Biologi Universitas — Tahun 1 · Bachelor Year 1

12Asam Amino dan Protein

Rebuslah sebutir telur dan putihnya yang bening berubah buram dan kukuh; tak ada yang ditambahkan maupun disingkirkan, tetapi tiap molekul protein di dalamnya telah membuka lipatannya dan berbelit dengan tetangganya. Dinginkan telur itu dan ia tetap matang. Namun sebuah enzim kecil yang dibuka lipatannya dengan lembut dalam sebuah tabung uji, lalu dibiarkan dalam larutan penyangga biasa, melipat kembali dalam beberapa menit menjadi bentuk kerjanya yang persis, tanpa bantuan apa pun: bentuknya tertulis dalam rantainya. Protein adalah molekul yang bekerja di dalam sel — enzim, pompa, motor, perancah, antibodi, hormonnya — dan tiap satunya adalah rantai asam amino yang terlipat menjadi bentuk yang ditentukan urutannya. Bab ini memerikan kedua puluh asam amino, ikatan yang menyambungnya, keempat tingkat struktur protein, pelipatan yang mengubah sebuah rantai menjadi mesin, perilaku bekerja sama protein bersubunit banyak, serta metode pemisahan dan pengamatan protein.

12.1 Asam amino

Definisi 12.1 (Asam amino)

Sebuah asam amino memiliki sebuah karbon $\alpha$ di pusat yang membawa sebuah gugus amino ( $-\mathrm{NH_2}$ ), sebuah gugus karboksil ( $-\mathrm{COOH}$ ), sebuah hidrogen dan sebuah rantai samping $R$ yang membedakan kedua puluh asam amino baku protein. Pada pH sel gugus aminonya terprotonasi dan karboksilnya terion: molekulnya adalah sebuah zwitterion, $\mathrm{^+H_3N{-}CHR{-}COO^-}$ , tanpa muatan bersih. Karbon $\alpha$ bersifat kiral pada semuanya kecuali glisina, dan makhluk hidup hanya memakai enantiomer L. Rantai sampingnya berkelompok menurut kimianya:

golongan	asam amino (kode tiga dan satu huruf)	rantai samping
nonpolar, alifatik	Gly G, Ala A, Val V, Leu L, Ile I, Met M, Pro P	hidrokarbon; Pro cincin
aromatik	Phe F, Tyr Y, Trp W	cincin; Tyr, Trp menyerap UV
polar tak bermuatan	Ser S, Thr T, Cys C, Asn N, Gln Q	$-$ OH, $-$ SH, amida
bermuatan positif	Lys K, Arg R, His H	basa; His p $K_a$ 6.0
bermuatan negatif	Asp D, Glu E	karboksilat, p $K_a$ 4

Sembilan di antaranya (His, Ile, Leu, Lys, Met, Phe, Thr, Trp, Val) bersifat esensial bagi manusia: kita tak sanggup membuatnya dan harus memakannya.

Proposisi 12.2 (Pengionan)

Tiap gugus sebuah asam amino yang dapat terion memiliki p $K_a$ -nya sendiri: sekitar 2 bagi karboksil $\alpha$ , 9.5 bagi amino $\alpha$ , dan bagi rantai sampingnya 3.9 (Asp), 4.1 (Glu), 6.0 (His), 8.3 (Cys), 10.1 (Tyr), 10.5 (Lys), 12.5 (Arg). Yang disebut titik isolistrik p $I$ adalah pH ketika muatan bersihnya nol — rata-rata kedua p $K_a$ yang mengapit bentuk netralnya; p $I$ sebuah protein ditetapkan kandungan rantai samping bermuatannya, dan pada pH itu ia paling sukar larut dan tidak bergerak dalam sebuah medan listrik. Histidina, yang p $K_a$ -nya dekat 7, adalah residu yang berubah muatan dalam rentang fisiologisnya, dan ia duduk pada sisi aktif banyak enzim.

Titrasi glisina. Dua dataran penyangga, pada pK_a karboksil dan gugus aminonya; di antara keduanya, pada titik isolistriknya, zwitterionnya tidak membawa muatan bersih. — Titrasi glisina. Dua dataran penyangga, pada p $K_a$ karboksil dan gugus aminonya; di antara keduanya, pada titik isolistriknya, zwitterionnya tidak membawa muatan bersih.

12.2 Ikatan peptida

Definisi 12.3 (Ikatan peptida, polipeptida)

Yang disebut ikatan peptida menyambungkan karboksil sebuah asam amino pada gugus amino asam amino berikutnya lewat kondensasi (sebuah ikatan amida, $\mathrm{-CO{-}NH-}$ ). Rantai asam amino yang tersambung demikian adalah sebuah polipeptida: sebuah tulang punggung berupa satuan $\mathrm{N{-}C_\alpha{-}C}$ yang berulang, yang rantai sampingnya menjulur, dengan sebuah ujung N (gugus amino bebas) dan sebuah ujung C (karboksil bebas). Urutannya ditulis dari N ke C, yaitu urutan sintesisnya (Bab 19). Sebuah protein adalah satu polipeptida atau lebih yang terlipat menjadi bentuk yang tertentu; rantai yang lazim berisi $100\text{ to }1000\,$ residu bermassa rata-rata $110\,\mathrm{Da}$ , sehingga sebuah protein berisi $300\,$ residu adalah $33\,\mathrm{kDa}$ .

