Bagaimana tingkatan struktur protein?

Sifat protein sebagian besar ditentukan oleh struktur tiga dimensinya. Bagaimanapun juga protein native (melipat secara alami) dispesifikasi oleh struktur primernya sehingga struktur primer suatu protein mempunyai karakteristik yang unik. Mempelajari struktur protein merupakan dasar untuk mengerti hubungan struktur dan fungsi protein yang diperlukan pada sistem biologi. Hubungan antara struktur dan fungsi protein adalah bagian fundamental dari biokimia. Hubungan fungsi biomolekul protein hanya dapat dimengerti dengan mempelajari struktur protein. Dengan demikian, pengetahuan struktur tiga dimensi protein adalah bahagian yang penting untuk mengerti bagaimana protein berfungsi. Variasi fungsi protein juga tergantung pada interaksinya dengan molekul lain.

Molekul protein memiliki empat tingkatan struktur yaitu struktur primer, struktur sekunder, struktur tersier, dan struktur quartener. Struktur primer menggambarkan sekuens linier dari residu asam amino pada protein. Tenaga yang memelihara struktur primer adalah ikatan peptida yang merupakan ikatan kovalen. Struktur tiga dimensi protein digambarkan oleh tiga tingkatan tambahan yaitu struktur sekunder, struktur tersier dan struktur quartener. Tenaga untuk memelihara atau menstabilkan tiga struktur ini terutama adalah ikatan nonkovalen. Struktur sekunder merefer kepada pengaturan memelihara konformasi lokal oleh ikatan hidrogen antara hidrogen amida dan oksigen karbonil dari back-bone peptida. Kebanyakan struktur sekunder adalah α-helis, βstrands, dan turn.

Struktur primer suatu protein akan menentukan bentuk aktifnya secara biologi. Struktur tersier distabilkan oleh interaksi rantai samping residu asam amino. Pembentukan struktur tersier menyebabkan struktur primer dan struktur sekunder menjadi berdekatan. Interaksi rantai samping (gugus R) dari residu asam amino pada rantai protein tergantung pada lokasi dan sifat gugus R sepanjang rantai protein. Interaksi ini akan mempengaruhi bagaimana rantai protein melipat, memutar yang menentukan struktur tiga-dimensi akhirnya dan fungsi biologinya. Beberapa protein memiliki struktur quartener yaitu asosiasi dari dua atau lebih rantai polipeptida membentuk multisubunit, atau protein oligomer. Rantai protein dari sebuah protein oligomer mungkin identik atau berbeda.

Bagaimana penjelasan dari masing-masing struktur protein tersebut?

Struktur Primer Protein


Struktur primer protein adalah urutan residu asam amino pada rantai protein yang dihasilkan dari pembentukan ikatan peptida antara residu asam amino di dalam rantai. Ikatan yang memelihara struktur primer adalah ikatan peptida yang merupakan ikatan kovalen. Setiap protein mempunyai struktur primer yang dibedakan oleh jumlah, urutan dan macam residu asam amino yang terletak sepanjang rantai protein. Struktur primer heksapeptida dimuat pada gambar di bawah. Prefiks ‘heksa’ pada kata ‘peptida’ bukan menunjukkan jumlah ikatan peptida tetapi menunjukkan jumlah residu asam aminonya. Jumlah ikatan peptida heksapeptida (terbentuk dari 6 asam amino) adalah lima.

Protein adalah polimer L-α-asam amino di mana gugus karboksil dari satu asam amino dihubungkan dengan gugus amino dari asam amino lainnya. Ikatan peptida adalah ikatan amida yang terbentuk antara gugus α-karboksilat (–COO-) dari satu asam amino dengan gugus α-amino (-NH3+) dari asam amino lainnya. Reaksi ini adalah reaksi dehidrasi karena molekul air hilang dan ikatan peptida dibentuk. Residu asam amino dengan gugus α-NH3+ bebas dikenal sebagai amino terminal atau residu N-terminal. Residu asam amino dengan gugus –COO- dikenal sebagai karboksil atau residu C-terminal. Urutan residu asam amino suatu protein ditulis dengan residu asam amino N-terminal di sebelah kiri dan residu asam amino C-terminal di sebelah kanan.

