STRUKTUR FUNGSI DAN METABOLISME ASAM AMINO DAN PROTEIN
Apa itu Protein? • Proteios: utama atau pertama (Yunani) (Gerardus Mulder, Belanda, 1802-1880) • Polimer dari residu asam amino yang memiliki ikatan peptida • Komponen penyusun sel hidup sampai dengan 50 %
ASAM AMINO
ASAM AMINO • Hanya asam α-amino yang fungsional • Konfigurasi L yang dibutuhkan oleh tubuh • Berjumlah 20
Struktur L-Asam Amino
Gugus karboksilat Gugus amino
+ H3 N Gugus R
COO
α
-
H H = Glisin CH3 = Alanin
Kiralitas Asam Amino
α
Bayangan cermin
Sifat kimia sama Stereo isomer
α
Northwest line Chung-San line -C-C-C-N-C-N
=
Aromatic
Peta Asam Amino
N+
Trp W
Arg R Basa
-C-
-OH
Tir Y
Lis K -C-C-C-C-NH3
+
-CN
Nan-Kan line -C-CONH2
-C-C-CONH2
Asn N
Gln Q Amida
Asp D
Glu E Asam
-C-COOH
-C-C-COOH
-C-
-C-C C N N+
His H
Central line Gli G
Fen F
Ala A A
Val V
Ile I
Leu L
-CH3
C C -C
C -C-C-C
C -C-C-C
-H -C-OH
Ser S
Sis C
-C-SH
Circular line
South line Non-polar Polar
-C-C OH
Alifatik
Tre T
Met M
Hidroksil
Sulfur
-C-C-S-C
Pro P
C
C C HN C-COOH α
Imino, Sirkuler
Penggolongan asam amino bagian yang diarsir berwarna merah merupakan gugus fungsi asam amino
/V
/A
mrpk asam amino terdapat di alam dan merupakan penyusun protein
/L
/M
/I
P
/F
/Y
/W
/S
/P
/T
/N
/C
/Q
+
/K
/R
/H
/D
/E
SIFAT ASAM AMINO • Memiliki serapan maksimum yang spesifik • Aktifitas optiknya meluruh 0,1 % per tahun pada suhu tubuh akibat rasemisasi spontan non enzimatik • Berbentuk zwitter ion dalam larutannya • Bersifat amfoter • Memiliki sifat asam dan basa dalam satu molekul
• Asam amino memiliki serapan maksimum yang spesifik
Proton Dapat Diserap dan Dilepas Proton： mempengaruhi muatan molekul Pasangan elektron
Amino
Tinggi pKa Rendah
H+
N H H+
N H
H
H Rendah pKa Tinggi
Karboksilat
C
O H O
O
C
O
H+
ZWITTER ION
Suasana asam
Suasana netral
Suasana basa
pK2 ~ 9
NH2 H+ R-C-H COOH
NH2 H+ R-C-H COOpK1 ~ 2
+1
NH2 R-C-H COO-
5.5
0 Titik isolistrik
-1
Asam Amino Memiliki Kemampuan Bufer pH 12 ★
pK2
Titik Isoelektrik =
pI
9 NH2 H+
6
H-C-R COO-
3
★
0 [OH] →
pK1 + pK2 2
pK1
pH Lingkungan dan Muatan Protein
Buffer pH
10 9 8 7 Titik isoelektrik, pI
+
6 5 4 3
0
-
Muatan total protein
-
pKa Asam Amino
Asam amino
-COOH -NH2
Gli Ala Val Leu Ile Ser Tre Met Fen Trp Asn Gln Pro Asp Glu His Sis Tir Lis Arg
2.34 2.34 2.32 2.36 2.36 2.21 2.63 2.28 1.83 2.38 2.02 2.17 1.99 2.09 2.19 1.82 1.71 2.20 2.18 2.17