Proposisi 12.4 (Geometri ikatan peptida)

Ikatan C–N sebuah peptida bersifat sebagian rangkap (resonansi amidanya): ia pendek, tak dapat berputar, dan memegang keenam atom $\mathrm{C_\alpha{-}C(=O){-}N(H){-}C_\alpha}$ dalam satu bidang, hampir selalu dengan kedua karbon $\alpha$ -nya trans. Karena itu tulang punggungnya adalah rantai bidang kaku yang berengsel pada karbon $\alpha$ -nya, tiap engselnya memiliki dua putaran, $\phi$ (terhadap N– $\mathrm{C_\alpha}$ ) dan $\psi$ (terhadap $\mathrm{C_\alpha}$ –C), dan benturan ruang antara rantai samping dan tulang punggungnya melarang sebagian besar gabungan $\phi$ dan $\psi$ . Konformasi sebuah protein pada dasarnya adalah daftar sudut $\phi$ dan $\psi$ -nya.

Dua ikatan peptida. Tiap bidang yang diarsir memegang enam atom secara kaku; rantainya hanya membengkok pada karbon -nya, lewat sudut dan . — Dua ikatan peptida. Tiap bidang yang diarsir memegang enam atom secara kaku; rantainya hanya membengkok pada karbon $\alpha$ -nya, lewat sudut $\phi$ dan $\psi$ .

12.3 Struktur sekunder

Definisi 12.5 (Struktur sekunder)

Yang disebut struktur sekunder sebuah protein adalah pelipatan tulang punggungnya yang setempat dan teratur, yang dipegang ikatan hidrogen antara gugus C=O dan N–H tulang punggungnya. Dua pola mendominasi. Heliks $\alpha$ : sebuah gulungan tangan kanan berisi 3.6 residu tiap putaran, yang naik $0.15\,\mathrm{nm}$ tiap residu ( $0.54\,\mathrm{nm}$ tiap putaran), tiap C=O-nya berikatan pada N–H empat residu di depannya, dengan rantai sampingnya menunjuk ke luar. Lembar $\beta$ : rantai yang terentang hampir penuh ( $0.35\,\mathrm{nm}$ tiap residu) lalu diletakkan berdampingan, sejajar atau antiparalel, berikatan antara untai yang bertetangga, dengan rantai sampingnya berselang-seling di atas dan di bawah lembarnya. Di antara keduanya, belokan dan gelung membalikkan arah rantainya. Prolina, yang cincinnya mengunci $\phi$ , memutus heliks; glisina, yang tak berantai samping, memungkinkan belokan yang tak sanggup dibuat residu mana pun yang lain.

Plot Ramachandran: gabungan dan yang dapat dipakai sebuah residu. Dua kawasan izin yang besar bersesuaian dengan lembar dan heliks tangan kanan; sebagian besar bidangnya terlarang oleh tabrakan antaratom. — Plot Ramachandran: gabungan $\phi$ dan $\psi$ yang dapat dipakai sebuah residu. Dua kawasan izin yang besar bersesuaian dengan lembar $\beta$ dan heliks $\alpha$ tangan kanan; sebagian besar bidangnya terlarang oleh tabrakan antaratom.

Linus Pauling (1901–1994), yang menyimpulkan heliks dan lembar pada 1951 dari kesebidangan ikatan peptida dan geometri ikatan hidrogen, sebelum keduanya pernah terlihat dalam sebuah protein. Foto: Yayasan Nobel, 1962, domain publik. — Linus Pauling (1901–1994), yang menyimpulkan heliks $\alpha$ dan lembar $\beta$ pada 1951 dari kesebidangan ikatan peptida dan geometri ikatan hidrogen, sebelum keduanya pernah terlihat dalam sebuah protein. Foto: Yayasan Nobel, 1962, domain publik.

Contoh 12.6 (Heliks dan lembar menurut angkanya)

Sebuah heliks $\alpha$ yang menembus membran harus melintasi $3\,\mathrm{nm}$ teras hidrofob: $3/0.15 = 20$ residu, dan memang ruas lintas membran Bab 7 adalah rentetan sekitar dua puluh residu hidrofob. Sebuah untai $\beta$ sepanjang itu menjangkau $7\,\mathrm{nm}$ : fibroin sutra adalah lembar antiparalel bertumpuk dari glisina dan alanina, dan sehelai benang sutra lebih kuat daripada baja seberat itu karena tulang punggung kovalennya terbaring sepanjang seratnya.

12.4 Struktur tersier dan kuaterner

Definisi 12.7 (Struktur tersier dan kuaterner)

Yang disebut struktur tersier adalah susunan tiga dimensi lengkap satu polipeptida: heliks, lembar dan gelungnya yang berkemas bersama, sering dalam beberapa ranah padat yang melipat sendiri-sendiri. Ia dipegang gaya nonkovalen — efek hidrofob yang menyembunyikan rantai samping nonpolar dalam sebuah teras jauh dari air, ikatan hidrogen, jembatan garam antara rantai samping bermuatan, kemasan van der Waals — dan kadang oleh jembatan disulfida, yaitu ikatan kovalen S–S antara dua sisteina, pada protein yang disekresikan ke dunia luar yang mengoksidasi. Yang disebut struktur kuaterner adalah rakitan beberapa polipeptida (subunit) menjadi satu protein: hemoglobin adalah dua rantai $\alpha$ dan dua rantai $\beta$ . Protein globular bersifat padat dan larut dalam air (enzim, pembawa); protein fibrosa bersifat terentang dan tak larut (heliks rangkap tiga kolagen, gulungan berpilin keratin dan miosin, sutra).

