MAKALAH BIOFISIKA
PENENTUAN STRUKTUR BIOMOLEKUL
Kelompok 3:
Mardiana (19034018)
Meylin sir fani(19034021)
Nurhafika ayu saputri(1712142004)
Dosen pengampu:
Dr. Ratnawulan, M.Si.
FAKULTAS MATEMATIKA ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS NEGERI PADANG
2020
KATA PENGANTAR
Puji syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala nikmatnya sehingga penulis dapat menyusun makalah tentang "Penentuan Struktur Biomolekul" dengan sebaik-baiknya. Pengusunan makalah ini dalam rangka memenuhi satu di antara tugas mata kuliah Biofisika yang diampu oleh Ibu Dr. Ratnawulan, M.Si.
Adapun tujuan dari penulisan makalah ini adalah untuk meningkatkan pengetahuan akan difraksi sinar-x, struktur protein dan metode penentuan struktur pada materi penentuan struktur biomolekul.
Kami ucapkan terima kasih kepada seluruh pihak yang telah membantu, memberi masukan, dan mendukung penulisan makalah ini sehingga selesai tepat pada waktunya. Semoga dibalas oleh Allah SWT dengan ganjaran yang berlimpah.
Meski kami telah menyusun makalah ini dengan maksimal, tidak menutup kemungkinan masih banyak kekurangan. Oleh karena itu sangat diharapkan kritik dan saran yang konstruktif dari pembaca sekalian.
Akhir kata, kami berharap makalah ini dapat menambah referensi keilmuan dan mengambil manfaat dari karya ini.
Padang, Desember 2020
Penulis
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR..................................................................................... i
DAFTAR ISI .................................................................................................. ii
BAB I PENDAHULUAN............................................................................... 1
A. Latar Belakang..................................................................................... 1
B. Rumusan Masalah................................................................................. 1
C. Tujuan Pembuatan Makalah................................................................. 1
BAB II PEMBAHASAN................................................................................. 2
A. Difraksi sinar-x ................................................................................. 2
B. Struktur protein ................................................................................. 7
C. Metode penentuan struktur biomolekul …………………………..... 17
BAB III PENUTUP......................................................................................... 22
A. Kesimpulan......................................................................................... 22
B. Saran................................................................................................... 22
DAFTAR PUSTAKA...................................................................................... 24
BAB I
PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Biomolekul adalah molekul besar maupun molekul kecil apapun yang terdapat dala organisme hidup dan dibuat oleh sel.Biomolekul merupakan senyawa-senyawa organik sederhana pembentuk organisme hidup dan bersifat khas sebagai produk aktifitas biologis. Biomolekul dapat dipandang sebagai turunan hidrokarbon yaitu senyawa karbon dan hidrogen yang mempunyai kerangka dasar yang tersusun dari atom karbon,yang disatukan oleh ikatan kovalen.Kerangka dasar hidrokarbon bersifat sangat stabil,karena ikatan tungga dan ganda karbon-karbon menggunakan pasangan elektron bersama-sama secara merata.Biomolekul bersifat polifungsional,mengandung dua atom atau lebih jenis gugus fungsi yang berbeda.Pada molekul tersebut,tiap gugus fungsi mempunyai sifat dan reaksi kimia sendiri-sendiri.
Senyawa-senyawa biomolekul biasanya dikenal dalam empat bentuk: protein asam nukleat,karbohidrat dan lipid.Keempat golongan biomolekul tersebut mempunyai sifat umum memiliki struktur yang relatif besar(berat molekul besar )dan karenanya disebut makromolekul.
B. Rumusan Masalah
1. Apa itu difraksi sinar- x?
2. Bagaimana struktur protein?
3. Apa metode penentuan struktur biomolekuler?
C. Tujuan pembuatan makalah
1. Mengetahui tentang difraksi sinar-x
2. Mengetahui tentang struktur protein
3. Mengetahui metode penentuan struktur biomolekul
4. Mengetahui penerapan metode penentuan struktur biomolekul
Bab II
PEMBAHASAAN
A. DIFRAKSI SINAR-X
Difraksi sinar x merupakan metode analisa yang memanfaatkan interaksi antara sinar x dengan atom yang tersusun dalam sebuah sistem kristal. Metode ini digunakan dalam skala atomik, baik pada material Kristal maupun non Kristal (amorf). Sebelum masuk pada difraksi sinar-x, perlu mengenal terlebih dahulu tentang sinar-x dan sistem kristal.
1. Sinar-X
Sinar x adalah salah satu bentuk radiasi elektromagnetik seperti cahaya tampak dan gelombang radio. Karena sinar x memiliki energy yang lebih tinggi dari pada cahaya tampak. Panjang gelombang berkisar antara 10 nanometer ke 100 pikometer (sama dengan frekuensi dalam rentang 30 petahertz - 30 exahertz) dan memiliki energi dalam rentang 100 eV - 100 Kev.
Gambar. (a) Foto Wilhelm Conrad Rontgen, (b) Foto sinar-x pertama manusia yang menunjukkan tulang tangan istri Rontgen dengan cincin dijarinya, (c) Ruang Laboratorium yang digunakan Rontgen untuk eksperimen sinar-x nya.