G A V L I S T M F W N Q P D E H C Y K R
9.60 9.69 9.62 9.68 9.68 9.15 10.4 9.21 9.13 9.39 8.80 9.13 10.6 9.82 9.67 9.17 10.8 9.11 8.95 9.04
-R
pH dua pKa
pK2 pI
pK1
pK1 + pK2 2 tiga pKa
pK3
? 3.86 4.25 6.0 8.33 10.07 10.53 12.48
pK2
? pK1
pI ? [OH-]
H pertama HOOC-CH2-C-COOH
Asam aspartat +1
NH3+ pK1 = 2.1 H kedua HOOC-CH2-C-COO-
2.1 + 3.9 = 3.0 2 Titik isoelektrik
0
NH3+ pK2 = 3.9 H -OOC-CH -C-COO2
-2
-1
NH3+ ketiga pK3 = 9.8 H -OOC-CH -C-COO2 NH2
pK3
-1 pK2
0 pK1
-2
+1 [OH]
REAKSI ASAM AMINO • Reaksi gugus karboksil • Reaksi gugus amino • Reaksi gugus R
REAKSI GUGUS KARBOKSIL 1. Esterifikasi • •
Reaksi dengan alkohol dan dalam suasana asam Menghasilkan ester dan air
2. Dekarboksilasi •
Dapat terjadi secara kimia atau enzimatis
REAKSI GUGUS KARBOKSIL 3. Pembentukan amida • • • •
Reaksi dengan gugus amino Menghasilkan air Disebut juga ikatan peptida Reaksinya dengan Cu2+ menghasilkan warna biru ungu (reaksi Biuret)
REAKSI GUGUS AMINA 1.
Reaksi dengan oksidator kuat • • •
2.
Menggunakan HNO2 dan menghasilkan N2 Prolin tidak bereaksi dan lisin bereaksi secara lambat Dasar penentuan reaksi Kjeldahl
Reaksi ninhidrin • • •
3.
Menghasilkan amonia, CO2, dan aldehida Menghasilkan warna biru Reaksi dengan prolin menghasilkan kuning dan asparagin coklat
Reaksi dengan 1-fluoro-2,4-dinitrobenzena (FDNB) •
Membentuk 2,4-dinitrofenil yang berwarna
REAKSI GUGUS AMINA 4. Reaksi dengan danzil klorida •
Membentuk turunan asam amino dansil yang berfluoresensi
5. Reaksi dengan formaldehida • •
Terbentuk kompleks asam amino formaldehida Melepaskan gugus karboksil bebas yang dapat dititrasi dengan fenolftalein dan timolftalein
6. Reaksi Edman •
Reaksi fenilisotiosianat menghasilkan fenilhidantoin yang menjadi dasar kromatografi
REAKSI GUGUS R • Tirosin dan histidin dapat mengion untuk bereaksi
IKATAN PEPTIDA • Linus Pauling dan RB Corey • Pembentukan ikatannya melepaskan 1 molekul air • Salah satu bentuk dari ikatan amida • Ikatan C-N lebih pendek dari normal • Ikatan C-N tidak dapat berotasi • Gugus karbonil berkonfigurasi trans dengan atom hidrogen pada gugus amino
Pembentukan Ikatan Peptida Melalui Dehidrasi
NH2
1
COOH
NH2
2
COOH
Dehidrasi
Karboimida
-H2O
O NH2
1
C N H
2
COOH
Suatu penta peptida
Ser-Gly-Tyr-Ala-Leu
Serilglisiltirosinilalanilleusin
Ikatan Peptida Kaku dan Datar
C
H
C O
N C
ASAM AMINO YANG BERPERAN DALAM STRUKTUR PROTEIN
1. 2. 3. 4. 5.