Hemoglobin: empat subunit, dua (biru) dan dua (merah), masing-masing sebuah berkas heliks yang mengelilingi sebuah gugus hem (gelap) yang besinya mengikat satu O_2. Keempat sisinya tidak bekerja sendiri-sendiri. — Hemoglobin: empat subunit, dua $\alpha$ (biru) dan dua $\beta$ (merah), masing-masing sebuah berkas heliks $\alpha$ yang mengelilingi sebuah gugus hem (gelap) yang besinya mengikat satu $\mathrm{O_2}$ . Keempat sisinya tidak bekerja sendiri-sendiri.

Teorema 12.8 (Urutannya menentukan lipatannya)

Struktur tiga dimensi sebuah protein ditentukan urutan asam aminonya: lipatan aslinya adalah konformasi berenergi bebas terendah yang dapat dicapai rantainya dalam lingkungan selnya, dan informasi yang dibutuhkan untuk mencapainya termuat dalam rantainya sendiri.

Bukti eksperimental. Anfinsen (1961) membuka lipatan ribonuklease A, sebuah enzim berisi $124\,$ residu dengan empat jembatan disulfida, dalam urea pekat bersama sebuah zat pereduksi yang memutus jembatannya: rantainya kehilangan seluruh keaktifannya. Dengan menyingkirkan ureanya lalu membiarkan sisteinanya teroksidasi kembali perlahan di udara, ia memperoleh kembali enzim yang sepenuhnya aktif, dengan keempat jembatannya terbentuk kembali antara delapan sisteina yang sama dari $105\,$ pemasangan yang mungkin — rantainya telah menemukan lipatannya sendiri. Bila dioksidasi kembali sementara masih dalam ureanya, ia membentuk jembatan acak dan tetap tidak aktif; sedikit zat pereduksi lalu membuatnya mengocok ulang jembatannya sampai perangkat asli, yang paling mantap, tercapai. Sejak itu ribuan urutan telah dilipat dari awal dalam tabung uji, dan lipatan sebuah urutan baru kini dapat dihitung darinya. ∎

Proposisi 12.9 (Denaturasi)

Kalor, pH yang ekstrem, urea, deterjen atau pelarut organik membuka lipatan protein dengan mengalahkan ikatan lemah yang memegang lipatannya: rantainya kehilangan bentuk dan fungsinya, memaparkan teras hidrofobnya, lalu menggumpal dengan tetangganya. Protein kecil melipat kembali ketika denaturannya disingkirkan; yang besar, dan protein di dalam sel yang berjejal, sering tidak sanggup, dan sel memelihara pendamping — protein yang mengikat rantai yang belum terlipat, melindungi permukaan hidrofobnya, dan memberinya kesempatan berulang untuk melipat dengan benar — serta memusnahkan apa yang tetap salah lipat. Demam beberapa derajat, dan $42\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ketika protein otak mulai membuka lipatannya, menandai batas kemantapannya yang sempit: sebuah lipatan yang lazim hanya $20\text{ to }60\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ lebih mantap daripada rantai yang terbuka, senilai beberapa ikatan hidrogen.

Putih telur mentah dan matang: protein yang sama, terlipat dan larut di sebelah kiri, terbuka lipatannya dan menggumpal menjadi padatan buram di sebelah kanan. Tak ada yang ditambahkan selain kalor.

Contoh 12.10 (Kolagen)

Seperempat protein sebuah mamalia adalah kolagen: tiga rantai, yang masing-masing sebuah heliks tangan kiri berisi seribu residu dengan glisina pada tiap kedudukan ketiga (Gly–X–Y, Y sering hidroksiprolina), yang terpilin bersama menjadi heliks rangkap tiga tangan kanan sepanjang $300\,\mathrm{nm}$ , lalu berkemas berdampingan menjadi fibril yang bersilang ikat lewat ikatan kovalen. Ketiadaan rantai samping pada glisinalah yang membuat ketiga rantainya dapat berkemas pada sumbunya; satu penggantian glisina oleh residu mana pun menekuk heliksnya dan memberikan tulang yang rapuh. Vitamin C dibutuhkan untuk menghidroksilasi prolinanya; tanpanya heliksnya tidak mantap dan fibrilnya gagal: penyakit sariawan.

12.5 Alosteri: hemoglobin

Definisi 12.11 (Alosteri, kerja sama)

Sebuah protein bersifat alosterik bila pengikatan sebuah ligan pada satu sisi mengubah konformasi protein itu dan dengan demikian afinitasnya pada sisi yang lain. Ketika sisinya serupa dan perubahannya menaikkan afinitas sisi yang lain, pengikatannya bersifat bekerja sama: kurva kejenuhannya sigmoid alih-alih hiperbolik, dan proteinnya beralih dari nyaris kosong menjadi nyaris penuh sepanjang rentang kepekatan ligan yang sempit. Persamaan Hill memerikannya:

Y = \frac{P^n}{P_{50}^n + P^n},

dengan $Y$ adalah fraksi sisi yang terisi, $P$ kepekatan ligannya (atau tekanan parsialnya), $P_{50}$ nilai pada setengah kejenuhannya, dan $n$ koefisien Hill — 1 bagi sisi yang bebas, sampai sebanyak sisinya bagi kerja sama yang sempurna.