Sinar-X ditemukan pertama kali oleh seorang ilmuwan fisika berkebangsaan Jerman bernama Wilhelm Conrad Rontgen melalui percobaan tabung sinar katoda pada tanggal 8 November 1895. Percobaan ini dilakukan dengan cara mengalirkan arus listrik bertegangan tinggi ke dalam tabung sinar katoda. Suasana di dalam tabung sinar katoda dibuat hampa udara sehingga sinar yang dihasilkan dari katoda tidak bertumbukan dengan partikel lain dan langsung mengenai target.
Bagian permukaan tabung dilapisi dengan kertas hitam yang tebal agar tidak ada cahaya yang terlihat dari bagian dalam tabung. Rontgen melakukan percobaan ini pada ruangan yang gelap dan pada saat mengalirkan arus listrik ke dalam tabung sinar katoda, ia terkejut karena melihat cahaya yang mulai berpendar pada layar yang terletak beberapa meter dari tabung sinar katoda, layar ini terbuat dari barium platinocyanide. Dari hasil pengamatannya, layar ini tetap berpendar meskipun posisnya sudah dijauhkan bebeberapa meter dari tabung sinar katoda. Saat itu, ia berfikir bahwa pastilah terdapat salah satu radiasi yang tidak terlihat oleh mata yang berasal dari tabung sinar katoda. Hasil penemuannya ini dinamakan “sinar-X”, lambang “X” ini lazim digunakan untuk menandai suatu hal yang belum diketahui.
Setelah penemuannya dengan menggunakan peralatan tabung sinar katoda, Rontgen mulai menggali lebih dalam mengenai radiasi yang berasal dari tabung sinar katoda tersebut dengan melakukan beberapa pengujian terhadap pancaran radiasi yang baru ia temukan. Dari hasil pengamatannya ia menemukan beberapa hal penting lainnya terkait dengan “sinar-X” diantaranya
a. Sinar-x dapat menghasilkan fluoresensi
b. Dapat menghitamkan plat film
c. Memiliki sifat fisis seperti cahaya tampak
d. Dapat mengionisasi gas
e. Bersifat geomerti seperti cahaya tampak
f. Sinar-x merupakan radiasi elektromagnetik
Aplikasi dari sinar-x itu sendiri dapat digunakan dalam bidang kedokteran untuk melihat bagian dalam tubuh seseorang yang dikenal dengan istilah rontgen dan juga CRT. Dalam bidang material sinar-x ini digunakan untuk menganalisis struktur internal yang berada dalam sebuah substansi seperti fasa, struktur Kristal, fraksi berat dari material yang belum diketahui.
2. Struktur Kristal
Berdasarkan sifat kimia dan struktuk atomic, bahan material dapat dikelompokkan menjadi 5 jenis yaitu lgam, kemarik, polimer, komposit, biomaterial. Biomaterial umumnya bersumber dari makhluk hidup sert rekayasa material untuk menyerupai sifat-sifat bahan biologi alami. Struktur kulit, sel, serta tulang dan gigi merupakan material biologi yang banyak dipelajari dalam fisika material.
Material zat padat dapat diklasifikasikan berdasarkan keteraturan, dimana atom atau ion tersusun secara teratur antara atom yang satu dengan yang lainnya. Sebuah material kristalin merupakan suatu kondisi dimana atom terletak dalam susunan yang berulang dalam jarak atomik yang besar; oleh karena itu, muncul urutan yang panjang, seperti pada saat terjadi proses pemadatan (solidifikasi), atom-atom akan menempatkan diri mereka sendiri ke dalam pengulangan pola tiga dimensi dimana masing-masing atom terikat dengan atom tetangga yang letaknya sangat dekat.
Gambar. Material Silikon Oksida (SiO2) dalam bentuk Kristal dan Amorf
Semua logam, kebanyakan keramik, dan polimer tertentu membentuk kristal dibawah kondisi pemadatan normal. Untuk material yang tidak bersifat kristalin, rantai pengulangan ini tidak muncul dalam jarak yang panjang; material ini disebut nonkristalin atau amorf. Sebagai contoh dalam gambar 2 diperlihatkan bentuk kristal dan bentuk amorf dari material SiO2.
Susunan atomik dalam kristal zat padat mengindikasikan bahwa sedikit kelompok atom membentuk sebuah pola pengulangan. Oleh karena itu, dalam menggambarkan struktur kristal, terkadang lebih mudah untuk membagi struktur tersebut kedalam entitas pengulangan yang kecil yang disebut sebagaiunit sel. Unit sel merupakan dasar pola elementer karena unit sel ini berulang dalam tiga dimensi dan membentuk kisi suatu kristal. Unit sel digambarkan sebagai volume terkecil suatu zat padat dimana seluruh pengulangannya berlaku dalam tiga dimensi. Semua sel satuan di dalam suatu kristal bersifat identik, jika kita membahas salah satunya berarti kita telah mendeskripsikan semuanya sehingga mempermudah proses analisis.
