Handout Protein

BAHAN AJAR PROTEIN

Protein adalah senyawa terpenting penyusun sel hidup. Senyawa ini terdapat dalam semua jaringan hidup baik tumbuhan maupu hewan. Fungsi biologis protein sangat beragam, antara lain sebagai pembangun, pengatur, pertahanan, dan sebagai sumber energi. Tidak ada kelompok senyawa lain yang fungsinya begitu beragam seperti protein. Oleh karena itulah kelompok senyawa ini disebut protein, istilah yang berasal  dari bahasa Yunani proteios, yang berarti “peringkat satu”atau “yang utama”.

Ditinjau dari komposisi kimianya, protein merupakan polimer dari sekitar 20 jenis asam α-amino. Massa molekul relatifnya berkisar dari sekitar 6000 hingga beberapa juta. Unsur utama penyusun protein adalah C, H, O dan N. Banyak juga protein yang mengandung besi, mangan, tembaga dan iodin.

1.    Asam  Amino

Asam amino adalah suatu golongan senyawa karbon yang setidak-tidaknya mengandung satu gugus karboksil (‒COOH) dan satu gugus amino (‒NH2). Jika gugus amino terikat pada atom C-alfa (yaitu atom karbon yang terikat langsung pada gugus karboksil), disebut asam alfa-amino; jika gugus aminonya terikat pada atom C-beta, disebut atom beta-amino dan seterusnya. Di alam hanya ditemukan asam alfa-amino.

Gugus R adalah gugus pembeda antara asam amino yang satu dengan asam amino yang lainnya. Gugus R dalam senyawa amino sangat beragam. Ada yang hidrofob (seperti glisin dan alanin), ada yang hidrofil karena mengandung gugus polar seperti ‒OH,‒COOH atau ‒NH2 (misalnya tirosin, lisin dan asam glutamat), ada yang bersifat asam (misalnya asam glutamat), ada yang bersifat basa (misalnya lisin), ada pula yang mengandung belerang (misalnya sistein) atau cincin aromatik (misalnya tirosin). Gugus R asam amino tersebut sangat berperan dalam menentukan struktur, kelarutan, serta fungsi biologis dari protein. Kecuali glisin, semua asam amino bersifat optis aktif, karena adanya atom C-α yang bersifat asimetris.

Telah disebutkan bahwa protein terbentuk dari sekitar 20 jenis asam amino. Asam amino tersebut dapat disintesis dalam tubuh, kecuali 8 asam amino (10 untuk bayi). Asam-asam esensial haruslah terdapat dalam makanan. Kekurangan satu saja asam amino akan mengganggu sintesis protein. Asam amino yang dapat disintesis dalam tubuh disebut asam amino nonesensial. Contoh asam amino esensial, yaitu valin, leusin, isoleusin.

Sebagian besar protein nabati tidak mengandung satu atau lebih asam amino esensial. Misalnya, protein beras tidak mengandung lisin dan treonin, protein gandum tidak mengandung lisin dan triptofan. Jadi, orang yang makan hanya nasi saja dapat menderita kekurangan gizi. Di pihak lain, protein hewani mengandung seluruh asam amino dalam jumlah yang memadai. Tubuh kita memerlukan sekitar 0,8 g protein per kg berat badan. Kekurangan protein dapat menyebabkan retardasi (keterbelakangan) fisik maupun mental.

2.    Ion Zwitter

Sebagaimana kita ketahui, gugus karboksil (‒COOH) adalah gugus yang bersifat asam (dapat melepas H⁺), sedangkan gugus ‒NH2 adalah gugus yang bersifat basa (dapat menyerap H⁺). Oleh karena itu, molekul asam amino dapat mengalami reaksi asam-basa intramolekul membentuk suatu ion dipolar yang disebut ion zwitter.

