Bagaimana Hemoglobin Menunjukkan Empat Tingkat Struktur Protein?

Mamalia menghirup oksigen dari udara melalui paru-paru mereka. Oksigen membutuhkan cara untuk dibawa dari paru-paru ke seluruh tubuh untuk berbagai proses biologis. Ini terjadi melalui darah, khususnya protein hemoglobin, yang ditemukan dalam sel darah merah. Hemoglobin melakukan fungsi ini karena empat tingkat struktur proteinnya: struktur primer hemoglobin, struktur sekunder, dan struktur tersier dan kuaterner.

TL; DR (Terlalu Panjang; Tidak Membaca)

Hemoglobin adalah protein dalam sel darah merah yang memberikan warna merah. Hemoglobin juga melakukan tugas penting pengiriman oksigen yang aman ke seluruh tubuh, dan ini dilakukan dengan menggunakan empat tingkat struktur proteinnya.

Hemoglobin adalah molekul protein besar yang ditemukan dalam sel darah merah. Faktanya, hemoglobin adalah zat yang memberi warna merah pada darah. Ahli biologi molekuler Max Perutz menemukan hemoglobin pada tahun 1959. Perutz menggunakan kristalografi sinar-X untuk menentukan struktur khusus hemoglobin. Dia juga akhirnya akan menemukan struktur kristal dari bentuk terdeoksigenasinya, serta struktur protein penting lainnya.

Hemoglobin adalah molekul pembawa oksigen ke triliunan sel dalam tubuh, yang dibutuhkan manusia dan mamalia lain untuk hidup. Ini mengangkut oksigen dan karbon dioksida.

Fungsi ini terjadi karena bentuk hemoglobin yang unik, yaitu globular dan terbuat dari empat subunit protein yang mengelilingi kelompok besi. Hemoglobin mengalami perubahan bentuk untuk membantu membuatnya lebih efisien dalam fungsinya membawa oksigen. Untuk menggambarkan struktur molekul hemoglobin, kita harus memahami cara protein disusun.

Protein adalah molekul besar yang terbuat dari rantai molekul yang lebih kecil yang disebut asam amino. Semua protein memiliki struktur definitif karena komposisinya. Ada dua puluh asam amino, dan ketika mereka terikat bersama, mereka membuat protein unik tergantung pada urutannya dalam rantai.

Asam amino terdiri dari gugus amino, karbon, gugus asam karboksilat dan rantai samping terikat atau gugus R yang membuatnya unik. Gugus R ini membantu menentukan apakah asam amino akan hidrofobik, hidrofilik, bermuatan positif, bermuatan negatif atau sistein dengan ikatan disulfida.

Ketika asam amino bergabung bersama, mereka membentuk ikatan peptida dan membuat struktur polipeptida. Ini terjadi melalui reaksi kondensasi, menghasilkan molekul air. Setelah asam amino membuat struktur polipeptida dalam urutan tertentu, urutan ini membentuk a struktur protein primer.

Namun, polipeptida tidak tetap dalam garis lurus, melainkan mereka menekuk dan melipat untuk membentuk bentuk tiga dimensi yang dapat terlihat seperti spiral (sebuah heliks alfa) atau semacam bentuk akordeon (a lembar beta-lipit). Struktur polipeptida ini membentuk a struktur protein sekunder. Ini diadakan bersama melalui ikatan hidrogen.

Struktur protein tersier menggambarkan bentuk akhir dari protein fungsional yang terdiri dari komponen struktur sekundernya. Struktur tersier akan memiliki urutan khusus untuk asam amino, heliks alfa, dan lembaran beta-lipitnya, yang semuanya akan dilipat ke dalam struktur tersier yang stabil. Struktur tersier sering terbentuk dalam kaitannya dengan lingkungannya, dengan bagian hidrofobik di bagian dalam protein dan bagian hidrofilik di bagian luar (seperti dalam sitoplasma), misalnya.

Sementara semua protein memiliki tiga struktur ini, beberapa terdiri dari beberapa rantai asam amino. Jenis struktur protein ini disebut struktur kuartener, membuat protein dari beberapa rantai dengan berbagai interaksi molekul. Ini menghasilkan kompleks protein.

Setelah seseorang dapat menggambarkan struktur molekul hemoglobin, lebih mudah untuk memahami bagaimana struktur dan fungsi hemoglobin terkait. Hemoglobin secara struktural mirip dengan mioglobin, digunakan untuk menyimpan oksigen di otot. Namun, struktur kuaterner hemoglobin membedakannya.