Proposisi 12.12 (Hemoglobin dan mioglobin)

Mioglobin, satu rantai dengan satu hem, mengikat $\mathrm{O_2}$ dengan sebuah hiperbola ( $n = 1$ , $P_{50} = 0.37\,\mathrm{kPa}$ ): ia jenuh pada tekanan berapa pun yang ditawarkan jaringannya dan berperan sebagai simpanan dalam otot. Hemoglobin, empat subunit, mengikat secara bekerja sama ( $n \approx 2.8$ , $P_{50} = 3.5\,\mathrm{kPa}$ ): $\mathrm{O_2}$ pertama yang terikat menggeser tetramernya dari keadaan T yang beraffinitas rendah ke arah keadaan R yang beraffinitas tinggi, sehingga ia memuat nyaris penuh pada $13\,\mathrm{kPa}$ paru dan membongkar sebagian besar muatannya pada $5\,\mathrm{kPa}$ jaringan. Afinitasnya diturunkan lebih jauh, dan pembongkarannya dipermudah, oleh asam dan $\mathrm{CO_2}$ (efek Bohr) serta oleh 2,3-bisfosfogliserat (BPG), yang mengikat keadaan T: dalam otot yang bekerja, atau di ketinggian, lebih banyak oksigen dilepas pada tekanan yang sama. Janin membuat hemoglobin yang mengikat BPG dengan lemah, sehingga darahnya menarik oksigen dari darah ibunya menyeberangi plasenta.

Pengikatan oksigen oleh mioglobin (hiperbolik) dan hemoglobin (sigmoid). Antara paru dan jaringannya mioglobin hampir tidak melepas apa-apa; hemoglobin melepas seperlima muatannya, dan lebih banyak lagi ketika jaringannya asam.

Metode 12.13 (Memakai persamaan Hill)

Bacalah $P_{50}$ dari kurvanya pada $Y = 0.5$ ; taksirlah $n$ dari kemiringan $\log[Y/(1-Y)]$ terhadap $\log P$ (plot Hill), yang berupa garis lurus berkemiringan $n$ dekat $P_{50}$ .
Hitunglah $Y$ pada tekanan pemuatannya (paru) dan pada tekanan pembongkarannya (jaringan); selisihnya adalah fraksi daya angkut yang diantarkan.
Kalikan dengan daya angkutnya: darah memegang $150\,\mathrm{g}/\mathrm{L}$ hemoglobin, yang tiap gramnya mengikat $1.34\,\mathrm{mL}$ $\mathrm{O_2}$ , yakni $200\,\mathrm{mL}$ $\mathrm{O_2}$ tiap liter ketika jenuh.
Untuk memasukkan efek Bohr atau BPG, pakailah $P_{50}$ yang tergeser hanya pada jaringannya, tempat asamnya berada.

12.6 Melihat dan memisahkan protein

Metode 12.14 (Memisahkan protein)

Elektroforesis dalam SDS: deterjennya menyaluti tiap rantai dengan muatan negatif sebanding dengan panjangnya, sehingga rantainya bermigrasi menembus sebuah gel poliakrilamida menurut ukurannya saja; sebuah tangga massa yang diketahui mengalibrasi gelnya, dan letak sebuah pita yang terwarnai memberikan massanya sampai beberapa persen.
Kromatografi: menembus sebuah kolom butiran yang menghambat protein menurut ukurannya (penyaringan gel: yang besar keluar lebih dahulu), menurut muatannya (penukar ion), atau menurut pengikatan khasnya (afinitas: sebuah ligan yang ditambatkan memegang satu protein dan meloloskan selebihnya). Sebuah pemurnian diikuti lewat naiknya aktivitas jenisnya (Bab 5).
Pengurutan: urutan gennya, yang ditranslasikan; atau proteinnya sendiri, yang dipotong menjadi peptida lalu dibaca dengan spektrometri massa.
Struktur: difraksi sinar-X sebuah hablur, atau mikroskopi elektron partikel tunggal yang dibekukan, memberikan letak tiap atomnya; gambar pita pada bab ini adalah ringkasannya.

Sebuah gel SDS–poliakrilamida yang terwarnai. Tiap lajur adalah satu cuplikan; tiap pita sebuah protein berukuran satu; lajur kiri adalah tangga penanda bermassa yang diketahui. Protein kecil berjalan lebih jauh.

Contoh 12.15 (Membaca sebuah gel)

Sebuah ekstrak kasar memperlihatkan berpuluh pita; sesudah kromatografi afinitas tersisa satu pita pada letak penanda $33\,\mathrm{kDa}$ . Bila dijalankan tanpa SDS dan tanpa zat pereduksi, protein yang sama bermigrasi sebagai spesies $66\,\mathrm{kDa}$ : ia sebuah dimer dari dua rantai serupa yang dipegang sebuah jembatan disulfida, yang diputus zat pereduksinya dan dipisahkan deterjennya. Dua gel, satu jalur penalaran, dan struktur kuaternernya pun diketahui.

12.7 Latihan

Latihan 12.1 ★

Gambar atau perikan struktur umum sebuah asam amino pada pH 7, lalu golongkan Leu, Ser, Lys, Glu dan Phe menurut rantai sampingnya.

Solusi

Solusi Latihan 12.1.

$\mathrm{^+H_3N{-}CH(R){-}COO^-}$ : sebuah zwitterion. Leu nonpolar alifatik; Ser polar tak bermuatan; Lys bermuatan positif; Glu bermuatan negatif; Phe aromatik.

Latihan 12.2 ★

Definisikan keempat tingkat struktur protein dan ikatan yang memegang masing-masing.

Solusi

Solusi Latihan 12.2.

Primer: urutannya, ikatan peptida. Sekunder: pelipatan tulang punggung setempat (heliks, lembar), ikatan hidrogen tulang punggung. Tersier: lipatan seluruh rantainya; efek hidrofob, ikatan hidrogen, jembatan garam, sentuhan van der Waals, jembatan disulfida. Kuaterner: rakitan subunitnya, oleh gaya nonkovalen yang sama.