Gambar. Tiga jenis unit sel untuk sistem kristal kubik
Struktur kristal umumnya bersumber dari hasil difraksi sinar-x. panjang gelombang sinar-x seorde dengan jarak pisah bidang kristal. Maka, puncak-puncak difraksi dapat diproduksikan bila berkas sinar-x menumbuk kristal. Tinjau berkas sinar-x yang dijatuhkan pada sebuah kristal.
Gambar. Model difraksi Bragg
Berkas sinar-x 1 dan 2 akan sefase dengan syarat
nλ = AC + CB (1.1)
n = 1,2,3, … orde difraksi
AC = CB = d sin θ, maka persamaan (1.1) menjadi,
nλ = 2d sin θ (1.2)
persamaan (1.2) dikenal sebagai “hukum Bragg”. Pada kondisi eksperimen, difraksi dengan n = 1 banyak digunakan sehingga:
λ = 2d sin θ
Perumusan bragg didasari fakta bahwa difraksi hanya terjadi apabila beda jalur yang ditempuh oleh gelombang bernilai satu gelombang atau kelipatan bilangan bulatnya, dari sini kita ketahui bahwa difraksi sinar-x hanya muncul untuk sudut-sudut tertentu saja yang memenuhi hukum Bragg.
Teknik difraksi yang umum dalam bidang molecular adalah difraksi kristal tunggal. Difraksi sinar-X oleh kristal tunggal menghasilkan pola bintik-bintik yang akan memberikan informasi tentang simetri dan dimensi kisi kristal, intensitasnya menentukan posisi atom dalam setiap sel unit, bentuk dan lebar puncak individu menentukan rincian ukuran kristal, serta strain dan cacat mikroskopis. Pengukuran kristal tunggal menghasilkan informasi lebih lengkap dan akurat. Masalahnya terletak pada sulitnya proses menumbukan kristal tunggal berkualitas tinggi. Aplikasi penting dari difraksi kristal tunggal adalah pada protein crystallography.
B. STRUKTUR PROTEIN
Kata protein berasal dari bahasa Yunani proteios yang berarti "barisan pertama". Kata yang diciptakan oleh Jons J. Barzelius pada tahun 1938 untuk menekankan pentingnya golongan ini. Struktur protein merupakan sebuah struktur biomolekuler dari suatu molekul protein. Setiap protein, khususnya polipeptida merupakan suatu polimer yang merupakan urutan yang terbentuk dari berbagai asam L-α-amino (urutan ini juga disebut sebagai residu). Perjanjiannya, suatu rantai yang panjangnya kurang dari 40 residu disebut sebagai sebagai polipeptida, bukan sebagai protein. Protein memegang peranan penting dalam hampir semua proses biologi.
Protein merupakan komponen penting atau komponen utama sel hewan atau manusia. Oleh karena sel itu merupakan pembentuk tubuh kita, maka protein yang terdapat dalam makanan berfungsi sebagai zat utama dalam pembentukan dan pertumbuhan tubuh. Untuk dapat melakukan fungsi biologis, protein melipat ke dalam satu atau lebih konformasi spasial yang spesifik, didorong oleh sejumlah interaksi non-kovalen seperti ikatan hidrogen, interaksi ionik, gaya van der Waals, dan sistem kemasan hidrofobik. Struktur tiga dimensi perotein sangat diperlukan untuk memahami fungsi protein pada tingkat molekul. Struktur protein bervariasi dalam hal ukuran, dari puluhan hingga ribuan residu. Protein diklasifikasikan berdasarkan ukuran fisik mereka sebagai nanopartikel (1-100 nm). Sebuah protein dapat mengalami perubahan struktural reversibel dalam menjalankan fungsi biologisnya. Struktur alternatif protein yang sama disebut sebagai konformasi.
Gambar 2.1. Struktur Protein
Tumbuhan membentuk protein dari , O, dan senyawa nitrogen. Hewan yang makan tumbuhan merubah protein nabati menjadi protein hewani. Di samping digunakan untuk pembentukan sel-sel tubuh. Protein juga digunakan sebagai sumber energi apabila tubuh kita kekurangan karbohidrat dan lemak. Komposisi rata-rata unsur kimia yang terdapat dalam protein ialah sebagai berikut: karbon 50%, hidrogen 7%, oksigen 23%, nitrogen 16%, belerang 0,3%, dan fosfor 0,3%. Asam amino merupakan unit dasar struktur protein. Suatu asam aminoα terdiri dari gugus amino, gugus karboksil, atom H dan gugus R tertentu yang semuanya terikat pada atom karbon α . Atom karbon ini disebut α karena bersebelahan dengan gugus karboksil (asam). Gugus R menyatakan rantai samping.
Gambar 1. Struktur asam amino.
Umumnya pada protein ditemukan 20 jenis rantai samping yang bervariasi dalam ukuran, bentuk muatan, kapasitas pengikatan hidrogen dan reaktivitas kimia. Susunan protein pada semua spesies mulai dari bakteri sampai manusia dibentuk dari 20 asam amino yang sama dan tidak pernah berubah selama evolusi. Keanekaragaman fungsi yang diperantarai oleh.protein dimungkinkan oleh keragaman susunan yang dibuat dari 20 jenis asam amino ini sebagai unsur pembangun.