Sistein: membentuk ikatan disulfida Histidin: berfungsi sebagai ligan Lisin: pengikat koenzim Prolin: anti α-heliks Asam amino polar: membentuk ikatan ionik
ASAM AMINO BUKAN PENYUSUN PROTEIN
ASAM AMINO BERDASARKAN FUNGSINYA 1. Asam amino esensial •
Met, Trp, Tre, His, Ile, Lis, Leu, Val, Fen
2. Asam amino non esensial •
Pro, Ser, Arg, Tir, Sis, Gli, Glu, Ala, Asp, Gln, Asn
PROTEIN
Penggolongan/klasifikasi protein berdasarkan fungsi biologi 1. Enzim, protein yang terbesar dan paling penting 2. Protein pembangun, sebagai unsur pembentuk struktur (glikoprotein, penunjang struktur dinding sel; elastin, protein serat) 3. Protein kontraktil, berperan dalam proses gerak (miosin, unsur filamen tak bergerak dalam miofibril; aktin, unsur filamen tak bergerak dalam miofibril) 4. Protein pengangkut, pengangkutan berbagai macam zat melalui aliran darah (hemoglobin, alat pengangkut oksigen; mioglobin, alat pengangkut oksigen dalam jaringan otot; serum albumin, alat pengangkut asam lemak dalam darah
5. Protein hormon, protein aktif seperti enzim (Insulin, mengatur metabolisme glukosa; hormon pertumbuhan, menstimulasi pertumbuhan tulang) 6. Protein bersifat racun (racun ular, protein enzim yg dapat menyebabkan terhidrolisisnya fosfogliserida; Clostidium botulinum, menyebabkan keracunan bahan makanan 7. Protein pelindung, umumnya terdapat dalam darah (fibrinogen, sumber pembentuk fibrin dalam proses pembekuan darah; trombin, komponen dalam mekanisme pembekuan darah) 8. Protein cadangan, disimpan untuk berbagai proses metabolisme dlam tubuh (ovalbumin, protein pada putih telur; casein, protein susu)
Struktur protein
Struktur primer protein
Hanya ikatan peptida
STRUKTUR SEKUNDER •
Ikatan hidrogen antara gugus karbonil dengan gugus amina dari atom Cα yang berbeda 1. α-heliks 2. β-pleated sheet • •
Paralel Antiparalel
α-heliks
β-sheet
STRUKTUR TERSIER • Distabilkan oleh interaksi gugus R • • • • •
Ikatan disulfida Ikatan hidrogen Interaksi hidrofobik Interaksi hidrofilik Interaksi ionik
Struktur tersier subunit HMG-KoA reduktase II bakteri
Struktur tersier suatu protein dalam berbagai bentuk representatif
STRUKTUR KUARTERNER • Gabungan beberapa struktur tersier
Protein serat kolagen pada jaringan pengikat
Protein penggumpal darah (protrombin)
Protein serat (elastin) Miosin, protein otot (kontraksi)
PROTEIN BERDASARKAN BENTUK 1. Protein serabut (fibrous) • •
Kurang larut, amorf, dapat memanjang dan berkontraksi Keratin, miosin, kolagen, fibrin
2. Protein globuler • •
Larut, dapat dikristalkan Enzim, imunoglobulin
Protein serabut, tidak larut dalam air. Rantai polipeptida memanjang pada satu sumbu dan tidak berlipat membentuk globular Fungsi, sebagai protein struktural/ pelindung Terdpt pada rambut, wol, sayap, kuku, tanduk
Susunan keratin rambut
Fibroin (β-keratin) antiparalel, pada serat sutra dan jaring laba-laba, bersifat fleksibel dan lentur dan tdk dapat meregang.
Protein jaringan laba-laba yang mengandung residu Glisin dan Alanin
Kolagen, pada urat, serat kulit, pembuluh darah, tulang, dan tulang rawan. Tdk dpt meregang Bentuk heliks kolagen, terdiri atas 3 peptida yang berulang yi: Gly-X-prolin atau Gly-X-hidroksiprolin
Kolagen (tdk larut dan tdk dicerna) → gelatin (larut dan dapat dicerna) Proses pemanasan shg ikatan kovalen terhidrolisis, misal pada daging.
Mioglobin, protein pengikat oksigen. Fungsi: menyimpan oksigen, meningkatkan transport oksigen ke mitokondria
PROTEIN MAJEMUK 1. 2. 3. 4. 5.