Latihan 12.3 ★

Sebuah protein berisi $450\,$ residu. Taksirlah massanya. Bila ia sebuah heliks $\alpha$ tunggal, berapa panjangnya? Sebuah untai $\beta$ tunggal?

Solusi

Solusi Latihan 12.3.

$450\times 110 = 50\,\mathrm{kDa}$ . Heliks: $450\times 0.15 = 68\,\mathrm{nm}$ . Untai: $450\times 0.35 = 158\,\mathrm{nm}$ .

Latihan 12.4 ★

Dari gambar pengikatan oksigennya, bacalah kejenuhan hemoglobin pada $13.3\,\mathrm{kPa}$ dan pada $5.3\,\mathrm{kPa}$ , serta fraksi yang diantarkan.

Solusi

Solusi Latihan 12.4.

Sekitar $0.98$ dan $0.76$ : seperlima muatannya ( $22\,\%$ ) yang diantarkan.

Latihan 12.5 ★★

Hitunglah muatan bersih peptida Lys–Gly–Asp–Ala pada pH 7, pada pH 2 dan pada pH 12, dengan memakai nilai p $K_a$ pada bab ini, lalu taksirlah titik isolistriknya.

Solusi

Solusi Latihan 12.5.

Gugusnya: amino ujung N (9.5), rantai samping Lys (10.5), rantai samping Asp (3.9), karboksil ujung C (2). pH 7: $+1 + 1 - 1 - 1 = 0$ . pH 2: $+1 + 1 + 0 - 0.5 = +1.5$ (karboksil ujungnya setengah terion). pH 12: $0 + 0 - 1 - 1 = -2$ (Lys sebagian besar terlepas protonnya). Bersih nol antara p $K_a$ Asp (3.9) dan gugus aminonya (9.5), tempat muatannya $0$ sepanjang itu: p $I \approx 6.7$ (rata-rata 3.9 dan 9.5).

Latihan 12.6 ★★

Jelaskan mengapa prolina jarang ditemukan di dalam heliks $\alpha$ dan mengapa glisina ditemukan pada belokan yang rapat, dari geometri tulang punggungnya.

Solusi

Solusi Latihan 12.6.

Rantai samping prolina terikat balik pada nitrogennya sendiri: nitrogennya tidak membawa hidrogen untuk menyumbangkan ikatan hidrogen heliksnya, dan $\phi$ -nya terkunci pada sekitar $-60^\circ$ , yang hanya ditoleransi pada putaran pertama sebuah heliks. Glisina, yang rantai sampingnya sebuah hidrogen, tidak mengalami benturan ruang dan dapat memakai nilai $\phi$ , $\psi$ yang terlarang bagi tiap residu yang lain, termasuk nilai belokan yang rapat.

Latihan 12.7 ★★

Dalam percobaan Anfinsen, berapa fraksi oksidasi ulang secara acak yang akan memberikan perangkat asli berisi empat disulfida? (Hitunglah cara memasangkan delapan sisteina.) Apa yang dibuktikan pemulihan keaktifan penuh yang sesungguhnya?

Solusi

Solusi Latihan 12.7.

Pemasangan delapan sisteina: $7\times 5\times 3\times 1 = 105$ ; oksidasi ulang secara acak memberikan perangkat aslinya sekitar $1\,\%$ kali. Pemulihan keaktifan yang nyaris penuh memperlihatkan bahwa rantainya, bukan kebetulan, yang memilih pemasangannya: urutannya menyandi lipatannya dan disulfidanya sekadar menguncinya.

Latihan 12.8 ★★

Dengan persamaan Hill serta $n = 2.8$ dan $P_{50} = 3.5\,\mathrm{kPa}$ , hitunglah $Y$ pada $2\,\mathrm{kPa}$ , $3.5\,\mathrm{kPa}$ dan $8\,\mathrm{kPa}$ . Ulangi dengan $n = 1$ . Protein mana yang mengantarkan lebih banyak antara $8\,$ dan $2\,\mathrm{kPa}$ ?

Solusi

Solusi Latihan 12.8.

$P_{50}^{2.8} = 33.4$ . Pada 2: $2^{2.8} = 6.96$ , $Y = 0.17$ ; pada 3.5: $0.50$ ; pada 8: $8^{2.8} = 337$ , $Y = 0.91$ . Dengan $n = 1$ : $Y = P/(3.5 + P)$ : $0.36$ , $0.50$ , $0.70$ . Pengantaran antara 8 dan 2: bekerja sama $0.74$ , tanpa kerja sama $0.34$ : protein yang bekerja sama mengantarkan dua kali lebih banyak.

Latihan 12.9 ★★

Sebuah protein berjalan sebagai satu pita $50\,\mathrm{kDa}$ pada sebuah gel SDS dan keluar dari sebuah kolom penyaringan gel pada $200\,\mathrm{kDa}$ . Berikan struktur kuaternernya lalu sebutkan bagaimana Anda akan memeriksa jembatan disulfida antara subunitnya.

Solusi

Solusi Latihan 12.9.

Sebuah tetramer dari empat subunit $50\,\mathrm{kDa}$ yang serupa. Jalankan gel SDS-nya tanpa zat pereduksi: bila pita muncul pada 100, 150 atau $200\,\mathrm{kDa}$ , jembatan disulfida menautkan subunitnya; bila hanya pita $50\,\mathrm{kDa}$ yang tersisa, subunitnya dipegang secara nonkovalen.