Oleh karena mempunyai gugus asam dan gugus basa, maka asam amino bersifat amfoter (dapat bereaksi baik dengan asam maupun dengan basa). Jika direaksikan dengan asam maka asam amino akan menjadi suatu anion, sebaliknya jika direaksikan dengan basa maka asam amino menjadi kation.

Dalam larutan, muatan asam amino bergantung pada pH larutan. Jika suatu asam amino yang bermuatan positif ditetesi dengan suatu basa (dinaikkan pHnya), maka muatan positifnya akan turun hingga menjadi netral dan seterusnya menjadi bermuatan negatif. pH pada saat asam amino itu tidak bermuatan disebut titik isolistrik (TIL). Di bawah titik isolistriknya asam amino bermuatan positif, dan sebaliknya bermuatan negatif di atas titik isolistriknya.

3.    Tata Nama Protein

Protein terbentuk dari ikatan antar molekul asam amino disebut ikatan peptida. Proses pembentukannya merupakan polimerisasi kondensasi. Dua molekul asam amino dapat berikatan (berkondensasi) dengan melepas molekul air(H‒OH), sebagai berikut.

Ikatan yang mengkaitkan dua molekul asam amino itu disebut ikatan peptida dan senyawa yang terbentuk disebut dipeptida.

Suatu dipeptida juga mempunyai gugus ‒COOH dan gugus ‒NH2, oleh karena itu dapat pula mengikat asam amino yang lain membentuk tripeptida, dan seterusnya membentuk polipeptida atau protein.

   Pemaparan struktur polipeptida secara lengkap dapat sangat membosankan dan tidak selalu perlu. Oleh karena itu, para ahli biokimia menggunakan singkatan. Tiap-tiap asam amino diberi lambang dengan tiga huruf, dengan cara itu suatu contoh polipeptida yang terdiri dari 10 residu asam amino dapat dinyatakan sebagai berikut :

   Gly‒Phe‒Cys‒Ser‒Ala‒Gly‒Asp‒Ala‒Lys‒Asp

Dalam menuliskan rangkaian asam amino dari suatu polipeptida atau protein, maka ujung amino (residu asam amino dengan gugus amino bebas) ditempatkan disebelah kiri, sedangkan ujung karboksil disebelah kanan. Pada contoh diatas, berati glisin (Gly) mempunyai gugus ‒NH2 bebas, sedangkan asam aspartat (Asp) mempunyai gugus ‒COOH bebas.

   Dua molekul asam amino dapat membentuk dua jenis dipeptida, bergantung pada gugus yang digunakan pada kondensasi. Misalnya, Gly dan Ala dapat membentuk dua jenis dipeptida, yaitu Gly‒Ala dan Ala‒Gly.

Dengan demikian dapat dipahami bahwa jenis protein yang dapat dibentuk dari 20 jenis asam amino dapat mencapai jutaan. Hal ini mirip dengan jumlah kalimat yang dapat disusun dari hanya 26 huruf dalam abjad. Namun demikian, urutan berbagai huruf dalam kata atau urutan berbagai kata tidak selalu mempunyai arti. Demikian juga, rangkaian asam-asam amino tidak selalu merupakan protein yang berguna. Mungkin kita tetap dapat mengartikan suatu kalimat meskipun terdapat beberapa huruf yang salah. Sama halnya dengan suatu protein, mungkin tetap dapat berfungsi meskipun ada beberapa asam amino yang tidak sesuai urutan. Akan tetapi, hal ini bisa berakibat fatal. Kelainan yang dikenal sebagai anemia sel sabit terjadi karena perbedaan satu dari sekitar 300 residu asam amino dalam hemoglobinnya.

Salah satu contoh yang menunjukkan betapa pentingnya urut-urutan asam amino dalam rantai polipeptida terhadap bentuk tiga dimensi dan fungsi protein, khususnya protein globular yaitu penyakit anemia sel sabit.