Penulisan residu asam amino pada struktur primer protein dapat menggunakan simbol tiga huruf asam amino atau satu huruf. Penggunaan simbol satu huruf lebih praktis dibandingkan tiga huruf apalagi untuk protein dengan jumlah residu asam amino yang banyak. Exoinulinasedari Bacillus subtilis terdiri dari 512 residu asam amino. Sekuens residu asam amino protein ini dimuat pada basis data GenBank dengan nomor asesi AAK00768.2. Walaupun demikian, kode tiga huruf asam amino sering digunakan untuk menyatakan struktur primer suatu oligopeptida.

Struktur primer lysozyme, suatu protein yang berfungsi sebagai enzim untuk mengkatalisis reaksi hidrolisis ikatan glikosida β(1→4) yang menghubungkan N-acetylmuramic acid (NAM) dengan N-acetylglucosamine (NAG), komponen dinding sel peptidoglikan (polisakarida NAM-NAG) bakteri. Lysozyme banyak terdapat pada air mata dan putih telur. Oleh sebab itu, air mata dan putih telur dapat mendegradasi dinding sel bakteri. Lysozyme dari putih telur ayam merupakan protein kecil yang terdiri dari 129 residu asam amino dengan 4 ikatan disulfida dan mempunyai massa molekul 14,7 kDa.

Struktur primer enzim lysozyme dimuat pada gambar di bawah. Struktur primer adalah urutan residu asam amino yang diikat secara kovalen. Peptida Leu-Gly-Thr-Val-Arg-Asp-His mempunyai sruktur primer yang berbeda dengan Val-His-Asp-Leu-Gli-Arg-Thr walaupun keduanya mempunyai jumlah dan jenis asam amino yang sama. Sebagai catatan bahwa urutan dari asam amino dapat ditulis pada satu garis. Struktur primer adalah struktur satu dimensi yang merupakan langkah pertama untuk menentukan struktur tigadimensi suatu protein. Beberapa ahli biokimia mendefinisikan struktur primer dengan memasukkan semua interaksi kovalen, termasuk ikatan disulfida yang dibentuk oleh sistein. Bagaimanapun juga ikatan disulfida merupakan bagian struktur tersier.

Sekuens residu asam amino suatu protein merupakan struktur primer. Struktur primer menentukan struktur tiga dimensinya yang selanjutnya menentukan sifat dan bentuk aktifnya secara biologi. Struktur tiga dimensi suatu protein yang benar diperlukan untuk fungsi yang benar. Struktur primer suatu protein adalah translasi dari informasi yang terdapat pada gen. Sekuens basa nukleotida pada gen dapat berubah karena proses mutasi. Mutasi suatu gen dapat mengakibatkan perubahan sekuens residu asam amino dari sebuah protein yang dikodenya. Dengan demikian, mutasi dapat merubah struktur primer protein. Hal ini dapat diartikan bahwa, jika dua spesies dari organime menyimpang menjadi spesies baru dalam waktu yang sangat dekat, maka perbedaan sekuens residu asam amino dari proteinnya akan sangat sedikit. Lain halnya jika mereka berbeda berjuta-juta tahun yang lalu ada banyak perbedaan dalam sekuens residu asam amino proteinnya. Sebagai akibatnya kita dapat membandingkan hubungan evolusi diantara spesies dengan membandingkan struktur primer protein yang hadir pada kedua spesies tersebut.

Struktur Sekunder Protein


Dua aspek struktur tiga-dimensi dari rantai tunggal polipeptida adalah struktur sekunder dan struktur tersier. Struktur sekunder polimer didefinisikan sebagai konformasi lokal dari backbone polimernya. Struktur sekunder protein merefer ke penataan ruang dari residu asam amino yang berdekatan di dalam segmen suatu polipeptida. Sifat geometri ikatan peptida adalah prasyarat untuk mengerti struktur ini. Struktur sekunder protein terbentuk akibat ikatan hidrogen antara hidrogen amida dan oksigen karbonil sepanjang ikatan peptida dari protein tersebut. Bentuk struktur sekunder protein adalah α-helix, β-sheet, Loop (ikalan) dan Turn (belokan). Struktur α-helix dan β-sheet merupakan struktur yang berulang pada interval yang teratur. Struktur α-helix seperti spiral dan hanya melibatkan satu polipeptida, sedangkan struktur β-sheet dapat melibatan satu atau lebih polipeptida. Struktur helix merupakan penataan paling sederhana dari rantai polipeptida yang oleh Pauling dan Corey dinamakan dengan α-helix.