Latihan 12.10 ★★★

Hemoglobin sel sabit membawa valina alih-alih glutamat pada kedudukan 6 rantai $\beta$ -nya, di permukaannya. Jelaskan, dari kimia kedua rantai sampingnya, mengapa protein mutannya berpolimerisasi ketika kehilangan oksigen, dan mengapa penyakitnya tampak pada jaringannya alih-alih pada parunya.

Solusi

Solusi Latihan 12.10.

Glutamat bermuatan dan terhidrasi di permukaannya; valina bersifat hidrofob dan menciptakan sebuah tambalan lengket yang dikucilkan air. Dalam keadaan T yang kehilangan oksigen sebuah kantong hidrofob yang melengkapinya terpapar pada molekul tetangganya, sehingga molekulnya melekat ujung ke ujung menjadi serat yang mengubah bentuk sel merahnya. Di paru keadaan R menyembunyikan kantong itu dan seratnya larut; di jaringan, tempat hemoglobinnya kehilangan oksigen, seratnya terbentuk — sehingga selnya menyabit lalu menyumbat pembuluh kecil di sana.

Latihan 12.11 ★★★

Sebuah lipatan hanya mantap sebesar $40\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ . Hitunglah fraksi molekul yang terbuka lipatannya pada kesetimbangan pada $37\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ( $K = e^{-\Delta G/RT}$ ), dan pada $45\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ bila $\Delta G$ -nya telah turun ke $10\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ . Mengapa kemantapan yang setipis itu berguna bagi sebuah sel?

Solusi

Solusi Latihan 12.11.

Pada $37\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , $RT = 2.58\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ : $K = e^{-40/2.58} = e^{-15.5} = 1.8 \times 10^{-7}$ : satu molekul dari lima juta yang terbuka lipatannya. Pada $45\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ dengan $10\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ , $RT = 2.64$ : $K = e^{-3.8} = 0.022$ : $2\,\%$ terbuka, dan naik tajam. Kemantapan yang setipis itu membuat protein dapat berubah bentuk ketika bekerja (alosteri, katalisis), dibuka lipatannya untuk diangkut melintasi membran, serta diuraikan dan diganti dengan cepat ketika rusak atau tak dibutuhkan lagi.

Latihan 12.12 ★★★

“Sebuah protein adalah sebuah urutan yang melipat menjadi sebuah bentuk, dan bentuknya adalah fungsinya.” Bahaslah dalam satu paragraf dengan Anfinsen, pendamping protein, sel sabit dan alosteri: di mana kalimat itu berlaku dan di mana selnya harus turun tangan.

Solusi

Solusi Latihan 12.12.

Anfinsen memperlihatkan bahwa urutannya sudah cukup untuk menentukan lipatannya, dan alosteri memperlihatkan bahwa bentuknya — beserta perubahannya — adalah fungsinya. Tetapi sel turun tangan pada tiap langkahnya: pendamping protein menyelamatkan rantai yang akan menggumpal sebelum melipat, sebab sitosol yang berjejal bukanlah tabung uji yang encer; satu penggantian tunggal (sel sabit) memberikan protein yang terlipat dengan benar tetapi permukaannya keliru, sehingga “bentuk” harus mencakup kimia permukaannya, bukan tulang punggungnya saja; dan banyak protein memerlukan perubahan, pasangan atau ligan yang ditambahkan sesudah pelipatannya sebelum ia bekerja. Kalimat itu menyatakan asasnya; selnya menyediakan keadaannya.

12.8 Soal: Hemoglobin Sedang Bekerja

Soal 12.1

Soal akhir pekan — oksigen yang diangkut dari paru ke otot, saat beristirahat, dalam sebuah lari cepat, di sebuah gunung dan sebelum kelahiran, berakhir pada oksigen yang diantarkan tiap liter darah

Darah memegang $150\,\mathrm{g}/\mathrm{L}$ hemoglobin; $1\,\mathrm{g}$ mengikat $1.34\,\mathrm{mL}$ $\mathrm{O_2}$ . Hemoglobin menaati persamaan Hill dengan $n = 2.8$ dan $P_{50} = 3.5\,\mathrm{kPa}$ pada pH 7.4; mioglobin memiliki $n = 1$ dan $P_{50} = 0.37\,\mathrm{kPa}$ . Tekanan parsial $\mathrm{O_2}$ : $13.3\,\mathrm{kPa}$ di paru pada muka laut, $5.3\,\mathrm{kPa}$ di jaringan yang beristirahat. Ambil $2.8\ln 3.5 = 3.51$ , $2.8\ln 5.3 = 4.67$ , $2.8\ln 13.3 = 7.25$ , $2.8\ln 2.7 = 2.78$ , $2.8\ln 4.5 = 4.21$ , $2.8\ln 7 = 5.45$ , $2.8\ln 4 = 3.88$ , $2.8\ln 2.6 = 2.68$ .

Bagian I — Saat beristirahat.

Hitunglah daya angkut oksigen satu liter darah.
Hitunglah $P^{2.8}$ bagi $P = 3.5$ , $5.3$ dan $13.3$ kPa (sebagai $e^{2.8\ln P}$ ).
Hitunglah kejenuhan $Y$ hemoglobin di paru dan di jaringannya.
Hitunglah fraksi muatan yang diantarkan dan oksigen yang diantarkan tiap liter darah, dalam mililiter.
Seorang manusia yang beristirahat memakai $250\,\mathrm{mL}$ $\mathrm{O_2}$ tiap menit. Curah jantung berapa yang dituntut pengantaran ini?
Hitunglah kejenuhan mioglobin pada kedua tekanan yang sama dan oksigen yang akan diantarkannya tiap liter seandainya ia menggantikan hemoglobin. Simpulkan.
Jelaskan dalam satu kalimat apa yang dibeli kerja sama itu.