   Anemia sel sabit adalah penyakit yang timbul karea bentuk yang abnormal dari salah satu subunit hemoglobin. Hemoglobin yang normal berbentuk bulat (seperti kue donat), sedangkan sel sabit berbentuk sabit. Bentuk yang abnormal tersebut terjadi karena asam amino yang keenam dari rantai β, yaitu asam glutamat yang bersifat polar tergantikan oleh valin, suatu asam amino yang tidak polar. Perubahan bentuk ini mengganggu kemampuan hemoglobin dalam mengangkut oksigen. Selain itu, gaya tarik hidrofobik menyebabkan beberapa sel sabit mengelompok membentuk semacam serat sehingga dapat menyumbat pembuluh kapiler. Hal ini dapat menyebabkan peradangan, rasa sakit, kerusakan organ, bahkan kematian.

Anemia sel sabit adalah penyakit keturunan yang dialami seseorang yang mewarisi gen hemoglobin muatan dari kedua orangtuanya. Jika hanya salah satu orangtua yang menurunkan gen semu, hanya kira-kira 1% dari sel darah merahnya yang berubah menjadi bentuk sabit. Mereka dapat hidup normal selama menghindari latihan-latihan fisik yang berat atau tekanan lain terhadap sistem peredaran darah.

4.    Struktur Protein

Protein mempunyai struktur yang sangat kompleks. Struktur protein memegang peranan penting dalam menentukan aktivitas biologisnya. Struktur protein dapat dibedakan ke dalam 4 tingkatan, yaitu struktur primer, sekunder, tersier dan kuartener.

Struktur primer adalah urut-urutan asam amino dalam rantai polipeptida yang menyusun protein. Protein pertama yang berhasil ditentukan struktur primernya adalah insulin, yaitu hormon yang berfungsi mengatur kadar gula darah.

Sebagai contoh insulin sapi terdiri dari dua rantai polipeptida, yang ditandai dengan rantai A (terdiri dari 21 asam amino) dan rantai B (terdiri dari 30 asam amino). Kedua rantai disatukan oleh ikatan silang disulfida (‒S‒S‒) yang berasal dari unit sistein (Cys). Selama bertahun-tahun, insulin yang diekstraksi dari pankreas sapi digunakan untuk terapi bagi orang-orang yang menderita kekurangan insulin (Diabetes). Kini insulin manusia telah dapat diproduksi melalui industri genetika.

Struktur sekunder berkaitan dengan bentuk dari suatu rantai polipeptida. Oleh karena gaya-gaya nonkovalen, seperti ikatan hidrogen atau gaya dispersi, suatu rantai polipeptida menggulung seperti spiral (alfa heliks) atau seperti lembaran kertas continues form (beta-pleated sheet), atau bentuk triple heliks.

Struktur tersier protein merupakan bentuk tiga dimensi dari suatu protein. Bagaikan seutas mie yang diletakkan di dalam cawan, suatu rantai polipeptida dapat melipat atau menggulung sehingga mempunyai bentuk tiga dimensi tertentu. Struktur tersier protein dikukuhkan oleh berbagai macam gaya, sepert ikatan hidrogen, ikatan silang disulfida, interaksi hidrofobik atau hidrofilik, serta jembatan garam.

Setiap protein mempunyai bentuk tiga dimensi tertentu. Jadi semua molekul hemoglobin sebagai contoh, mempunyai bentuk tiga dimensi yang sama. Bentuk tiga dimensi protein sangat berperan dalam menentukan fungsi biologis protein tersebut. Sering kali sutatu molekul organik bukan protein terikat pada rantai polipeptida dalam struktur tersiernya.

Sebagian protein hanya mengandung rantai tunggal polipeptida, tetapi yang lain, yang disebut protein oligomer, terdiri dari dua atau lebih rantai. Sebagai contoh, hemoglobin mempunyai empat rantai. Masing-masing rantai merupakan satu subunit protein. Susunan subunit-subunit dalam protein oligomer disebut struktur kuartener.

