Protein adalah molekul besar dan kompleks yang melakukan beragam fungsi dalam organisme hidup. Fungsinya terkait erat dengan strukturnya, yang disusun dalam empat tingkatan berbeda: primer, sekunder, tersier, dan kuaterner.
Empat Tingkat Struktur Protein
Struktur Utama
Struktur primer adalah urutan linier asam amino dalam rantai polipeptida. Setiap protein memiliki urutan unik yang ditentukan oleh gen terkait. Bahkan perubahan asam amino tunggal pun dapat mengubah fungsi protein, seperti yang terlihat pada anemia sel sabit di mana satu valin menggantikan asam glutamat.
Struktur Sekunder
Struktur sekunder mengacu pada struktur lipatan lokal yang terbentuk dalam rantai polipeptida karena ikatan hidrogen antara atom-atom tulang punggung. Dua jenis yang paling umum adalah alfa-heliks, kumparan tangan kanan yang distabilkan oleh ikatan hidrogen antara setiap asam amino keempat, dan lembaran beta, struktur datar dan berlipat yang dibentuk oleh ikatan hidrogen antara segmen polipeptida berdekatan yang berjalan paralel atau antiparalel.
Struktur Tersier
Struktur tersier adalah keseluruhan bentuk tiga dimensi dari rantai polipeptida tunggal. Ia distabilkan oleh beberapa jenis interaksi antara rantai samping: interaksi hidrofobik (rantai samping nonpolar berkumpul di bagian dalam protein), ikatan hidrogen antara rantai samping polar, ikatan ionik antara rantai samping yang bermuatan berlawanan, dan jembatan disulfida (ikatan kovalen antara residu sistein).
Struktur Kuarter
Struktur kuaterner menggambarkan bagaimana beberapa rantai polipeptida berkumpul menjadi kompleks protein fungsional. Hemoglobin, misalnya, terdiri dari empat subunit polipeptida – dua rantai alfa dan dua rantai beta – yang bekerja sama untuk mengangkut oksigen.
Pelipatan Protein
Protein melipat ke dalam struktur tiga dimensi aslinya secara spontan atau dengan bantuan molekul pendamping. Protein yang salah lipatan dapat membentuk agregat dan berhubungan dengan penyakit seperti Alzheimer dan Parkinson.
Penentuan dan Visualisasi Struktur Protein Praktis
Tiga metode eksperimental utama menentukan struktur protein pada resolusi atom. Kristalografi sinar-X memerlukan protein dengan kemurnian tinggi (>95%) yang terkonsentrasi hingga 5–20 mg/mL. Kondisi kristalisasi layar menggunakan kit matriks renggang (misalnya, Hampton Research) dengan uji difusi uap 96 sumur. Optimalkan hit dengan memvariasikan pH, konsentrasi pengendapan, dan suhu. Pasang kristal berkualitas difraksi (0,1–0,5 mm) dalam cryo-loop, flash-cool pada 100 K dalam nitrogen cair, dan kumpulkan data difraksi pada garis pancaran sinkrotron. Memproses data dengan XDS atau iMosflm, menyelesaikan masalah fase dengan penggantian molekul (Phaser) menggunakan struktur homolog, membangun model di Coot, dan menyempurnakannya dengan phenix.refine. Resolusi target: <3,0 Å; struktur yang baik memiliki Rwork/Rfree <0,20/0,25. Spektroskopi resonansi magnetik nuklir (NMR) berfungsi untuk protein kecil (<30 kDa) pada konsentrasi 0,5–1 mM dalam 10% D2O. Rekam 2D ¹⁵N-HSQC, spektrum resonansi rangkap tiga 3D (HNCA, HNCO, CBCA(CO)NH), dan NOESY untuk pembatasan jarak. Tetapkan resonansi tulang punggung secara manual atau menggunakan perangkat lunak otomatis (misalnya, CARA, NMRFAM-SPARKY). Hitung struktur dari batasan jarak dan sudut dihedral yang diturunkan dari NOE menggunakan CYANA atau Xplor-NIH. Mikroskopi krio-elektron (cryo-EM) adalah metode pilihan untuk kompleks besar (>150 kDa). Oleskan 3 µL sampel (0,1–1 mg/mL) ke dalam kotak karbon berlubang yang mengeluarkan cahaya, keringkan selama 3–4 detik, dan bekukan dalam etana cair. Kumpulkan film di Titan Krios pada 300 kV dengan detektor K2 atau K3. Proses dengan RELION atau CryoSPARC melalui koreksi gerakan, estimasi CTF, pengambilan partikel (klasifikasi 2D), rekonstruksi ab initio, klasifikasi 3D, dan penyempurnaan resolusi tinggi. Untuk visualisasi struktur, gunakan PyMOL atau ChimeraX untuk memuat file PDB. Tampilkan protein dalam bentuk kartun (pewarnaan struktur sekunder), permukaan (potensi elektrostatik), atau batang (residu situs aktif). Mengukur jarak, sudut, dan ikatan hidrogen antar atom.
Aplikasi Dunia Nyata
Protein lonjakan SARS-CoV-2 (ektodomain 150 kDa) dipecahkan dengan resolusi cryo-EM hingga 3,3 Å dalam beberapa bulan setelah terjadinya pandemi. Struktur tersebut mengungkapkan domain pengikat reseptor (RBD) dalam konformasi “naik” yang terikat pada ACE2, sehingga memungkinkan desain vaksin berbasis struktur. Visualisasi PyMOL dari antarmuka RBD-ACE2 mengidentifikasi residu kontak utama (K417, N501, Y453), yang memandu pengembangan antibodi penetralisir.