α-helix
Struktur sekunder rantai protein yang paling umum adalah berpilin ke kiri yang dikenal dengan α-helix. Mengapa struktur α-helix yang terbentuk dibandingkan kemungkinan struktur lainnya? Sebagian jawabannya adalah bahwa struktur α-helix membuat optimal penggunaan ikatan hidrogen. Struktur ini distabilkan oleh ikatan hidrogen yang sejajar dengan sumbu helix di dalam backbone rantai tunggal polipeptida. Jika struktur α-helix mulai terbentuk dari ujung N-terminal, maka atom O pada gugus C-O dari setiap residu asam amino berikatan hidrogen dengan atom H pada gugus N-H dari residu ke-4 asam amino. Konformasi helix memungkinkan penataan linier dari atom-atom yang terlibat di dalam ikatan hidrogen. Hal ini memberikan kekuatan ikatan maksimum yang membuat konformasi helix sangat stabil. Setiap putaran helix terdapat 3,6 residu asam amino dengan panjang putaran 5,4ºA. Dengan demikian, panjang residu asam amino pada α-helix adalah 0,15 nm.

Asam amino prolin menghasilkan bengkokan pada backbone polipeptida karena struktur sikliknya. Oleh sebab itu, asam amino prolin tidak ditemukan pada struktur α-helix. Pada konformasi αhelix, semua rantai samping residu asam amino terletak di luar helix, karena tidak cukup ruang untuk menampung rantai samping di dalam struktur helix (Gambar 87). Pada semua protein, putaran helix dari α-helix adalah putar kanan. Protein mempunyai jumlah struktur α-helix yang bervariasi dari sangat sedikit sampai 100%. Umumnya, sekitar seperempat dari semua residu asam amino di dalam suatu protein ditemukan dalam bentuk α-helix.

Sekuens residu asam amino pada polipeptida mempengaruhi kestabilan α-helix. Tidak semua residu asam amino pada polipeptida dapat membentuk struktur α-helix yang stabil. Alanin memperlihatkan kecendrungan terbesar untuk membentuk α-helix di dalam kebanyakan sistem eksperimen. Posisi dari suatu residu asam amino relatif dengan residu asam amino lainnya adalah penting. Interaksi antara rantai samping residu asam amino dapat menstabilkan atau menggoyahkan struktur α-helix. Sebagai contoh jika segmen suatu rantai polipeptida terdiri dari Glu, maka pada bagian ini tidak akan terbentuk α-helix pada pH 7. Mengapa? Muatan negatif gugus karboksil menolak dengan kuat residu asam amino Gln yang berdekatan pada segmen ini, sebagai akibatnya mencegah pembentukan struktur α-helix. Begitu juga jika banyak berdekatan residu Lys dan atau residu Arg. Gugus rantai samping residu asam amino ini bermutan positip pada pH 7, akibatnya residu asam amino ini mencegah pembentukan struktur α-helix. Jumlah yang melimpah dari residu Asn, Ser, Thr dan Cys dapat mendestabilkan sebuah struktur α-helix, jika residu asam amino tersebut berdekatan di dalam rantai polipopeptida.

β-sheet
Pada tahun 1951, Pauling dan Corey memperkirakan tipe struktur sekunder protein yang kedua yaitu konformasi β. Pada konformasi β, rantai polipeptida saling berdekatan bahkan dengan rantai polipeptida yang lain. Penataan atom pada konformasi β, rantai polipeptida yang saling berdekatan tersebut dinamakan βsheet. Bagian rantai polipeptida yang hampir sepenuhnya teregang membentuk β-sheet dimanakan β strand. Panjang masing-masing residu pada β strand sekitar 0,32 sampai 0,34 nm, sebaliknya panjang residu asam amino pada α-helix adalah 0,15 nm. Ketika β strand terdiri dari banyak bagian ditata samping ke samping, kumpulan β strand membentuk β-sheet. Bagaimanapun juga β-sheet distabilkan oleh ikatan hidrogen antara oksigen karbonil dan hidrogen amida pada β strand yang berdekatan. Dengan demikian, daerah struktur β hampir selalu ditemukan di dalam bentuk sheet. Oleh sebab itu dinamakan struktur β-sheet.

