Struktur dan Fungsi Protein dalam Perspektif Biokimia

Protein menjadi salah satu makromolekul selain dari karbohidrat, lipid dan asam nukleat. Protein juga menjadi makromolekul dasar yang berperan hampir dalam setiap proses biokimia di dalam sel organisme.  Molekul ini tersusun dari rantai polipeptida yang dibentuk oleh kondensasi antara asam amino melalui ikatan peptida. Dalam sistem biologi, protein berfungsi sebagai enzim, komponen struktural, reseptor, pengangkut molekul, pengatur metabolisme, dan agen pertahanan imun. Keunikan protein terletak pada keragaman urutan asam amino dan konformasi tiga dimensinya, yang menentukan spesifisitas dan aktivitas biologisnya (Sirajuddin et al., 2024). Kajian biokimia terhadap struktur dan fungsi protein penting dalam memahami mekanisme molekuler tubuh, serta dalam pengembangan terapi berbasis biomolekul dan rekayasa genetika modern.

Struktur Protein

Protein memiliki struktur yang terbagai menjadi empat yaitu struktur primer, sekunder, tersier, dan kuartener yang dimana setiap struktur memiliki kestabilan dan fungsi spesifik protein melalui interaksi kimia dan konformasi spasial.

Struktur Primer

Struktur primer protein merupakan urutan linier dari asam amino yang saling terikat satu sama lain melalui ikatan peptida, yaitu ikatan kovalen yang terbentuk antara gugus karboksil (-COOH) dari satu asam amino dan gugus amino (-NH) dari asam amino berikutnya. Ikatan kovalen pada ikatan peptida tersebut menandakan ikatan tersebut sangat kuat secara energi ikatan sehingga tidap mudah terpecah pada kondisi biasa seperti perubahan pH atau suhu fisiologis. Stabilitas struktur primer memungkinkan molekul protein menjaga keutuhan dan keteraturan asam amino selama proses translasi dan sebelum memasuki pelipatan tiga dimensi yang menentukan fungsi dari asam amino (Sari, 2007).

Struktur Sekunder

Struktur sekunder protein terdiri dari rantai polipeptida mulai membentuk pola tiga dimensi awal sebagai respons terhadap interaksi ikatan hidrogen antar gugus karbonil dan amino. Interaksi ini bukan lagi antara rantai samping (R group), namun sepanjang kerangka utama (backbone) dari polipeptida yang menjadikannya proses yang relatif bebas dari variasi residu asam amino secara langsung o secara langsung (Ferrier, 2020).

Struktur sekunder memiliki dua bentuk umum yaitu -helix dan -sheet. Bentuk -heliks terbentuk ketika rantai polipeptida melipat secara spiral ke kanan dengan ikatan hidrogen yang menghibungkan setiap gugus karbonil dari residu ke-n dengan gugus amino residu ke-n+4. konfigurasi tersebut memberikan kestabilan helix yang memilki sifat kompak dan lentur dan ditemukan seringkali pada protein transmembran seperti kanal ion dan reseptor G-protein, karena struktur tersebut mampu menembus membran lipid secra efisien.

Pada bentuk -sheet terdiri dari untaian polipeptida yang saling berinteraksi melalui ikatan hidrogen dalam konfigurasi sejajar (parallel) atau antiparalel. Beta-sheet menghasilkan permukaan datar atau sedikit berlekuk, yang memberi kekakuan struktural dan sering ditemukan dalam protein struktural seperti fibroin dalam sutra. Susunan antiparalel biasanya lebih stabil yang disebabkan karena jarak antar gugus donor-akseptor ikatan hidrogen lebih optimal.

