeptida dilipat ke dalam konfigurasi lembaran heliks dan lipatan yang relatif stabil. Akibatnya, para ilmuwan mencoba mencari tahu apakah peptida tersebut memiliki aktivitas biologis. Baru-baru ini, β-peptida telah disintesis yang meniru aktivitas hormon somatostatin. Ada harapan bahwa b-polipeptida akan menyediakan sumber obat dan katalis baru. Secara mengejutkan, ikatan peptida dalam β-polipeptida resisten terhadap enzim yang mengkatalisis hidrolisis ikatan peptida dalam α-polipeptida. Ketahanan terhadap hidrolisis ini menunjukkan bahwa obat β-polipeptida akan memiliki durasi kerja yang lebih lama dalam aliran darah.

STRUKTUR TERSIER

Struktur tersier suatu protein adalah susunan tiga dimensi dari semua atom dalam. Protein melipat secara spontan dalam larutan untuk memaksimalkan stabilitasnya. Setiap kali ada interaksi stabil antara atom, energi bebas dilepaskan. Semakin banyak energi bebas yang dilepas (semakin negatif ∆G°), semakin stabil proteinnya. Akibatnya, protein cenderung melipat dengan cara yang memaksimalkan jumlah interaksi stabilisasi.

▲ Gambar

Struktur tiga dimensi thermolysin (endopeptidase).

Menstabilkan Interaksi

Interaksi stabil dalam protein meliputi ikatan disulfida, ikatan hidrogen, atraksi elektrostatik (daya tarik antara muatan yang berlawanan), dan interaksi hidrofobik. Interaksi stabil dapat terjadi antara kelompok peptida (atom di tulang punggung protein), antara kelompok rantai samping (α-substituen), dan antara kelompok peptida dan rantai samping. Karena kelompok-kelompok rantai samping membantu menentukan bagaimana lipatan protein, struktur tersier protein ditentukan oleh struktur utamanya.

▲ Gambar

Menstabilkan interaksi yang bertanggung jawab untuk struktur tersier suatu protein.

Ikatan disulfida adalah satu-satunya ikatan kovalen yang dapat terbentuk ketika lipatan protein. Interaksi ikatan lain yang terjadi dalam lipat jauh lebih lemah tetapi, karena ada begitu banyak dari mereka, mereka penting dalam menentukan bagaimana lipatan protein.

Sebagian besar protein ada di lingkungan berair. Oleh karena itu, mereka cenderung melipat dengan cara yang memperlihatkan jumlah maksimum kelompok kutub ke air di sekitarnya dan mengubur kelompok nonpolar di bagian dalam protein, jauh dari air.

Interaksi Hidrofobik

Interaksi hidrofobik antara kelompok nonpolar dalam protein meningkatkan stabilitasnya dengan meningkatkan entropi molekul air. Molekul air yang mengelilingi kelompok nonpolar sangat terstruktur. Ketika dua kelompok nonpolar berkumpul, area permukaan yang bersentuhan dengan air berkurang, mengurangi jumlah air yang terstruktur. Struktur yang menurun meningkatkan entropi, yang pada gilirannya menurunkan energi bebas, sehingga meningkatkan stabilitas protein. (Ingatlah ∆G° = ∆ H° − T∆S°).

Mekanisme yang tepat dimana protein melipat masih merupakan pertanyaan yang belum terjawab. Protein salah lipat telah dikaitkan dengan berbagai penyakit seperti penyakit Alzheimer dan penyakit Huntington.

PERMASALAHAN

1.       Apa saja 4 asam amino pada α-helix tersebut?

2.       Bagaimana cara mereaksikan protein berstruktur sekunder dengan salah satu alkohol?

3.       Alam seperti apakah yang diupayakan oleh β-peptida?

4.       Jelaskan apa itu, penyakit Alzheimer dan Huntington menurut Anda, dan bagaimana upayanya?