β strand yang berikatan hidrogen dapat pada untai polipeptida yang terpisah atau pada segmen yang berbeda dari untai yang sama. β strand dalam β-sheet dapat paralel (arah ujung-C atau ujung-N sama) atau antiparalel (arah ujung-C atau ujung-N berlawanan). Ketika β strand antiparalel, ikatan hidrogen hampir tegak lurus dengan untai polipeptida yang teregang. Sebagai catatan bahwa β-sheet antiparalel, oksigen karbonil dan atom hidrogen amida dari satu residu membentuk ikatan hidrogen dengan hidrogen amida dan oksigen karbonil dari residu tunggal pada untai lainnya. Pada penataan β-sheet paralel, ikatan hidrogen tidak tegaklurus dengan untai yang diregangkan dan setiap residu asam maino membentuk ikatan hidrogen dengan gugus karbonil dan amida dari dua residu berbeda pada untai yang berdekatan. Gambar kiri memuat struktur β-sheet antiparalel dan gambar kanan memuat struktur β-sheet paralel.

Ikatan hidrogen antara rantai peptida pada β-sheet menghasilkan struktur zigzag berulang. Oleh sebab itu, diistilahkan ‘pleates sheet’ (lembaran berlipat) lengkapnya β-pleates sheet. Sebagai catatan, ikatan hidrogen adalah tegak lurus dengan arah rantai peptida, tidak paralel seperti pada α-helix. Gugus R dari residu asam amino berdekatan menonjol dari struktur zigzag pada arah berlawanan. Panjang pengulangan pada konformasi β-sheet paralel adalah 6,5Aº, sedangkan pada β-sheet antiparalel adalah 7Aº. Beberapa struktur protein memiliki struktur β-sheet tergantung pada jenis residu asam aminonya. Ketika dua atau lebih β-sheet berlapis bersama di dalam suatu protein, gugus R dari residu asam amino mengarah ke permukaan harus relatif kecil.

β sheet paralel kurang stabil dibandingkan β-sheet antiparalel, karena kemungkinan ikatan hidrogen terdistorsi pada penataan paralel. β-sheet kadang-kadang dinamakan β-pleated sheet karena gugus peptida saling bertemu planar pada sudut seperti sebuah harmonika tangan atau seperti lipatan kipas dari kertas. Sebagai akibatnya gugus rantai samping terletak di atas atau di bawah bidang sheet.

Sebuah β-sheet mengandung 2 sampai 15 β strand. Setiap β strand mempunyai rata-rata 6 residu asam amino. Gambaran dua β strand dari sebuah β sheet diperlihatkan pada di bawah. Rantai samping residu asam amino mengarah ke kiri dan kanan dari β strand tersebut. Pada gambar tersebut hanya rantai samping pada β strand yang di depan yang diperlihatkan. Pada kebanyakan protein, β strand terletak pada posisi yang berbeda dari rantai protein dan akan membentuk β-sheet ketika protein membentuk konformasi tersier. Kadang-kadang struktur quartener memberikan sejumlah besar struktur β-sheet. Beberapa protein hampir keseluruhan merupakan β-sheet, tetapi kebanyakan protein mempunyai sejumlah kecil β strand.

Loop dan Turn
Loop dan Turn menghubungkan α-helix dan β-sheet yang memungkinkan rantai polipeptida melipat dan menghasilkan bentuk tiga dimensi dalam struktur nativenya. Sebanyak sepertiga dari residu asam amino pada protein ditemukan struktur nonrepetitif seperti Loop dan Turn. Loop sering mengandung residu asam amino hidrofilik dan biasanya ditemukan pada permukaan protein dimana residu tersebut diekspos ke pelarut dan membentuk ikatan hidrogen dengan air. Beberapa Loop terdiri dari banyak residu asam amino dari struktur nonrepetitif. Sekitar 10% residu dapat ditemukan daerah demikian. Polimer glycine cendrung membentuk struktur coil.

Loop mengandung hanya sedikit (sampai 5) residu asam amino yang direfer sebagai Turn jika urutan tersebut menyebabkan perubahan mendadak dalam arah dari sebuah rantai polipeptida. Tipe yang paling umum dari Turn ketat dinamakan reverse Turn (berputar balik). reverse Turn dinamakan juga β-Turn karena reverse Turn sering menghubungkan untai β antiparalel yang berbeda. Ingat kembali pembentukan β-sheet, polipeptida harus melipat agar dua atau lebih daerah dari β strand berdekatan satu dengan lainnya.