Asam amino yang paling sederhana ialah glisin, yang hanya mempunyai satu atom hidrogen sebagai rantai samping (Gambar 2.4). Asam amino berikut adalah alamin, dengan gugus metil sebagai rantai samping. Rantai samping hidrokarbon yang lebih besar (tiga dan empat karbon) ditemukan pada valin, leusin dan isoleusin. Rantai samping alifatik yang lebih besar ini bersifat hidrofobik, menolak air dan cenderung membentuk kelompok. Sebagaimana akan dibahas kemudian, struktur tiga dimensi protein yang larut dalam air akan menjadi stabil oleh rantai samping hidrofobik yang berkelompok untuk menghindari kontak dengan air. Perbedaan ukuran dan bentuk rantai samping hidrokarbon ini memungkinkan protein untuk membentuk struktur yang ringkas dan kompak yang berlubang-lubang.
Gambar 2. Asam amino dengan rantai samping alifatik.
STRUKTUR PROTEIN PRIMER, SEKUNDER TERSIER DAN KUARTENER
1. Struktur Primer
Pada tahun 1953, Frederick Sanger menentukan urutan asam amino insulin, suatu hormon protein. Hal ini merupakan peristiwa penting karena pertama kali memperlihatkan dengan tegas bahwa protein mempunyai urutan asam amino yang tertentu yang tepat. Urutan asam amino inilah yang kemudian dikenal sebagai struktur primer. Selain itu juga diperlihatkan bahwa insulin terdiri dari hanya asam amino L yang saling berhubungan melalui ikatan peptida antara gugus amino- α dan gugus karboksil -α prestasi ini merangsang peneliti lain untuk mempelajari urutan asam amino berbagai protein. Saat ini telah diketahui urutan asam amino yang lengkap lebih dari 10.000 protein. Fakta yang menyolok menyatakan bahwa tiap protein mempunyai urutan asam amino yang khas dengan urutan yang sangat tepat.
Pada protein, gugus karboksil- α asam amino terikat pada gugus aminoα asam amino lain dengan ikatan peptida (disebut juga ikatan amida). Pada pembentukan suatu dipeptida dari dua asam amino terjadi pengeluaran satu molekul air yang dapat dilihat pada Gambar 2 Keseimbangan reaksi ini adalah ke arah hidrolisis tidak pada sintesis. Oleh sebab itu, biosintesis ikatan peptida memerlukan energi bebas, sebaliknya hidrolisis ikatan peptida secara termodinamika bersifat eksergonik.
Gambar 3. Pembentukan ikatan peptide.
Banyak asam amino yang berikatan melalui ikatan peptida membentuk rantai polipeptida yang tidak bercabang (Gambar 4). Satu unit asam amino dalam rantai polipeptida disebut residu. Rantai polipeptida mempunyai arah sebab unit penyusun mempunyai ujung yang berbeda, yaitu gugus amino- α dan gugus karboksil- α . Berdasarkan kesepakatan, ujung amino diletakkan pada awal rantai polipeptida; berarti urutan asam amino dalam rantai polipeptida ditulis dengan diawali oleh residu aminoterminal. Pada suatu tripeptida Ala-Gly-Trp (AGW), alanin merupakan residu aminoterminal dan Triptofan merupakan residu karboksil-terminal. Harus diperhatikan bahwa Trp-Gly-Ala (WGA) merupakan tripeptida yang berbeda.
Gambar4. Residu asam amino terdapat dalam kotak, rantai dimulai pada ujung amino.
Rantai polipeptida terdiri dari bagian yang berulang secara beraturan yang disebut rantai utama, dan bagian yang bervariabel yang membentuk rantai samping (). Rantai utama kadang-kadang disebut tulang punggung. Kebanyakan rantai polipeptida di alam mengandung antara 50 sampai 2000 residu asam amino. Berat molekul rata-rata residu asam amino adalah 110, berarti berat molekul rantai polipeptida adalah antara 5.500 dan 220.000. Massa protein dapat juga dinyatakan dalam dalton; satu dalton sama dengan satu unit massa atom. Suatu protein dengan berat molekul 50.000 mempunyai massa 50 kd (kilodalton).
Sejumlah protein mempunyai ikatan disulfida. Ikatan disulfida antarrantai maupun di dalam rantai terbentuk oleh oksidasi residu sistein. Disulfida yang dihasilkan adalah sistein (Gambar 2.8). Protein intra sel umumnya tidak mempunyai ikatan disulfida, sedangkan protein ekstrasel sering mempunyai beberapa. Ikatan lintas non-belerang yang berasal dari rantai samping lisin ditemukan pada beberapa protein. Misalnya, serat kolagen dalam jaringan ikat diperkuat dengan cara ini, sama seperti fibrin pada pengumpulan darah.
Gambar 5. Jembatan disulfide (-S-S-) dibentuk dari gugus sulfhidril (-SH) dua residu sistein dan akan menghasilkan satu residu sistin.dan Model ikatan sulfida pada struktur primer.