Nukleoprotein: ssDNA binding protein Glikoprotein: musin Fosfoprotein: kasein Kromoprotein: hemoglobin Protein-koenzim: piruvat dehidrogenaseNAD+ 6. Lipoprotein 7. Metaloprotein: kalmodulin-Ca2+
REAKSI PROTEIN 1. Dengan garam • •
Kelarutan protein meningkat dengan penambahan sedikit garam (salting in) Protein mengendap dalam garam pekat (salting out
2. Dengan asam • •
Sedikit asam mendenaturasi protein Asam berlebih menyebabkan hidrolisis
REAKSI PROTEIN 3.
Dengan basa •
4.
Tidak mengendapkan tetapi menyebabkan hidrolisis, dekomposisi oksidatif, dan rasemisasi
Dengan logam berat •
5.
Menghasilkan endapan yang tidak dapat larut kembali
Dengan pereaksi alkoloidal • •
Mengendapkan protein pada suasana asam Asam trikloroasetat, asam tannat, asam fosfotungstat, asam fosfomolibdat
REAKSI PROTEIN 6. Dengan pelarut organik • •
Menurunkan konstanta dielektrik Alkohol, kloroform
7. Dengan pemanasan • •
Terjadi denaturasi (terurainya protein menjadi struktur primernya) Terjadi koagulasi
REAKSI UJI PROTEIN 1. Reaksi Millon: tirosin 2. Reaksi Biuret: ikatan peptida 3. Reaksi xantoprotein: asam amino aromatik 4. Reaksi Hopkins Cole: triptofan 5. Reaksi ninhidrin: gugus karboksil dan amino bebas
REAKSI UJI PROTEIN 6.
Reaksi Lowry (J. Biol. Chem, 1951) • • •
7.
Menggunakan pereaksi Folin fenol Standar terbaik Human Albumin Terganggu oleh ion K+, Mg2+, EDTA, Tris, pereaksi tiol, dan karbohidrat
Reaksi Bradford (Anal. Biochem, 1976) • • •
Menggunakan pewarna Coomassie Brilliant Blue G-250 Standar terbaik γ-Globulin Terganggu oleh deterjen dan sedikit oleh aseton
METABOLISME NITROGEN
Metabolic Nitrogen Balance • Sebagian besar organisma memiliki kapasitas yang kecil untuk menyimpan nitrogen. Oleh karena itu, hewan harus terus menerus memanfaatkan nitrogen dari makanan untuk mengganti nitrogen yang hilang akibat katabolisme. • Bila protein makanan kurang, maka produksi protein untuk tujuan lain, misalnya untuk protein otot, akan terputus dan tidak akan tergantikan. • Seseorang dikatakan berada dalam kesetimbangan nitrogen bila Nitrogen yang dikonsumsi dari makanan = Nitrogen yang hilang (melalui ekskreasi dan proses lainnya) • Positive nitrogen balance: Dietary intake of nitrogen > Nitrogen loss • Negative nitrogen balance : Dietary intake of nitrogen < Nitrogen loss
Protein turnover • Dalam keadaan biasa, seseorang yang berada dalam kesetimbangan nitrogen akan mengkonsumsi 100 gram protein, mendegradasi 400 gram protein tubuh, mensintesis kembali 400 gram protein, dan mengeksresi/katabolisme 100 gram protein. • Setiap individu protein memiliki variasi waktu hidup, dari beberapa menit hingga beberapa bulan. Degradasi protein mengikuti kinetika orde pertama. • Protein yang berada dalam lingkungan ekstrasel, seperti enzim pencernaan, hormon polipeptida, dan antibodi, memiliki turn over yang cepat, tetapi protein yang berperan dalam struktur, seperti kolagen lebih stabil. • Enzim yang mengkatalisis tahap penentu laju dalam jalur metabolisme juga memiliki waktu hidup pendek. Oleh karena itu degradasi protein merupakan salah satu regulasi yang penting dalam metabolisme.
Peran protein makanan dalam metabolisme nitrogen keseluruhan 1.
Jumlah protein makanan yang disarankan: Katabolisme asam amino menyebabkan kehilangan 30 – 55 g protein per hari. Kehilangan ini harus dapat digantikan dari protein makanan. Diperlukan sekitar 55 g protein per hari untuk orang dengan berat badan 70 kg.