Struktur kuaterner molekul hemoglobin mencakup empat rantai protein struktur tersier, yang semuanya merupakan heliks alfa.

Secara individual, setiap heliks alfa adalah struktur polipeptida sekunder yang terbuat dari rantai asam amino. Asam amino pada gilirannya merupakan struktur utama hemoglobin.

Empat rantai struktur sekunder mengandung atom besi yang ditempatkan dalam apa yang disebut a grup heme, struktur molekul berbentuk cincin. Ketika mamalia menghirup oksigen, ia mengikat zat besi dalam kelompok heme. Ada empat situs heme untuk mengikat oksigen dalam hemoglobin. Molekul tersebut disatukan oleh sel darah merahnya. Tanpa jaring pengaman ini, hemoglobin akan mudah lepas.

Pengikatan oksigen ke heme memulai perubahan struktural pada protein, yang menyebabkan subunit polipeptida tetangga juga berubah. Oksigen pertama adalah yang paling sulit untuk diikat, tetapi tiga oksigen tambahan kemudian dapat berikatan dengan cepat.

Perubahan bentuk struktural karena oksigen mengikat atom besi dalam kelompok heme. Ini menggeser histidin asam amino, yang pada gilirannya mengubah heliks alfa. Perubahan berlanjut melalui subunit hemoglobin lainnya.

Oksigen dihirup dan mengikat hemoglobin dalam darah melalui paru-paru. Hemoglobin membawa oksigen itu dalam aliran darah, mengantarkan oksigen ke mana pun dibutuhkan. Ketika karbon dioksida meningkat dalam tubuh dan tingkat oksigen menurun, oksigen dilepaskan dan bentuk hemoglobin berubah lagi. Akhirnya keempat molekul oksigen dilepaskan.

Hemoglobin tidak hanya membawa oksigen melalui aliran darah, tetapi juga berikatan dengan molekul lain. Oksida nitrat dapat mengikat sistein dalam hemoglobin serta kelompok heme. Oksida nitrat itu melepaskan dinding pembuluh darah dan menurunkan tekanan darah.

Sayangnya, karbon monoksida juga dapat berikatan dengan hemoglobin dalam konfigurasi yang sangat stabil, menghalangi oksigen dan menyebabkan sel mati lemas. Karbon monoksida melakukan ini dengan cepat, membuat paparannya sangat berbahaya, karena merupakan gas beracun, tidak terlihat dan tidak berbau.

Hemoglobin tidak hanya ditemukan pada mamalia. Bahkan ada sejenis hemoglobin dalam kacang-kacangan, yang disebut leghemoglobin. Para ilmuwan berpikir ini membantu bakteri memperbaiki nitrogen di akar kacang-kacangan. Ini memiliki kemiripan dengan hemoglobin manusia, terutama karena asam amino histidinnya yang mengikat besi.

Seperti disebutkan di atas, struktur hemoglobin berubah dengan adanya oksigen. Pada orang yang sehat, adalah normal untuk memiliki beberapa perbedaan individu dalam struktur utama konfigurasi asam amino hemoglobin. Variasi genetik dalam populasi menampakkan diri ketika ada masalah dengan struktur hemoglobin.

Di anemia sel sabit, mutasi pada urutan asam amino menyebabkan penggumpalan hemoglobin terdeoksigenasi. Ini mengubah bentuk sel darah merah hingga menyerupai bentuk sabit atau bulan sabit.

Variasi genetik ini terbukti dapat merusak. Sel darah merah sel sabit rentan terhadap kerusakan dan kehilangan hemoglobin. Hal ini pada gilirannya menyebabkan anemia, atau zat besi yang rendah. Individu dengan hemoglobin sel sabit memang memiliki keuntungan di daerah rawan malaria.

Pada talasemia, heliks alfa tidak diproduksi dengan cara yang sama, yang secara negatif mempengaruhi hemoglobin.

Karena tantangan dalam menyimpan darah dan mencocokkan golongan darah, peneliti mencari cara untuk membuat darah buatan. Pekerjaan terus membuat jenis hemoglobin baru, seperti satu dengan dua residu glisin yang membuatnya tetap terikat bersama dalam larutan, bukannya terlepas tanpa adanya sel darah merah pelindung.

Mengetahui empat tingkat struktur protein dalam hemoglobin membantu para ilmuwan menemukan cara untuk lebih memahami fungsinya. Pada gilirannya, ini dapat mengarah pada penargetan baru obat-obatan dan perawatan medis lainnya di masa depan.