2. Struktur Sekunder
Dapatkah suatu rantai polipeptida berlipat membentuk struktur reguler yang berulang? Untuk menjawab pertanyaan ini, Pauling dan Corey mempelajari berbagai kemungkinan konformasi polipeptida dengan membuat model-model molekul. Mereka sangat mentaati hasil pengamatan sudut ikatan dan jarak pada asam amino dan peptida kecil. Pada tahun 1951, mereka mengemukakan dua struktur polipeptida yang disebut heliks α dan lembar berlipat β . Struktur ini berhubungan dengan pengaturan kedudukan ruang residu asam amino dalam urutan linier. Heliks α merupakan struktur berbentuk batang. Rantai polipeptida utama yang bergelung membentuk bagian dalam batang dan rantai samping mengarah ke luar dari heliks.
Pauling dan Corey menemukan corak struktur periodik yang lain yang dinamakan lembar berlipat β (disebut β sebab merupakan struktur kedua yang mereka temukan sedangkan heliks α sebagai struktur pertama). Lembar berlipat 0 berbeda dengan heliks a yang berbentuk batang. Rantai polipeptida lembar berlipat β disebut untai β , berbentuk lurus terentang tidak bergelung tegang seperti heliks α .
Jarak aksis antara asam amino yang bersebelahan adalah 3,5 sedangkan pada heliks α adalah 1,5 . Perbedaan lain ialah pada lembar berlipat β distabilkan oleh ikatan hidrogen antara gugus NH dan CO pada rantai polipeptida berlainan, sedangkan pada heliks α ikatan hidrogen terdapat antara gugus NH dan CO pada rantai yang sama
Rantai polipeptida yang bersebelahan pada lembar berlipat β dapat searah (lembar β paralel) atau berlawanan arah (lembar β antiparalel). Misalnya, fibroin sutra hampir seluruhnya terdiri dari tumpukan lembar β antiparalel. Bagian lembar β seperti ini merupakan struktur yang berulang pada banyak protein. Sering dijumpai unit struktur yang terdiri dari dua sampai lima untai lembar β paralel atau antiparalel.
3. Struktur Tersier
Struktur tersier menggambarkan pengaturan ruang residu asam amino yang berjauhan dalam urutan linier dan pola ikatan-ikatan disulfida. Perbedaan antara struktur sekunder dan tersier tidaklah terlalu jelas). Kolagen memperlihatkan tipe khusus suatu heliks dan merupakan protein yang paling banyak ditemukan pada mamalia. Kolagen merupakan komponen serat utama dalam kulit, tulang, tendon, tulang rawan dan gigi. Protein ekstrasel ini mengandung tiga rantai polipeptida berbentuk heliks, yang masing-masing sepanjang hampir 1000 residu. Urutan asam amino dalam kolagen sangat beraturan: tiap residu ketiga hampir selalu glisin. Dibanding dengan protein lain kandungan prolin dalam kolagen juga tinggi. Selanjutnya, kolagen mengandung 4-hidroksiprolin yang jarang ditemukan dalam protein lain. Urutan glisin-prolin-hidroksiprolin (Gly-ProHyp) sering kali dijumpai.
Kolagen merupakan molekul berbentuk batang, dengan panjang kira-kira 3000 dengan diameter hanya 15 . Corak heliks dari gabungan ketiga rantai polipeptida, sama sekali berbeda dengan heliks α dalam satu untai tidak ditemukan ikatan hidrogen. Tetapi, masing-masing untai heliks kolagen distabilkan oleh daya tolak menolak cincin pirolidin residu prolin dan hidroksiprolin. Dalam bentuk heliks ini yang lebih terbuka daripada heliks yang terpilin tegang, cincin-cincin pirolidon berjauhan letaknya. Ketiga untai polipeptida saling berbelit membentuk superheliks. Jarak aksis tiap residu dalam superheliks adalah 2,9 dengan hampir tiga residu pada tiap putaran. Ketiga untai heliks ini saling berikatan melalui ikatan hidrogen. Sebagai donor hidrogen adalah gugus NH residu glisin dan gugus CO residu pada rantai yang berlainan bertindak sebagai akseptor hidrogen. Gugus hidroksil residu hidroksiprolin juga berperan pada pembentukan ikatan hidrogen. Dengan ini dapat dimengerti mengapa glisin menempatkan diri pada tiap posisi ketiga pada rentangan seribu residu yang membentuk heliks kolagen. Bagian dalam heliks tiga untai ini sangat padat. Ternyata glisin merupakan satu-satunya residu yang cocok pada bagian dalam. Karena ada tiga residu pada tiap putaran heliks, maka tiap residu ketiga pada setiap untai tersebut haruslah glisin. Residu asam amino bersebelahan dengan glisin terletak pada bagian luar untai dan ruang ini cukup untuk residu prolin dan hidroksiprolin yang besar. Protein yang terdiri atas lebih dari satu rantai polipeptida mempunyai tingkat organisasi struktural tambahan. Masing-masing rantai polipeptida disebut sub unit. Struktur kuarterner menggambarkan pengaturan sub unit protein dalam ruang. Misalnya hemoglobin, terdiri atas dua rantai α dan dua rantai β. Susunan sub unit hemoglobin pada tetramer ini berperan pada komunikasi antartempat pengikatan , , dan yang berjauhan. Virus sangat memanfaatkan informasi genetik yang terbatas dengan membentuk selubung yang terdiri dari sub unit-sub unit yang sama secara berulang di dalam susunan yang simetris.
