Miracle Of Protein

Keajaiban Protein: Molekul Biomilenium

Rukman Hertadi, Graduate School of Bioscience and Biotechnology, Tokyo Institute of Technology, Japan.

Setelah human genome project dinyatakan tuntas, maka era teknologi DNA akan beralih ke era baru, yaitu teknologi Protein. Lebih dari 100.000 protein yang berbeda terdapat dalam tubuh manusia sehingga penentuan struktur dan fungsinya akan merupakan pekerjaan raksasa abad ini. Beberapa fasilitas untuk penelitian protein telah dibangun dibeberapa negara maju. Jepang adalah salah satu negara yang telah siap ikut andil dalam pekerjaan raksasa ini. Mereka telah membangun pusat penelitian bioscience, seperti RIKEN, yang memiliki fasilitas lengkap dan mutakhir. NMR terbesar didunia merupakan salah satu instrumen yang terdapat di RIKEN. Dari hasil penelitian ini diharapkan akan diperoleh informasi mengenai struktur dan fungsi protein manusia yang nantinya akan bermanfaat bagi dunia kedokteran, farmasi, biologi dll.

Fungsi Protein

Protein adalah salah satu bio-makromolekul yang penting perananya dalam makhluk hidup. Fungsi dari protein itu sendiri secara garis besar dapat dibagi ke dalam dua kelompok besar, yaitu sebagai bahan struktural dan sebagai mesin yang bekerja pada tingkat molekular. Apabila tulang dan kitin adalah beton, maka protein struktural adalah dinding batu-batanya. Beberapa protein struktural, fibrous protein, berfungsi sebagai pelindung, sebagai contoh a dan b-keratin yang terdapat pada kulit, rambut, dan kuku. Sedangkan protein struktural lain ada juga yang berfungsi sebagai perekat, seperti kolagen.

Protein dapat memerankan fungsi sebagai bahan struktural karena seperti halnya polimer lain, protein memiliki rantai yang panjang dan juga dapat mengalami cross-linking dan lain-lain. Selain itu protein juga dapat berperan sebagai biokatalis untuk reaksi-reaksi kimia dalam sistem makhluk hidup. Makromolekul ini mengendalikan jalur dan waktu metabolisme yang kompleks untuk menjaga kelangsungan hidup suatu organisma. Suatu sistem metabolisme akan terganggu apabila biokatalis yang berperan di dalamnya mengalami kerusakan.

Struktur Protein

Bagaimana suatu protein dapat memerankan berbagai fungsi dalam sistem makhluk hidup? Jawabnya adalah terletak pada strukturnya. Struktur protein terdiri dari empat macam struktur. Struktur pertama adalah struktur primer. Struktur ini terdiri dari asam-asam amino yang dihubungkan satu sama lain secara kovalen melalui ikatan peptida. Informasi yang menentukan urutan asam amino suatu protein tersimpan dalam molekul DNA dalam bentuk kode genetik. Sebelum kode genetik ini diterjemahkan menjadi asam-asam amino yang membangun struktur primer protein, mula-mula kode ini disalin kedalam bentuk kode lain yang berpadanan dengan urutan kode genetik pada DNA, yaitu dalam bentuk molekul RNA. Urutan RNA inilah yang kemudian diterjemahkan menjadi urutan asam amino (Gambar 1).

Gambar 1. Skema Aliran Informasi Genetik dari DNA ke Protein

Struktur yang kedua adalah struktur sekunder. Pada struktur sekunder, protein sudah mengalami interaksi intermolekul, melalui rantai samping asam amino. Ikatan yang membentuk struktur ini, didominasi oleh ikatan hidrogen antar rantai samping yang membentuk pola tertentu bergantung pada orientasi ikatan hidrogennya. Ada dua jenis struktur sekunder, yaitu: a-heliks dan b-sheet (Gambar 2). b-sheet itu sendiri ada yang paralel dan juga ada yang anti-paralel, bergantung pada orientasi kedua rantai polipeptida yang membentuk struktur sekunder tersebut.

a-heliks	b-sheet

Gambar-2. Struktur Sekunder Protein

Struktur-struktur sekunder ini, kemudian dikemas sedemikian rupa sehingga membentuk struktur tiga dimensi yang paling pavorable secara termodinamika. Struktur ruang ini adalah struktur ketiga atau juga dinamakan struktur tersier. Disini interakasi intra molekuler seperti ikatan hidrogen, ikatan ion, van der Waals, hidropobik dll turut menentukan orientasi struktur 3 dimensi dari protein (Gambar 3).

Gambar-3. Struktur Tersier Protein

Banyak molekul protein yang memiliki lebih dari satu struktur tersier, dengan kata lain multi subunit. Intraksi intermolekul antar sub unit protein ini membentuk struktur keempat/kwaterner (Gambar 4). Setiap subunit protein dapat melakukan komunikasi dan saling mempengaruhi satu sama lain melalui interaksi intermolekular ini.

Gambar-4. Struktur Kwaterner Protein.

Pentingnya Mempelajari Struktur dan Fungsi suatu Protein

Jumlah monomer asam amino yang membangun suatu protein adalah 20 asam amino. Bisa dibanyangkan berapa peluang kemungkinan struktur 3 dimensi yang mungkin terbentuk dengan monomer sebanyak ini. Hingga saat ini tidak satu sintetik polimerpun yang memiliki monomer sebanyak protein. Bila saja protein memiliki panjang 100 residu asam amino, bila dalam protein ini ke dua puluh asam amino tersebut dipakai untuk mensintesis protein, maka jumlah struktur 3 dimensi yang mungkin adalah 20¹⁰⁰ struktur. Tentu saja struktur yang paling pavorable secara termodinamika saja yang akan terbentuk. Karena banyaknya kemungkinan struktur ini, maka protein dapat memerankan berbagai macam fungsi. Perubahan pada struktur akan mempengaruhi fungsi dari protein. Beberapa penyakit pada manusia disebabkan oleh perubahan struktur dari protein yang merusak fungsi dari protein tersebut.