Struktur Tersier

Struktur tersier merupakan bentuk tiga dimensi dari polipeptida yang terbentuk setelah struktur primer dan sekunder tersusun, dan penting karena dapat menentukan fungsi biologis protein secara spesifik. Pelipatan terjadi akibat interaksi kompleks antara rantai samping(-R) dari residu asam amino. Ikatan hidrogen antar gugus polar memberikan kestabilan lokal, sementara interaksi hidrofobik antara residu non-polar menyebabkan penggumpalan pada bagian tertentu ke arah dalam molekul yang menjauhi pelarut air. Disamping itu, interaksi elektrostatik antara gugus bermuatan positif dan negatif mendukung pda pembentukan pola muatan permukaan protein yang berdampak pada pengenalan substrat atau ligan. Salah satu pengunci struktural yang paling kuat adalah ikatan disulfida, yang terbentuk antara dua residu sistein melalui oksidasi gugus tiol yang menghasilkan jembatan -S-S yang meningkatkan stabilitas dari konformasi protein. Kombinasi dari semua interaksi tersebut menciptakan situs aktif enzim yang mampu mengenali dan mengikat substrat secara spesifik, serta menjalankan katalisis dengan efisiensi tinggi. Kesalahan dalam proses pelipatan ini dapat menyebabkan terjadinya misfolding protein, yaitu keadaan di mana protein kehilangan struktur fungsionalnya dan membentuk agregat yang berpotensi toksik.

Struktur Kuartener

Struktur kuartener protein merupakan bentuk lebih kompleks dari struktur lainnya bentuk ini juga memilki organisasi yang tertinggi dalam hierarki pelipatan molekul protein, dimana dua atau lebih rantai polipeptida, atau subunit bergabung membentuk satu kompleks fungsional. Tidak seperti struktur tersier yang mencerminkan pelipatan satu rantai polipeptida, struktur kuartener melibatkan interaksi antar subunit yang dapat bersifat non-kovalen, seperti gaya van der Waals, ikatan hidrogen, dan interaksi elektrostatik, atau berupa ikatan disulfida antar subunit sistein yang memperkuat stabilitas kompleks protein secara keseluruhan (Yuswadinata & Wathoni, 2021).

Fungsi Protein

Protein memilki fungsi yang sangat penting dalam segala proses pada sel oragnisme yang bergantung pada struktur spasial dan interaksi molekulernya. Beberapa fungsi utama protein meliputi peran sebagai enzim, struktural, transport, regulatif, dan imunologis.

Fungsi Enzimatik

Peran protein yaitu sebagai enzim yang berperan sebagai katalisator biologis dengan cara menurunkan energi aktivasi suatu reaksi kimia, sehingga reaksi dapat berlangsung lebih cepat dan efisien tanpa konsumsi enzim itu sendiri. Enzim dapat bekerja melalui mekanisme kunci dan gembok atau lock and key, dengan substrat memilki bentuk yang tepat untuk berikatan degnan situs aktif enzim atau induced fit yang merupakan penyesuaian konformasi situs aktif setelah substrat mendekat (Yuswadinata & Wathoni, 2021). Enzim-enzim tersebut dapat dicontohkan seperti amilase dalam saliva memecah pati menjadi maltosa dalam proses pencernaan karbohidrat. Enzim protease, seperti tripsin atau pepsin, memutus ikatan peptida protein dan lipase menghidrolisis trigliserida menjadi asam lemak dan gliserol. Aktivitas enzim dipengaruhi oleh berbagai faktor, termasuk pH lingkungan (misalnya, pepsin optimal di pH asam), suhu (yang dapat memengaruhi pelipatan enzim), dan keberadaan kofaktor seperti ion logam (misalnya Mg atau Zn) yang membantu stabilisasi struktur dan reaktivitas enzim (Wahyudiati, 2017).

Fungsi Struktural

Protein memiliki fungsi struktural yaitu sebagai komponen utama dalam membentuk dan mempertahankan integritas fisik sel serta jaringan tubuh. Misalnya seperti Kolage sebagai protein paling melimpah dalam tubuh manusia dan tersusun atas tiga rantai polipeptida yang membentuk struktur triple helix, memberikan kekuatan tarik tinggi pada jaringan ikat seperti kulit, tulang, dan tendon. Struktur triple helix tersebut memiliki keuntungan yaitu sangat tahan terhadap degradasi oleh enzim proteolitik. Keratin, di sisi lain, memiliki struktur heliks dan ikatan silang disulfida yang kuat, membuatnya tahan terhadap tekanan mekanik dan kimia, sehingga cocok sebagai pelindung di jaringan permukaan seperti rambut, kuku, dan epidermis (Rosana, 2019).