Bagian II — Sebuah lari cepat. Dalam otot yang berlari cepat pH-nya turun ke 7.2 dan tekanan $\mathrm{O_2}$ setempatnya ke $2.7\,\mathrm{kPa}$ ; efek Bohr menaikkan $P_{50}$ di sana ke $4.5\,\mathrm{kPa}$ .

Hitunglah $Y$ pada $2.7\,\mathrm{kPa}$ dengan $P_{50} = 3.5\,\mathrm{kPa}$ (tanpa efek Bohr).
Hitunglah $Y$ pada $2.7\,\mathrm{kPa}$ dengan $P_{50} = 4.5\,\mathrm{kPa}$ .
Hitunglah oksigen yang diantarkan tiap liter pada kedua hal itu (pemuatan di paru tak berubah) dan keuntungan dari efek Bohrnya.
Mioglobin otot itu berada pada $P = 2.7\,\mathrm{kPa}$ . Berapa kejenuhannya, dan apa yang terjadi padanya bila tekanannya turun ke $0.5\,\mathrm{kPa}$ selama sebuah kerutan?
Jelaskan mengapa efek Bohr adalah sebuah bentuk alosteri dan di mana protonnya bekerja.

Bagian III — Sebuah gunung. Pada $4000\,\mathrm{m}$ tekanan $\mathrm{O_2}$ paru adalah $7\,\mathrm{kPa}$ . Dalam beberapa hari sel merahnya menaikkan BPG-nya, sehingga menggeser $P_{50}$ ke $4.0\,\mathrm{kPa}$ ; dalam beberapa minggu sumsumnya menaikkan hemoglobinnya ke $180\,\mathrm{g}/\mathrm{L}$ .

Hitunglah kejenuhannya di paru pada $7\,\mathrm{kPa}$ dengan $P_{50} = 3.5\,\mathrm{kPa}$ , dan pengantarannya tiap liter (jaringannya pada $5.3\,\mathrm{kPa}$ ). Bandingkan dengan muka laut.
Hitunglah kejenuhan paru dan jaringannya dengan $P_{50} = 4.0\,\mathrm{kPa}$ , dan pengantarannya.
Jelaskan mengapa menurunkan afinitasnya membantu meskipun hal itu menurunkan pemuatan di parunya.
Hitunglah pengantarannya tiap liter dengan $P_{50} = 4.0\,\mathrm{kPa}$ dan $180\,\mathrm{g}/\mathrm{L}$ hemoglobin.
Apakah afinitas yang lebih rendah lagi ( $P_{50} = 6\,\mathrm{kPa}$ ) akan membantu pada $7\,\mathrm{kPa}$ ? Hitunglah kedua kejenuhannya lalu putuskan.

Bagian IV — Sebelum kelahiran. Hemoglobin janin memiliki $P_{50} = 2.6\,\mathrm{kPa}$ ; di dalam plasenta tekanan $\mathrm{O_2}$ adalah $4\,\mathrm{kPa}$ pada kedua sisinya.

Hitunglah kejenuhan hemoglobin ibunya pada $4\,\mathrm{kPa}$ .
Hitunglah kejenuhan hemoglobin janinnya pada $4\,\mathrm{kPa}$ .
Jelaskan bagaimana oksigen berpindah dari ibu ke janin meskipun tekanannya sama pada kedua sisinya.
Hemoglobin janin memiliki rantai $\gamma$ alih-alih $\beta$ , yang mengikat BPG dengan lemah. Jelaskan bagaimana hal ini menghasilkan $P_{50}$ yang lebih rendah.
Pada kelahiran darah janinnya harus membongkar muatannya di jaringan pada $5.3\,\mathrm{kPa}$ . Hitunglah pengantaran janinnya tiap liter dari paru pada $13.3\,\mathrm{kPa}$ , lalu sebutkan mengapa peralihan ke hemoglobin dewasa sepanjang bulan-bulan pertama berguna.
Sebuah mutasi menaikkan $P_{50}$ dewasanya ke $5\,\mathrm{kPa}$ . Ramalkan kejenuhan arteri orang itu pada muka laut, dan akibatnya bagi pengantarannya.
Jelaskan mengapa sebuah pembawa dengan $P_{50} = 3.5\,\mathrm{kPa}$ dan tanpa kerja sama ( $n = 1$ ) akan menjadi pembawa oksigen yang buruk: hitunglah pengantarannya.
Nyatakan hasilnya: oksigen yang diantarkan tiap liter darah saat beristirahat dan dalam otot yang berlari cepat, serta kedua sifat hemoglobin yang membuat perbedaannya.

Solusi

Solusi Soal 12.1.