2.
Konsekuensi kekurangan protein: kekurangan asam amino esensial akan memaksa terjadinya degradasi protein jaringan dan menyebabkan efek klinis yang disebut kwashiorkor.
3.
Konsekuensi kelebihan protein: tidak ada gudang penyimpanan untuk asam amino. Oleh karena itu, makanan yang mengandung asam amino berlebih akan dimanfaatkan segera untuk meresintesis protein tubuh, dan senyawa-senyawa nitrogen lainnya. Kerangka karbonnya akan dioksidasi atau dikonversi menjadi glukosa atau lemak, dan gugus aminonya dikonversi menjadi amoniak.
Pencernaan Protein Makanan 1. Pencernaan protein oleh cairan lambung Isi cairan lambung: HCl (pH 2-3) dan pepsinogen. 2. Pencernaan protein oleh protease pankreas. Protease pankreas: tripsin, kimotripsin, elastase, karboksipeptidase 3. Pencernaan oligopeptida oleh protease usus kecil Permukaan usus mengandung aminopeptidase, yaitu suatu eksopeptidase yang memotong asam amino dari arah ujung N 4. Penyerapan asam amino dan dipeptida
Gambaran Umum Aliran Nitrogen di dalam Tubuh
Asam amino glukogenik dan ketogenik Asam amino dapat diklasifikasikan sebagai ketogenik atau glukogenik bergantung pada produk akhir dari metabolime 1.
Ketogenik: Asam amino yang katabolismenya menghasilkan asetoasetat atau salah satu dari prekursornya, yaitu asetil-CoA atau asetoasetil-CoA (Ketone bodies).
2.
Glukogenik: Asam amino yang katabolismenya menghasilkan piruvat atau salah satu intermediet siklus asam sitrat, dimana intemediet2 tsb merupakan prekursor dalam proses glukoneogenesis.
Katabolisme asam amino
Reaksi penting metabolisme asam amino • • • • • •
Dekarboksilasi Transaminasi Deaminasi oksidatif Transpor amonia dan detoksifikasi Sintesis urea Metabolisme rantai karbon
Dekarboksilasi
Transaminasi • Asam amino kehilangan gugus amin • Dikatalisis oleh transaminase (atau amino transferase) • Transaminasi terjadi in vivo pada semua asam amino kecuali lisin and threonin • Kebanyakan transaminase membutuhkan αketoglutarat untuk menerima gugus amin
Deaminasi oksidatif • Glutamat yang terbentuk dari reaksi transaminasi dideaminasi menjadi α-ketoglutarate • Glutamate dehydrogenase sebagai enzim • - NAD+ or NADP+ adalah koenzim
Transport dan detoksifikasi amonia • Amonia ditranspor ke hati • Terutama dalam bentuk glutamin • Glutamin berperan sebagai penyedia gugus amin untuk biosintesis asam amino
Sintesis urea • Di hati • 5 langkah siklus urea (Small Krebs c., Krebs-Hensleit c., Ornitihin c.) • Menggunakan amonia, CO2, 3 ATP and aspartat
Sintesis Asam Amino
Biosintesis asam amino koneksi dengan glikolisis/ gluconeogenesis dan siklus asam sitrat
Siklus ini adalah lintasan yang ditempuh untuk membawa ion amonium buangan yang berasal dari metabolisme asam amino di otot ke hati untuk diproses menjadi urea di dalam siklus urea. Di otot: gugus amina akan dipindah dari glutamat, bereaksi dengan piruvat melalui reaksi transaminasi membentuk alanina untuk selanjutnya dibawa sirkulasi darah menuju hati. Di hati: alanina akan mengalami transaminasi menjadi piruvat kembali dan memindahkan gugus amina pada alfa ketoglutarat menghasilkan glutamat. Glutamat akan megalami deaminasi oksidatif membebaskan ion amonium yang segera masuk ke dalam siklus urea.
Siklus Glukosa-Alanina:
Kaitan Siklus Urea dengan Siklus Sitrat
TERIMA KASIH