Struktur Tersier Protein


Struktur sekunder protein merupakan penataan ruang dari residu asam amino yang berdekatan di dalam segmen suatu polipeptida. Interaksi antara segmen tersebut pada rantai polipeptida menghasilkan struktur tersier protein. Dengan kata lain, struktur tersier protein berkaitan dengan pelipatan selanjutnya dari struktur sekunder. Apakah kedua ujung (ujung-N dan ujung-C polipeptida) akan mendekat atau menjauh? Interaksi apakah yang dilibatkan pada struktur tersier protein? Interaksi non kovalen antara rantai samping residu asam amino dan ikatan kovalen disulfida memainkan peranan yang menentukan struktur tersier protein. Interaksi non kovalen termasuk ikatan hidrogen, ikatan ionik dan gaya van der Waals. Dengan demikian, penataan keseluruhan struktur tiga-dimensi dari semua atom-atom di dalam suatu protein direfer sebagai struktur tersier protein. Interaksi yang memelihara struktur tersier protein seperti pada gambar di bawah. Interaksi ini sangat dipengaruhi oleh perubahan pH dan suhu.

Teknik eksperimen yang digunakan untuk menentukan struktur tersier protein adalah kristalografi sinar-X (X-ray crystallography). Kristal sempurna dari beberapa protein dapat ditumbuhkan dengan hati-hati pada kondisi yang dikontrol. Pada kristal demikian semua molekul protein mempunyai konformasi tiga-dimensi yang sama dan mempunyai orientasi yang sama. Kristal dengan kualitas seperti ini dapat terbentuk dari protein dengan kemurnian yang sangat tinggi. Dengan demikian, tidak akan diperoleh struktur protein jika protein tidak dapat dikristalkan. Mengkristalkan protein untuk menentukan struktur tersiernya merupakan areal riset yang berkembang saat ini. Struktur tersier suatu protein misalnya exoinulinase, endoinulinase telah ditemukan dan dapat dilihat pada basis data Protein Data Bank (PDB).

Struktur tersier glutathione synthetase diperoleh dengan teknik kristalografi sinar-X. Pada struktur tersier glutathione synthetase terdapat 4 buah daerah helix yaitu A-helix (residu asam amino 5-11), B-helix (23-34), C-helix (86-99), D-helix (105-109). Daerah β-sheet (4043, 47-50). Daerah yang berbelok dan berpilin tidak beraturan adalah daerah loop dan turn.

Gambar di atas merupakan struktur tersier glutathione synthetase yang merupakan tafsiran dari data kristalografi sinar-X. Dengan demikian, pada struktur tersier suatu protein kita dapat melihat struktur sekunder dan struktur primernya. Jika struktur primer rusak, maka struktur sekunder dan tersier akan rusak. Namun jika struktur sekunder dan tersier rusak, belum tentu merusak struktur primer. Untuk mengerti struktur tiga dimensi suatu protein kita perlu menganalisa pola pelipatannya. Kami mulai dengan pendefinisian dua istilah penting yang menggambarkan pola struktur protein atau pola struktur bagian dari sebuah rantai protein yaitu motif dan domain.

Motif


Motif disebut juga struktur supersekunder. Motif adalah kombinasi dari α-helix, β-sheet dan loop yang terdapat pada sejumlah protein yang berbeda. Kadang-kadang motif berhubungan dengan fungsi khusus. Meskipun suatu motif secara struktural mirip mungkin mempunyai fungsi yang berbeda pada protein yang berbeda. Satu motif yang paling sederhana adalah helix-loop-helix. Struktur ini terjadi pada sejumlah protein yang mengikat Calsium. Residu Glutamat dan Aspartat pada loop dari protein ini membentuk bagian sisi pengikatan Calsium. Versi protein mengikat DNA dari struktur supersekunder dinamakan motif helix-turn-helix karena residu yang menghubungkan bentuk helix membentuk putar balik. Pada protein ini, residu dari α-helix mengikat DNA.

Beberapa bentuk umum struktur supersekunder atau motif adalah helix-loop-helix, coiled, helix bundle, βαβ unit, hairpain, β meander, Greek key, β-sandwich (Gambar 93). Panah menunjukkan arah β strand ujung-N ke ujung-C dari rantai pebtida. Motif coiledcoil terdiri dari dua amphipathic α-helix yang berinteraksi melalui tepi hidrophobik. Beberapa α-helix dapat berasosiasi untuk membentuk sebuah bundelan helix. Pada kasus ini α-helix individual mempunyai orientasi berlawanan dimana α-helix adalah paralel pada motif coiled-coil. Motif βαβ terdiri dari dua β strand paralel yang diantaranya terdapat sebuah α-helix yang dihubungkan oleh dua loop. helix menghubungkan ujung terminal-C dari sebuah β strand ke ujung terminal-N berikutnya dan sering paralel ke dua untai. Hairpin terdiri dari dua β strand antiparalel yang berdekatan yang dihubungkan oleh sebuah β turn.