Fungsi Transport

Protein juga memiliki fungsi transport yang memiliki peran dalam mengatur distribusi molekul esensial secara tepat ke seluruh tubuh dan pada tingkat sel. Salah satu contoh utamanya adalah hemoglobin yang merupakan protein globular yang memiliki empat subunit dengan gugus heme besi dan memilkki fungsi dalam mengikat dan melepas oksigen secara kooperatif yang berarti ikatan oksigen pada satu subunit meningkatkan afinitas subunit lain untuk oksigen. Di tingkat sel, GLUT1 adalah transporter glukosa yang bekerja melalui difusi terfasilitasi, menjaga keseimbangan kadar glukosa intraseluler tanpa memerlukan energi langsung. Sementara beberapa protein membran lainnya, seperti pompa natrium-kalium, menjalankan transport aktif, memindahkan ion melawan gradien konsentrasi dengan konsumsi ATP yang dapat menjaga homeostasis dan mendukung fungsi metabolisme seluler (Rosana, 2019)

Fungsi Regulasi dan Sinyal

Fungsi regulasi protein memiliki peran dalam mengatur jalur metabolisme dan komunikasi sel. Sebagai contoh Insulin yang merupakan protein hormon yang dapat berinteraksi dengan reseptor spesifik pada membran sel, yang kemudian memicu fosforilasi intraseluler oleh enzim kinase. Proses tersebut dapat mengaktifkan jalur metabolik seperti transduksi sinyal PI3K-AKT, yang mengatur transport glukosa dan sintesis glikogen. Di sisi lain, transcription factor seperti p53 dan NF-B berfungsi dalam pengaturan ekspresi gen, dengan cara mengenali dan berikatan pada promoter DNA secara spesifik. Aktivitas tersebut dipernagauhi oleh modifikasi pasca-translasi seperti fosforilasi, yang menentukan afinitas terhadap DNA dan interaksi dengan protein regulator lain.

Fungsi Imunologis

Protein imun seperti imunoglobulin berperan dalam pengenalan dan netralisasi patogen. Struktur Y dari antibodi memiliki domain variabel yang berinteraksi dengan antigen spesifik. Dalam konteks vaksin dan imunoterapi, rekayasa protein epitop digunakan untuk merangsang respons imun adaptif. Pembentukan kompleks antigen-antibodi berperan dalam aktivasi sistem komplemen dan fagositosis. Lebih jauh nantinya teknik seperti ELISA dan Western blot digunakan untuk mendeteksi interaksi antigen-protein dengan sensitivitas tinggi (Yuswadinata & Wathoni, 2021).

Sumber rujukan

Ferrier, D. R. (2020). Biokimia Edisi Keenam Jilid Satu (pp. 9--27).

Rosana, D. (2019). Struktur dan Fungsi Protein. Universitas Terbuka, 450.

Sari, M. I. (2007). Struktur Protein. Fakultas Kedokteran Unversitas Sumatera Utara.

Sirajuddin, N. T., Wiwin, W., Efendi, M. R. S., Karuwal, R. L., Monica, R. D., Sinay, H., Nursinar, S., Agustian, D. R., Puspita, E. V., & Pattipeilohy, M. (2024). Pengantar Ilmu Biologi. CV. Gita Lentera.

Wahyudiati, D. (2017). Biokimia. Leppim Mataram.

Yuswadinata, N. S., & Wathoni, N. (2021). Tinjauan bentuk sediaan farmasi mengandung peptida. Majalah Farmasetika, 6(1), 121--128.