4. Struktur kuartener
Struktur tertinggi dari protein adalah struktur kuarterner.Dalam struktur ini protein membentuk molekul kompleks,tidak terbatas hanya pada satu rantai protein,tetapi beberapa rantai protein bergabung membentuk bola.
Jadi,pada struktur kuarterner molekul protein disamping memiliki ikatan hidrogen,van der waals,dan interaksi gugus nonpolar,juga terjadi intraksi antara rantai protein baik melalui interaksi polar, nonpolar, maupun van der waals.
C. PENENTUAN STRUKTUR
1. Penentuan Struktur Biomolekul
Biologi struktur adalah cabang biologi molekuler, biokimia, dan biofisika yang berkaitan dengan struktur molekuler dari makromolekul biologis (terutama protein, yang terdiri dari asam amino, dan RNA atau DNA, yang terdiri dari nukleotida), bagaimana molekul-molekul itu memperoleh struktur yang dimiliki, dan bagaimana perubahan dalam struktur makromolekul memengaruhi fungsinya.[1] Subjek ini sangat menarik bagi para ahli biologi karena makromolekul menjalankan sebagian besar fungsi sel, dan makromolekul mampu melakukan fungsi-fungsi ini hanya dengan menggulung ke dalam bentuk tiga dimensi tertentu. Arsitektur ini, "struktur tersier" molekul, bergantung dengan cara yang rumit pada komposisi dasar masing-masing molekul, atau "struktur primer."
Biomolekul terlalu kecil untuk dilihat secara terperinci bahkan dengan mikroskop cahaya paling canggih sekalipun. Metode yang digunakan ahli biologi struktur untuk menentukan struktur biomolekul umumnya melibatkan pengukuran pada sejumlah besar molekul identik pada saat yang sama. Metode-metode ini meliputi:
1. Spektrometri massa
2. Kristalografi makromolekul
3. Proteolisis
4. Spektroskopi resonansi magnetik nuklir protein (NMR)
5. Resonansi paramagnetik elektron (EPR)
6. Mikroskopi krio-elektron (cryo-EM)
7. Hamburan cahaya multisudut
8. Hamburan sudut kecil
9. Spektroskopi laser ultracepat
10. Interferometri polarisasi ganda dan dikroisme sirkuler
Peneliti paling sering menggunakan teknik-teknik tersebut untuk mempelajari "keadaan asli" makromolekul. Tetapi variasi pada metode ini juga digunakan untuk melihat molekul yang baru lahir atau terdenaturasi berubah menjadi keadaan aslinya. Lihat pelipatan protein. Pendekatan ketiga yang diambil oleh ahli Biologi struktur untuk memahami struktur molekul adalah bioinformatika untuk mencari pola di antara beragam urutan DNA yang memunculkan bentuk-bentuk tertentu. Para peneliti sering dapat menyimpulkan aspek struktur protein membran integral berdasarkan topologi membran yang diprediksi oleh analisis hidrofobisitas. Lihat prediksi struktur protein.
2.Penentuan Struktur Protein
1.Kristalografi Sinar-X
Pemahaman mengenai struktur dan fungsi protein sangat terbantu oleh kristalografi sinar-X, yang merupakan teknik yang dapat menyatakan posisi tiga dimensi atom dalam molekul protein dengan tepat. Untuk mengembangkan metode ini, pertama kali diperlukan kristal protein yang diminati sebab teknik ini memerlukan orientasi seluruh molekul dengan tepat. Kristal protein dapat diperoleh dengan menambahkan amonium sulfat atau garam lain ke dalam larutan pekat protein untuk mengurangi kelarutannya. Misalnya mioglobin akan berkristalisasi dalam larutan amonium sulfat 3 M (Gambar 2.17).
Gambar 2.17. Kristalisasi mioglobin.
Penggaraman yang lambat menghasilkan kristal yang beraturan, bukan presipitat amorf. Sejumlah protein mudah mengkristal, sedangkan yang lainnya memerlukan usaha yang lebih besar. Kristalisasi adalah seni, karena memerlukan ketekunan, kesabaran dan tangan yang dingin. Jumlah protein yang besar dan kompleks yang sudah dikristalisasi terus meningkat. Misalnya, virus polio sebesar 8500-kd yang merupakan kesatuan 240 subunit protein yang mengelilingi inti RNA, telah dapat dikristalisasi dan diketahui strukturnya dengan metode sinar-X.
Tiga komponen yang berperan dalam analisis kristalografi sinar-X adalah sumber sinar-X, kristal protein dan detektor (Gambar 2.18). Berkas sinar dengan panjang gelombang 1,54 A diperoleh dengan mengakselerasi elektron terhadap tembaga. Seberkas sinar X diarahkan pada kristal protein. Sebagian sinar-X akan langsung menembus kristal dan sisanya akan terpencar ke berbagai arah. Berkas yang terpencar (atau mengalami difraksi) dapat dideteksi dengan film sinar-X. Kehitaman warna film berbanding lurus dengan intensitas sinar-X yang dipencar atau dengan detektor elektronik status padat.