Motif β meander merupakan sebuah β-sheet antiparalel yang tersusun oleh sederetan β strand yang dihubungkan oleh loop atau turn. β meander sheet mungkin mengandung satu atau lebih hairpin tetapi biasanya β strand dihubungkan oleh loop yang lebih besar. Nama motif Greek key berasal dari desain yang ditemukan pada keramik klasik Yunani. Motif ini adalah sebuah motif β-sheet yang menghubungkan empat β strand antiparalel dimana strand 3 dan 4 di tepi dari sheet, sedangkan 1 dan 2 terletak di tengah dari sheet. Motif β sandwich dibentuk ketika β strand atau sheet bertumpukan di atas satu sama lainnya. Pada Gambar 93 diperlihatkan contoh β sandwich dimana β strand dihubungkan oleh loop yang pendek dan turn tetapi β sandwich dapat juga dibentuk oleh interaksi dari dua β-sheet pada daerah yang berbeda dari rantai polipeptida.

Domain


Istilah kedua untuk menggambarkan pola struktural adalah domain. Sebuah domain didefinisikan sebagai bagian dari sebuah rantai polipeptida yang stabil secara bebas atau dapat mengalami pergerakan sebagai sebuah kesatuan tunggal dengan respect ke seluruhan protein. Pada domain terdapat pelipatan yang terpisah secara bebas. Polipeptida dengan lebih dari pada ratusan residu asam amino sering melipat membentuk dua atau lebih domain yang kadang-kadang dengan fungsi yang berbeda. Protein kecil biasanya mempunyai hanya satu domain.

Setiap domain merupakan unit kompak yang berbeda yang terdiri dari bermacam struktur sekunder. Domain biasanya dihubungkan oleh loop, tetapi domain juga diikat satu sama lain melalui interaksi yang lemah yang dibentuk oleh rantai samping residu asam amino pada permukaan setiap domain. Kebanyakan protein disusun dari beberapa domain berlainan yang kompak. Domain mungkin terdiri dari kombinasi dari beberapa motif. Ukuran sebuah domain bervariasi dari sedikitnya 25 sampai 30 residu asam amino bahkan lebih dari 300. Sebagai contoh adalah stuktur tersier fructan 1-exohydrolase IIa (1-FEH IIa) dari Cichorium intybus (Verhaest et al., 2005).

Secara keseluruhan struktur tersier 1-FEH IIa melipat membentuk dua domain, yaitu β-propeller pada domain N-terminal (Domain 1) dan β-sandwich pada domain C-terminal (Domain 2). Domain β-propeller membentuk lima lipatan β-proppeller berulang seperti selinder yaitu blade I sampai blade V. Masing-masing blade pada 1-FEH IIa membentuk empat β-strand antiparalel yang ditandai dengan huruf A, B, C dan D dari arah dalam ke luar propeller. Aktivitas katalitik terletak pada domain β-propeller. Domain β-sandwich terbentuk dari dua β-sheet yang setiap β-sheet terdiri dari enam β-strand antiparalel. Struktur tersier 1-FEH IIa dari Cichorium intybus dimuat pada berikut.

Domain β-propeller dan β-sandwich dihubungkan oleh polipeptida pendek dengan posisi dan orientasi relatif dari domain. Domain distabilkan oleh ikatan hidrogen dan interaksi hidrofobik. Pelipatan β-sandwich merupakan modul pengikat karbohidrat (Carbohydrate-Binding Module, CBM) yang termasuk ke dalam 14 keluarga CBM yaitu CBM2,CBM3, CBM4, CBM6, CBM9, CBM15, CBM17, CBM22, CBM27, CBM28, CBM29, CBM32, CBM34 dan CBM36 (Boraston et al., 2004). Secara umum, fungsi CBM adalah mempromosikan hubungan enzim dengan substrat (Boraston et al., 2004). Fungsi β-sandwich mungkin terlibat dalam pengikatan fruktan (Verhaest et al., 2005).