1. $150\times 1.34 = 201\,\mathrm{mL}$ $\mathrm{O_2}$ tiap liter. 2. $e^{3.51} = 33.4$ ; $e^{4.67} = 106.7$ ; $e^{7.25} = 1408$ . 3. Paru: $1408/(33.4 + 1408) = 0.977$ . Jaringan: $106.7/(33.4 + 106.7) = 0.762$ . 4. $0.977 - 0.762 = 0.215$ : $0.215\times 201 = 43\,\mathrm{mL}$ tiap liter. 5. $250/43 = 5.8\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ — dekat dengan curah jantung saat beristirahat. 6. Mioglobin: paru $13.3/13.67 = 0.973$ ; jaringan $5.3/5.67 = 0.935$ ; mengantarkan $0.038\times 201 = 7.7\,\mathrm{mL}$ tiap liter, enam kali lebih sedikit: sebuah pembawa hiperbolik yang memuat dengan baik tak sanggup membongkar muatannya pada tekanan jaringan. 7. Kerja sama menempatkan bagian curam kurvanya di antara kedua tekanan kerjanya, sehingga penurunan tekanan yang kecil melepas sebagian besar muatannya. 8. $e^{2.78} = 16.1$ ; $Y = 16.1/(33.4 + 16.1) = 0.325$ . 9. $e^{4.21} = 67.4$ ; $Y = 16.1/(67.4 + 16.1) = 0.193$ . 10. Tanpa Bohr: $(0.977 - 0.325)\times 201 = 131\,\mathrm{mL}$ ; dengan: $(0.977 - 0.193)\times 201 = 158\,\mathrm{mL}$ tiap liter; keuntungannya $27\,\mathrm{mL}$ , $20\,\%$ . 11. $2.7/3.07 = 0.88$ jenuh; pada $0.5\,\mathrm{kPa}$ , $0.5/0.87 = 0.57$ : ia melepas sepertiga simpanannya ke dalam mitokondrianya selama kerutannya, lalu memuat kembali di antara kerutannya. 12. Proton mengikat pada sisi (histidina, ujung N) yang jauh dari hemnya, dan dengan mengikat ia memantapkan keadaan T, sehingga menurunkan afinitas pada hemnya: sebuah ligan pada satu sisi mengubah afinitas pada sisi yang lain — alosteri. 13. $e^{5.45} = 233$ ; paru $233/(33.4 + 233) = 0.875$ ; jaringan $0.762$ ; pengantaran $0.113\times 201 = 23\,\mathrm{mL}$ : sekitar separuh muka laut. 14. $e^{3.88} = 48.4$ : paru $233/(48.4 + 233) = 0.828$ ; jaringan $106.7/(48.4 + 106.7) = 0.688$ ; pengantaran $0.140\times 201 = 28\,\mathrm{mL}$ . 15. Pemuatannya turun sedikit (0.875 ke 0.828) tetapi pembongkarannya turun lebih banyak (0.762 ke 0.688), sehingga selisihnya tumbuh: pada $7\,\mathrm{kPa}$ parunya masih berada pada puncak kurvanya yang rata sedangkan jaringannya pada bagian curamnya. 16. Daya angkutnya $180\times 1.34 = 241\,\mathrm{mL}$ ; $0.140\times 241 = 34\,\mathrm{mL}$ tiap liter — tiga perempat muka laut pulih. 17. $6^{2.8} = e^{2.8\times 1.79} = e^{5.02} = 151$ : paru $233/384 = 0.607$ , jaringan $106.7/258 = 0.414$ : pengantaran $0.193$ , di atas kertas malah lebih baik — tetapi darah arterinya hanya akan $61\,\%$ jenuh, dan setiap penurunan tekanan paru lebih lanjut atau setiap tuntutan tekanan jaringan yang lebih tinggi akan membuat otaknya kekurangan; penyesuaian yang nyata berhenti dekat $4\,\mathrm{kPa}$ . 18. $48.4/(33.4 + 48.4) = 0.59$ . 19. $e^{2.68} = 14.6$ ; $48.4/(14.6 + 48.4) = 0.77$ . 20. Pada tekanan yang sama protein janinnya mengikat lebih banyak: seiring darah ibunya membongkar muatannya menuju $59\,\%$ dan darah janinnya memuat menuju $77\,\%$ , oksigennya mengalir menuruni gradien tekanan yang dipertahankan selisih afinitasnya melintasi selaput plasentanya. 21. BPG mengikat keadaan T dan menurunkan afinitasnya; rantai $\gamma$ -nya mengikatnya dengan lemah, sehingga hemoglobin janinnya duduk lebih dekat pada afinitas hakikinya yang tinggi: $P_{50}$ lebih rendah. 22. Paru: $1408/(14.6 + 1408) = 0.990$ ; jaringan $106.7/(14.6 + 106.7) = 0.880$ ; pengantaran $0.110\times 201 = 22\,\mathrm{mL}$ , separuh milik orang dewasa: bagus untuk mengambil oksigen dari ibunya, buruk untuk mengantarkannya begitu parunya bekerja, karena itulah peralihannya. 23. $5^{2.8} = e^{2.8\times 1.609} = e^{4.51} = 90.6$ : paru $1408/1499 = 0.94$ , jaringan $106.7/197 = 0.54$ : pengantaran $0.40$ , hampir dua kali lipat yang lazim — orang itu sedikit membiru pada bibirnya tetapi menanggungnya dengan baik; harganya adalah cadangan yang lebih kecil di ketinggian. 24. $Y = P/(3.5 + P)$ : paru $0.79$ , jaringan $0.60$ : pengantaran $0.19\times 201 = 38\,\mathrm{mL}$ — dan dalam otot yang berlari cepat pada $2.7\,\mathrm{kPa}$ , $0.44$ : pengantaran $0.35\times 201 = 70\,\mathrm{mL}$ berhadapan dengan $158\,\mathrm{mL}$ . Tanpa kerja sama pembawanya memuat dengan buruk dan membongkar dengan buruk. 25. $43\,\mathrm{mL}$ $\mathrm{O_2}$ tiap liter saat beristirahat, $158\,\mathrm{mL}$ tiap liter dalam otot yang berlari cepat; selisihnya datang dari kerja sama (kurva sigmoidnya) dan dari efek Bohr (geseran $P_{50}$ dalam asam).

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Lihat semua 479 istilah di glosarium