Prinsip dasar kristalografi sinar-X:
1) Sinar-X dipencar oleh elektron. Amplitudo gelombang yang dipencar oleh atom berbanding lurus dengan jumlah elektron. Atom karbon akan memencar sinar-X enam kali lebih kuat dibandingkan atom hidrogen.
2) Gelombang yang terpencar bergabung kembali. Tiap atom dalam molekul berperan pada difraksi gelombang sinar-X. Pada film atau detektor gelombang yang dipencar akan saling memperkuat bila dalam fase yang sama dan akan saling menghilangkan bila tidak dalam fase yang sama.
3) Cara gelombang yang telah terpencar bergabung kembali tergantung hanya pada susunan atom.
Gambar 2.18. Dasar percobaan kristalografi sinar-X, kristal dan detector.
Kristal protein yang dimasukkan dalam kapiler dan diletakkan pada posisi yang tepat terhadap berkas sinar-X dan film. Dengan gerak kristal yang teliti akan dihasilkan fotografi sinar-X berupa susunan titik-titik yang teratur yang disebut refleksi. Intensitas tiap titik pada fotografi sinar-X dapat diukur dan merupakan data dasar bagi analisis kristalografi sinar-X. Tahap berikutnya adalah menyusun kembali gambaran protein berdasarkan intensitas tersebut. Pada mikroskop cahaya atau mikroskop elektron, berkas sinar yang terpencar difokuskan oleh lensa-lensa sehingga langsung memberi gambaran. Tetapi lensa untuk memfokuskan sinar-X tidak ada. Gambaran dapat diperoleh dengan menggunakan perhitungan matematik yang disebut transform Fourier. Tiap titik menggambarkan gelombang densitas elektron, yang besarnya sesuai dengan akar pangkat dua intensitas titik. Tiap gelombang juga mempunyai fase, yaitu puncak dan dasar gelombang. Fase tiap gelombang menentukan apakah gelombang yang berasal dari titik lain diperkuat atau dihapus. Fase ini dapat diketahui berdasarkan pola difraksi yang dihasilkan oleh standar penandaan logam berat seperti uranium atau air raksa pada tempat tertentu dalam protein.
Sekarang dapat ditafsirkan peta densitas elektron, yang memberikan densitas elektron pada titik-titik yang tersebar teratur dalam kristal. Gambaran tiga dimensi dari densitas elektron diperlihatkan sebagai suatu bagian-bagian yang paralel dan bertumpukan. Tiap bagian merupakan lembaran plastik transparan dengan distribusi densitas elektron diperlihatkan oleh garis kontur, sama dengan garis kontur pada peta survei geologi untuk menggambarkan ketinggian. Tahap berikut adalah penafsiran peta densitas elektron. Faktor yang kritis adalah analisis resolusi sinar-X yang ditentukan oleh jumlah intensitas yang tersebar yang digunakan pada sintesis Fourier. Hasil terakhir analisis sinar-X ditentukan oleh derajat kesempurnaan kristal.
2.Spektroskopi NMR (Nuclear Magnetic Resonance)
Kristalografi sinar-X dilengkapi dengan spektroskopi NMR, yang mampu mengungkapkan struktur atom suatu molekul dalam larutan. Inti atom tertentu seperti hidrogen (1H) secara intrinsik bersifat magnetik (lihat Tabel 2.1). Putaran proton yang bermuatan positif, sama seperti partikel bermuatan lain yang berputar menghasilkan momen magnetik. Momen magnetik ini terdapat dalam salah satu dari dua orientasi (disebut α dan β ) bila dipengaruhi oleh medan magnet dari luar (Gambar 2.19). Perbedaan energi antara kedua orientasi sebanding dengan kekuatan medan magnetik yang diberikan.
Status α mempunyai energi sedikit lebih rendah sehingga sedikit lebih padat (dengan faktor 1,00001) sebab sesuai dengan medan magnet. Transisi dari tingkat terisolasi rendah ( α ) ke tingkat β terjadi bila inti menyerap radiasi elektromagnetik.
Spektroskopi NMR merupakan teknik yang sangat informatif sebab medan magnetik lokal tidak identik dengan medan magnet Bo yang digunakan untuk semua inti dalam sampel. Aliran elektron sekitar inti magnetik menghasilkan medan magnet lokal yang berlawanan dengan medan magnet eksternal. Derajat pertahanan terhadap Bo tergantung pada densitas elektron sekitar. Akibatnya, inti dengan lingkungan berbeda akan menyerap energi dengan frekuensi resonansi yang sedikit berbeda; efek ini disebut pergeseran kimia. Pergeseran ini dinyatakan sebagai unit fraksional δ (ppm, parts per million) yang relatif terhadap senyawa standar, seperti derivat tetrametisilen yang larut dalam air. Misalnya, proto-CH3 secara khas mempunyai δ sebesar 1 ppm, sedangkan proton aromatik mempunyai δ 7 ppm. Pergeseran kimia kebanyakan proton dalam molekul protein terletak antara 1 dan 9 ppm. Puncak absorpsi spektrum NMR disebut lin (lines). Proton tertentu biasanya lebih dari satu lin sebab dipengaruhi oleh proton nonekuivalen yang berdekatan; efek ini disebut spin-spin coupling. Atom hidrogen yang dipisahkan oleh tiga atau kurang ikatan kovalen akan saling berkaitan dengan cara ini.