Setiap domain merupakan unit kompak berbeda yang terdiri dari bermacam struktur sekunder. Domain biasanya dihubungkan oleh loop tetapi domain juga diikat satu sama lain melalui interaksi yang lemah yang dibentuk oleh rantai samping residu asam amino pada permukaan setiap domain. Pada umumnya, protein dapat dikelompokkan ke dalam famili menurut kemiripan struktur domain dan sekuens asam aminonya. Enzim-enzim yang mengkatalisis reaksi hidrolisis ikatan glikosida pada karbohidrat dinamakan glikosida hidrolase (GH) dengan kode EC 3.2.1.X. Nama lain glikosida hidrolase adalah glikosidase atau O-glycosyl hydrolase. Enzim-enzim glikosida hidrolase dikelompokkan dalam keluarga (family) berdasarkan kemiripan urutan residu asam aminonya. Pada situs Carbohydrate Active enZyme (CAZy) terdapat 131 keluarga GH (http://www.cazy.org/Glycoside-Hydrolases.html, pada 13 Januari 2013). Fructan 1-exohydrolase IIa (1-FEH IIa) dari Cichorium intybus termasuk GH32.

Struktur Quartener Protein


Beberapa protein mengandung dua atau lebih rantai polipeptida yang berbeda atau sama. Rantai polipeptida pada protein ini dinamakan subunit. Masing-masing subunit merupakan polipeptida yang terpisah. Proteinnya dinamakan dengan protein multisubunit. Protein multisubunit dapat terdiri dari 2 subunit (dimer), 3 subunit (trimer), 4 subunit (tetramer), dan bahkan lebih dari 4 subunit. Protein yang terdiri dari sejumlah kecil subunit dinamakan oligomer. Protein dengan hanya satu subunit adalah monomer. Subunit pada protein multisubunit mungkin identik atau berbeda. Subunit identik dominan pada dimer dan tetramer. Ketika subunit berbeda, setiap tipe subunit sering mempunyai fungsi yang berbeda.

Penataan polipeptida-polipeptida pada protein multisubunit dalam struktur tiga-dimensinya dinamakan struktur quartener. Struktur quartener berhubungan dengan topologi, penataan ruang dari dua atau lebih rantai polipeptida. Struktur quartener merupakan penataan dan pengorganisasian subunit-subunit protein menjadi protein kompleks yang fungsional. Interaksi antara subunit pada protein multisubunit dimediasi oleh interaksi nonkovalen seperti ikatan hidrogen, interaksi hidrofobik, dan interaksi elektrostatik. Sebagai akibat dari interaksi non kovalen tersebut, perubahan kecil struktur pada suatu sisi dari suatu molekul protein multisubunit mungkin menyebabkan perubahan drastis pada sisi yang jauh dari protein tersebut. Sifat protein seperti ini terjadi pada protein allosteric. Tidak semua protein multisubunit menunjukkan efek allosterik, tetapi kebanyakan efek allosterik adalah penting pada regulasi metabolik.

Metoda umum untuk menggambarkan protein oligomer adalah menggunakan huruf Yunani untuk mengidentifikasi tipe subunit dan subkrip angka menunjukkan jumlah subunit. Sebagai contoh protein α2βγ mengandung dua subunit α dan satu subunit yang masing-masing ditandai dengan β dan γ. Dengan demikian, protein α2βγ adalah tetramer. Subunit dalam protein oligomer selalu mempunyai definisi stoikiometri dan penataan subunit memberikan struktur stabil. Interaksi hidrophobik adalah kekuatan utama yang terlibat meskipun kekuatan elektrostatik mungkin berkontribusi pada penataan subunit yang disukai. Karena kekuatan intersubunit biasanya lemah, subunit dari protein oligomer dapat sering dipisahkan di laboratorium. Bagaimanapun juga secara in vivo, subunit biasanya tetap berasosiasi dengan erat.

Beberapa protein multisubunit diperlihatkan pada gambar berikut.

Pada HIV-1 aspartic protease merupakan dimer yaitu dua subunit protein yang identik, sedangkan phosphoribosyl transferase merupakan protein tetramer yang terdiri dari empat subunit dengan dua subunit identik (dua pasang subunit nonidentik). Subunit identik berasosiasi melalui interaksi lemah antara rantai samping terutama pada daerah loop. Interaksi yang mirip terdapat pada protein capsid MS2 suatu trimer yang terdiri dari tiga subunit identik. Penentuan komposisi subunit dari sebuah protein oligomer adalah langkah essensial dalam penggambaran secara fisika suatu protein. Berat molekul dari native oligomer diperkirakan dengan kromatografi gel-fitrasi, kemudian berat molekul setiap rantai ditentukan dengan elektroforesis gel SDS-poliakrilamid.