5.    Hidrolisis Protein

Suatu polipeptida atau protein dapat mengalami hidrolisis jika dipanaskan dengan asam klorida pekat, sekitar 6M. Dlam hal ini ikatan peptida diputuskan sehingga dihasilkan asam-asam amino bebas. Dalam tubuh manusia atau hewan hidrolisis polipeptida atau protein terjadi karena pengaruh enzim.

6.    Penggolongan Protein

Protein dapat dibeda-bedakan berdasarkan komposisi kimia, bentuk, atau fungsi biologisnya.

a.    Berdasarkan Komposisi Kimia  
              Berdasarkan komposisi kimianya, protein dibedakan atas protein sederhana dan protein konjugasi. Protein sederhana hanya teriri atas asam amino, dan tidak ada gugus kimia lain. Bagian yang bukan asam amino dari protein konjugasi disebut gugus prostetik. Protein konjugasi digolongkan berdasarkan jenis gugus prostetiknya. 

b.    Berdasarkan Bentuk
            Berdasarkan bentuknya protein dibedakan atas protein globular dan protein serabut. Pada protein globular rantai atau rantai-rantai polipeptidanya berlipat rapat menjadi bentuk globular atau bulat padat. Protein globular biasanya larut dalam air dan mudah berdifusi. Hampir semua protein globular mempunyai fungsi gerak atau dinamik, seperti enzim, protein transpor darah,dan antibodi. Protein serabut tidak larut dalam air. Hampir semua protein serabut mempunyai fungsi struktural atau pelindung. Contohnya adalah α-keratin pada rambut dan wol,fibroin dari sutera, dan kolagen dari urat.

c.    Berdasarkan Fungsi Biologis

Berdasarkan fungsi biologisnya, protein dapat dibedakan atas 7 golongan, yaitu:

1. Enzim, yaitu protein yang berfungsi sebagai biokatalisator. Hampir semua reaksi senyawa organik dalam sel dikatalisis enzim. Lebih dari 2000 jenis enzim telah ditemukan di dalam berbagai bentuk kehidupan. Contohnya, ribonuklease dan tripsin.
2. Protein transpor, yaitu protein yang mengikat dan memindahkan molekul atau ion spesifik. Hemoglobin dalam sel darah merah mengikat oksigen dari paru-paru, dan membawanya ke jaringan periferi. Lipoprotein dalam plasma darah membawa lipid dari hati ke organ lain. Protein transpor lain terdapat dalam dinding sel dan menyesuaikan strukturnya untuk mengikat dan membawa glukosa, asam amino, dan nutrien lain melalui membran ke dalam sel.
3. Protein nutrien dan penyimpanan, ialah protein yang berfungsi sebagai cadangan makanan. Contohnya ialah protein yang terdapat dalam biji-bijian seperti gandum, beras dan jagung. Ovalbumin pada telur dan kasein pada susu juga merupakan protein nutrien.
4. Protein kontraktil yaitu protein yang memberikan kemampuan pada sel dan organisme untuk mengubah bentuk atau bergerak. Contohnya ialah aktin dan miosin, yaitu protein yang berperan dalam sistem kontraksi otot kerangka.
5. Protein struktur, yaitu protein yang berperan sebagai penyanggah untuk memberikan struktur biologi kekuatan atau perlindungan. Contohnya ialah kolagen yaitu komponen utama dalam urat dan tulang rawan. Contoh lain adalah keratin yang terdapat pada rambut, kuku, dan bulu ayam/burung, fibroin yaitu komponen utama dalam serat sutera dan jaring laba-laba.
6. Protein pertahanan (antibodi), yaitu protein yang melindungi organisme terhadap serangan organisme lain (penyakit). Contohnya adalah imunoglobin atau antibodi yang terdapat dalam vertebrata, dapat mengenali dan menetralkan bakteri, virus, atau protein asing dan spesi lain. Fibrinogen dan trombin merupakan protein penggumpal darah jika sistem pembuluh terluka. Bisa ular dan toksin bakteri juga tampaknya berfungsi sebagai protein pertahanan.
7. Protein pengatur, yaitu protein yang berfungsi mengatur aktivitas seluler atau fisiologi. Contohnya ialah hormon seperti insulin yang mengatur metabolisme penyakit diabetes. Contoh lain adalah hormon pertumbuhan dan hormon seks.