Magnetisasi singkat pada sampel yang diinduksi oleh pulsa frekuensi radio akan menghilang dengan waktu, sampel akan mengalami relaksasi dan kembali ke status seimbang. Proses relaksasi ini dapat menerangkan struktur dan dinamika makromolekul sebab sangat sensitif terhadap geometri maupun gerak. Hal lain yang memberi banyak keterangan adalah NOE (Nuclear Overhauser Effect), suatu interaksi antara inti yang berbanding terbalik dengan jarak antara nukleus pangkat enam.
Hanya teknik spektroskopi NMR dan kristalografi sinar-X yang dapat mengungkap-kan struktur tiga dimensi atom yang rinci dari protein dan biomolekul lain. Metode sinar-X memberi gambaran resolusi paling baik, tetapi memerlukan kristal. Metode NMR, sebaliknya, efektif untuk protein dalam larutan dan memerlukan larutan sangat pekat (-1mM atau 15 mg/ml untuk protein 15-kd). Ukuran yang paling besar untuk saat ini dalam pemakaian metode NMR adalah 30 kd, sebab protein yang lebih besar tidak memberikan hasil yang akurat. Akan tetapi, banyak yang dapat dilaksanakan dalam batas-batas ini sebab domain protein biasanya lebih kecil dari 30 kd. Selain itu spektroskopi sinar NMR juga dapat menerangkan dinamika. Teknik NMR dan sinar-X saling melengkapi dalam mempelajari struktur.
Bab III
Penutup
3.1 Kesimpulan
Difraksi sinar x merupakan metode analisa yang memanfaatkan interaksi antara sinar x dengan atom yang tersusun dalam sebuah sistem kristal. Metode ini digunakan dalam skala atomik, baik pada material.
Protein memegang peranan penting dalam hampir semua proses biologi. Protein merupakan komponen penting atau komponen utama sel hewan atau manusia. Oleh karena sel itu merupakan pembentuk tubuh kita, maka protein yang terdapat dalam makanan berfungsi sebagai zat utama dalam pembentukan dan pertumbuhan tubuh. Komposisi rata-rata unsur kimia yang terdapat dalam protein ialah sebagai berikut: karbon 50%, hidrogen 7%, oksigen 23%, nitrogen 16%, belerang 0,3%, dan fosfor 0,3%. Pemahaman mengenai struktur dan fungsi protein sangat terbantu oleh kristalografi sinar-X, yang merupakan teknik yang dapat menyatakan posisi tiga dimensi atom dalam molekul protein dengan tepat. Kristalografi sinar-X dilengkapi dengan spektroskopi NMR, yang mampu mengungkapkan struktur atom suatu molekul dalam larutan. Putaran proton yang bermuatan positif, sama seperti partikel bermuatan lain yang berputar menghasilkan momen magnetik. Momen magnetik ini terdapat dalam salah satu dari dua orientasi (disebut α dan β ) bila dipengaruhi oleh medan magnet dari luar.
3.2 Saran
Saran yang bisa kelompok kami berikan yaitu apabila ingin memahami mengenai struktur dan fungsi protein maka akan sangat terbantu oleh kristalografi sinar-X, yang merupakan teknik yang dapat menyatakan posisi tiga dimensi atom dalam molekul protein dengan tepat. Hanya teknik spektroskopi NMR dan kristalografi sinar-X yang dapat mengungkap-kan struktur tiga dimensi atom yang rinci dari protein dan biomolekul lain.
DAFTAR PUSTAKA
Cullity, B.D, 1978, Element of X-Ray Diffraction, Addison Wesley Publishing company,Inc, Phillipines
Krane, Kenneth, 2006, Fisika Modern, Terj. Hans. J. Wopakrik, UI-Press, Indonesia
Cullity, B.D, 1978, Element of X-Ray Diffraction, Addison Wesley Publishing company,Inc, Phillipines.
Callister, William.D, 1994, Material Science and Engineering An Introduction, Edisi 3, John Willey & Sons, Inc, USA.
Subaer., Haris, Abdul. 2007. Fisika Material I. Badan Penerbit Universitas Negeri Makassar: Makassar.
Lawrence, Van Vlack, 1989, Elemen-elemen Ilmu dan Rekayasa Material, Edisi 6, Terj. Srie Djaprie, Erlangga, Indonesia
Dynateci. ( 2019, 28 Oktober). Teknik XRD: X-Ray Difraction, Definisi, Priinsip, Beserta Gambar. Diakses pada 9 Desember 2020, dari https://www.dynatech-int.com/id/artikel/xrd-adalah#:~:text=Single%20Crystal%20(difraksi%20kristal%20tunggal)&text=Pengukuran%20kristal%20tunggal%20menghasilkan%20informasi%20lebih%20lengkap%20dan%20akurat.&text=Aplikasi%20pernting%20dari%20difraksi%20kristal,utama%20dalam%20bidang%20biologi%20molecular.