Pada kenyataan sebagian besar protein terdiri dari subunit yang berasosiasi. Hal ini terjadi barangkali berhubungan dengan beberapa faktor.

  • Oligomer biasanya lebih stabil dari pada subunit yang terpisah. Struktur quartener diusulkan memperpanjang hidup dari protein secara in vivo

  • Sisi aktif beberapa enzim oligomer dibentuk oleh residu dari polipeptida yang berdekatan

  • Struktur tiga dimensi dari kebanyakan protein oligomer berubah ketika protein mengikat ligan. Perubahan tersebut adalah kunci dalam pengaturan aktivitas biologi dari protein oligomer tertentu.

  • Protein multisubunit mungkin terlibat pada reaksi enzimatik berurutan dimana produk dari reaksi pertama menjadi substrat dari reaksi kedua. Hal ini memberikan efek yang dikenal sebagai ‘pengaliran’ (channeling).

Hasil survei protein E.coli pada basis data SWISS-PROT, 19% polipeptida adalah monomer. Dimer adalah klas terbesar, homodimer (dua subunit idetik) 31% dari semua protein. Kelas terbesar berikutnya adalah tetramer dari subunit identik. Sebagai catatan trimer relatif jarang ditemukan. Kebanyakan protein adalah simetri. Simetri ini dilihat bahkan pada heterooligomer, seperti hemoglobin. Contoh lain protein multisubunit adalah DNA polimerase, RNA polimerase, protein ribosom, dan piruvat dehidrogenase. Memang banyak pengecualian khususnya ketika oligomer adalah kompleks besar. Kebanyakan protein multisubunit berukuran besar sehingga dengan mudah dapat dilihat dengan mikroskop elektron.

Protein-protein besar dikiaskan sebagai ‘mesin protein’ (protein machine) yaitu komponen protein yang bervariasi bekerja sama melakukan suatu reaksi kompleks. Flagellum bakteri adalah contoh spektakuler dari mesin protein. Protein kompleks ini menggerakkan rotasi sepanjang flagellum menggunakan tenaga proton-motive sebagai sumber energi. Lebih dari 50 gen dibutuhkan untuk membangun flagellum E.coli tetapi survei pada bakteri lainnya hanya sekitar 21 protein inti yang dibutuhkan untuk membangun flagellum yang fungsional.

Berdasarkan pertimbangan bentuk tiga dimensinya, protein diklasifikasikan menjadi dua kelompok utama yaitu protein fibrous dan protein globular. Dua kelompok protein ini berbeda secara struktural sehingga menghasilkan sifat dan fungsi yang berbeda pula. Protein fibrous merupakan molekul yang sangat panjang yang mana struktur sekunder yang dominan adalah struktur ‘motif’. Struktur protein ini lebih sederhana dibandingkan protein globular. Pada protein fibrous, rantai polipeptida ditata sepanjang rantai atau sheet, sedangkan pada protein globular, rantai polipeptida melipat, berbentuk bulat ‘globular’. Protein fibrous biasanya sebagian besar terdiri dari tipe tunggal struktur sekunder dan struktur tersiernya relatif sederhana. Pada gambar a dimuat potongan protein fibrous dimana protofilamen empat putar kanan membentuk filamen. Struktur protein fibrous ini mirip dengan struktur protein α keratin rambut. Pada gambar b dimuat myoglobin suatu protein globular.

Protein globular sering mengandung beberapa tipe struktur sekunder. Sifat dan fungsi protein ini juga berbeda. Protein globular larut di dalam air, sedangkan protein fibrous tidak larut di dalam air. Struktur yang menyediakan support, bentuk dan proteksi eksternal vertebrata dibuat dari protein fibrous, sedangkan kebanyakan enzim dan protein transport merupakan protein globular. Marilah kita pelajari lebih dekat struktur protein globular. Protein globular yang telah banyak dipelajari strukturnya adalah myoglobin dan hemoglobin. Kedua protein ini melakukan fungsi biologi mengikat molekul oksigen secara selektif dan reversibel.