7.    Sifat-sifat Protein

a.       Denaturasi Protein

Jika suatu larutan protein, misalnya albumin telur, dipanaskan secara perlahan-lahan sampai kira-kira 60^O‒70^OC, lambat laun larutan itu akan mejadi keruh dan akhirnya mengalami koagulasi. Protein yang telah terkoagulasi itu tidak dapat larut lagi pada pendinginan. Perubahan seperti itu disebut denaturasi protein. Denaturasi juga dapat terjadi karena perubahan pH yang ekstrim, oleh beberapa pelarut seperti alkohol atau aseton, oleh zat terlarut seperti urea, oleh detergen, atau bahkan karena pengguncangan yang intensif. Protein dalam bentuk alamiahnya disebut protein asli (natif) setelah denaturasi disebut protein terdenaturasi. Protein terdenaturasi hampir selalu kehilangan fungsi biologisnya. Dari penelitian terhadap protein terdenaturasi diketahui bahwa struktur yang lebih kompleks dari protein, terutama struktur tersier dan struktur kuartenernya.

b.   Viskositas 
                Viskositas adalah tahanan yang timbul karena adanya gesekan antara molekul-molekul didalam zatcair yang mengalir. Suatu larutan protein dalam air mempunyai Viskositas atau kekentalan yang lebih besar dari pada Viskositas air sebagai pelarutnya. Pada umumnya Viskositas suatu larutan tidak diukur secara absolute tetapi ditentukan oleh Viskositas ralatif, yaitu perbandingan terhadap Viskositas zat cair tertentu. Alat yang digunakn untuk menentukan Viskositas adala viscometer Ostwald. Pengukuran viskositas didasarkan pada kecepatan aliran suatu zat cair atau larutan melalui suatu pipa ttertentu. Viskositas larutan protein tergantung pada jenis protein,  bentuk molekul, konsentrasi serta suhu larutan. Viskositas berbanding lurus dengan konsentrasi tetapi berbanding terbalik dengan suhu. Larutan suatu protein yang bentuk molekulnya panjang, mempunyai viskositas lebihh besar dari pada larutan suatu protein yang berbentuk bulat. Pada titik isolistrik viskositas larutan protein mempunyai harga terkecil.

c.   Koagulasi 
                Sifat protein yang satu ini ditandai dengan adanya penggumpalan partikel koloid sebagai akibat penambahan senyawa kimia yang pada akhirnya menyebabkan partikel menjadi netral dan akhirnya membentuk endapan akibat gaya grafitasi. Koagulasi ini sendri terjadi karena beberapa hal seperti pemanasan (contohnya: darah), pengadukan (contohnya: tepung kanji), dan pendinginan (contohnya: agar-agar).

d    Browning 
                  Sifat protein yang satu ini ditandai dengan terjadinya perubahan warna menjadi coklat. Hal ini merupakan reaksi pencoklatan enzimatis serta non enzimatis. Contoh pencoklatan enximatis terlihat pada buah-buah juga sayuran yang mengandung zat fenolik. Semenetara itu, contoh untuk pencoklatan non enzimatis ada pada karamelisasi gula.