Salah satu contoh pentingnya struktur tiga dimensi adalah pada fenomena yang sangat terkenal saat ini, yaitu penyakit sapi gila di Inggris. Penyakit ini belakangan diketahui disebabkan oleh protein yang dikenal dengan nama prion. Pada awalnya, para ilmuan sangat sukar memahami bagaimana mungkin protein bisa menjadi desease agent dan dapat diturunkan. Hasil penelitian menunjukan bahwa protein ini lebih tahan terhadap serangan protease dibanding protein biasa. Protease adalah suatu enzim yang berfungsi untuk mengurai protein. Penelitian lain juga mendapati bahwa saat DNAase dan RNAase dimasukan ke dalam sistem, aktivitas prion tidak menurun, tetapi saat dimasukan protease aktivitasnya menurun. Dari sini para ilmuan lalu menyimpulkan bahwa prion tidak memiliki DNA ataupun RNA. Lalu, bagaimana protein ini bisa diturunkan dan bertambah jumlahnya di dalam tubuh tanpa adanya gen yang mengkodenya. Virus saja untuk berkembang biak harus memasukan DNAnya ke dalam inang, lalu bagaimana dengan prion?

Dari hasil pencarian yang panjang, ternyata ditemukan bahwa gen yang mengkode prion terdapat disetiap organisma hidup yang menjadi inang untuk berkembangnya prion. Gen tersebut dikenal sebagai PrP. Tetapi, saat gen ini diekspresikan dan proteinnya di injeksikan ke dalam tubuh tikus percobaan, tidak dideteksi adanya penyakit. Dari hasil ini, para ahli biokimia memprediksi adanya struktur lain diluar struktur protein PrP normal, yang menyebabkan penyakit.

Hasil studi kristalografi dengan menggunakan sinar X ditemukan adanya dua struktur protein PrP yang berbeda. Pada protein PrP normal (Gambar 5), semua struktur sekundernya adalah alpha-heliks, sedangkan pada PrP yang menyebabkan penyakit, terdapat perubahan struktur pada daerah tertentu dari -heliks menjadi -sheet (Gambar 6). Dari hasil studi ini menyarankan bahwa perubahan -heliks menjadi beta-sheet inilah yang menyebabkan protein ini menjadi desease agent. Protein yang menyebabkan penyakit sapi gila ini kemudian dinamai Scrapie PrP. Hasil penelitian menunjukkan bahwa, sekali scrapie PrP terbentuk ia akan menginduksi perubahan struktur dari protein PrP normal untuk menjadi Scrapie PrP. Lantas, bagaimana mekanisme penyebarannya ke dalam tubuh inang?

Gambar-5. Struktur Normal PrP

Gambar-6. Struktur Scrapie PrP

Belakangan diketahui bahwa scrapie PrP terbentuk dari konversi PrP normal di dalam neuron. Scrapie PrP yang terbentuk terakumulasi di dalam lisosom. Di dalam otak lisosom yang telah dipenuhi oleh Scrapie PrP ini kemudian pecah dan merusak sel. Sel yang telah mati akibat pecahnya lisosom ini akan membentuk lobang-lobang dalam otak, prionnya akan dikeluar dan menyerang sel yang lain. Inilah yang terjadi pada penyakit sapi gila di Inggris dan di Jepang baru baru ini. Sapi-sapi tersebut sebelumnya diberi makanan olahan yang berasal dari daging domba. Sumber prion ini diduga berasal dari daging domba tersebut.

Dari sisi molekular ada suatu pertanyaan besar disini, bagaimana mungkin prion yang ada pada suatu organisma dapat berkomunikasi/menginduksi perubahan protein PrP yang berasal dari oraganisma yang lain. Bagaimana ia bisa melewati species barrier, karena secara umum kita tidak bisa mempertahankan protein yang berasal dari species lain (protein asing) dalam tubuh suatu organisma dengan species yang berbeda, karena akan dihancurkan oleh sistem pertahanan tubuh organisma tersebut. Nampaknya ada bagian tertentu dari molekul PrP yang penting untuk mensiasati perbedaan species ini. Glenn C. Telling menemukan bahwa pada daerah tengah dari molekul PrP terdapat kemiripan dengan PrP dari species lain, kemungkinan daerah inilah yang dipakai untuk memecahkan batas spesies, sehingga sapi dapat terinfeksi prion yang berasal dari domba.

Dari fenomena di atas nampak bahwa struktur protein sangat penting dalam menentukan fungsinya. Perubahan struktur dapat menyebabkan protein memiliki fungsi yang lain, seperti halnya prion. Hasil penelitian mutakhir menyebutkan bahwa prion ternyata dapat memiliki berberapa konformasi selain scrapie PrP tergantung organismanya. Scrapie untuk domba, TME (transmissible mink encephalopathy) untuk mink, CWD (chronic wasting disease) untuk muledeer dan elk, BSE (bovine spongiform encephalopathy) untuk sapi. Setiap konformasi memiliki efek penyakit yang lain. Inilah salah satu keajaiban dari peran protein yang hampir tidak mungkin dilakukan oleh molekul lain.

Dari uraian singkat di atas dapat kita lihat bahwa struktur dan fungsi suatu protein sangat penting untuk diteliti secara mendalam sehingga tidak heran bila para biokimiawan saat ini mengatakan abad 21 adalah abadnya protein seiring dengan berakhirnya human genom project.