8.    Reaksi Pengenalan Protein

a.       Uji Ninhidrin

Uji ninhidrin adalah uji umum untuk protein dan asam amino. Ninhidrin dapat mengubah asam amino (asam amino terminal) menjadi suatu aldehida. Uji ninhidrin dilakukan dengan menambahkan beberapa tetes larutan ninidrin yang tidak berwarna ke dalam sampel kemudian dipanaskan beberapa menit. Adanya protein atau asam amino ditunjukkan oleh terbentuknya warna ungu.

b        Uji Biuret

Uji biuret adalah uji umum untuk protein (ikatan peptida) tetapi tidak dapat menunjukkan asam amino bebas. Zat yang akan diselidiki mula-mula ditetesi larutan NaOH, kemudian larutan tembaga(II) sulfat yang encer. Jika terbentuk warna ungu, berarti zat itu mengandung protein.

c.       Uji Xantoproteat

Uji Xantoproteat adalah uji terhadap protein yang mengandung gugus fenil (cincin benzen). Apabila protein yang mengandung cincin benzena dipanaskan dengan asam nitrat pekat, maka terbentuk warna kuning yang kemudian menjadi jingga bila dibuat alkalis (basa) dengan larutan NaOH.

d.      Uji Belerang

Adanya unsur belerang dalam protein dapat ditunjukkan sebagai berikut. Mula-mula larutan protein dengan larutan NaOH pekat 6M dipanaskan kemudian diberi beberapa tetes larutan timbel asetat. Bila terbentuk endapan hitam (dari PbS) menunjukkan adanya belerang.

9.        Fungsi Protein

·           Pertumbuhan dan pemeliharaan

Rambut, kulit, dan kuku membutuhkan lebih banyak as amino yang mengandung sulfur.  Kolagen : protein utama otot dan jaringan ikat.  Fibrin dan myosin adalah protein didalam otot.

·           Pembentukan ikatan-ikatan esensial tubuh

Tiroid, insulin dan epinefrin serta enzim bertindak sebagai katalisator.  Hb berfungsi sebagai pengangkut oksigen

·           Mengatur keseimbangan air

Cairan tubuh intraseluler, ekstraseluler dan interseluler.  Distribusi cairan ini dijaga dalam keadaan seimbang atau homeostasis. Penumpukan cairan (edema) : tanda awal kekurangan protein.

·           Memelihara netralitas tubuh

Protein tubuh bertindak sebagai buffer, dengan  pH netral atau sedikit alkali (pH 7,35 – 7,45).

·           Pembentukan antibodi

Kekurangan protein, menghalangi kemampuan tubuh thd pengaruh toksik berkurang.  Kekurangan protein lebih rentan terhadap bahan-bahan racun dan obat-obatan.

·           Mengangkut zat-zat gizi

Protein memegang peranan esensial dalam mengangkut zat-zat gizi Kekurangan protein menyebabkan gangguan pada absorpsi dan transportasi zat gizi.

·           Sumber energi

Protein menghasilkan 4 kkal/g protein.

·           Angka kecukupan protein

Angka kecukupan protein (AKP) orang dewasa adalah 0,75 gram/kg berat badan. Kekurang protein ( Marasmus dan kwashiorkor), Kelebihan protein ( asidosis, dehirasi, diare, kenaikan amoniak darah, kenaikan ureum darah dan demam).

10.  Kekurangan Protein 
               Protein sendiri mempunyai banyak sekali fungsi di tubuh kita. Pada dasarnya protein menunjang keberadaan setiap sel tubuh, proses kekebalan tubuh. Setiap orang dewasa harus sedikitnya mengkonsumsi 1 g protein pro kg berat tubuhnya. Kebutuhan akan protein bertambah pada perempuan yang mengandung dan atlet-atlet.

          Kekurangan Protein bisa berakibat fatal:

•      Kerontokan rambut (Rambut terdiri dari 97-100% dari Protein-Keratin)

•   Yang paling buruk ada yang disebut dengan Kwasiorkor, penyakit kekurangan protein. Biasanya pada anak-anak kecil yang menderitanya, dapat dilihat dari yang namanya busung lapar, yang disebabkan oleh filtrasi air di dalam pembuluh darah sehingga menimbulkan odem. Simptom yang lain dapat dikenali adalah :  
       -   hipotonus             
       -   gangguan pertumbuhan 
       -   hati lemak

         Kekurangan yang terus menerus menyebabkan maramus dan berakibat kematian.