Mioglobin dan hemoglobin: perbandingan struktur dan fungsi
Mioglobin adalah protein kompleks pada jaringan otot dengan struktur tersier tingkat lanjut, terdiri dari satu rantai polipeptida dan mengandung satu hem (satu pusat aktif). Hemoglobin memiliki struktur kuartener: empat protomer (dua rantai α-globin dan dua rantai β-globin) dan empat hem, yaitu empat pusat aktif.
Mioglobin memiliki afinitas tinggi terhadap oksigen dan mengikatnya secara kuat, serta hanya melepaskannya saat terjadi hipoksia jaringan yang nyata. Hemoglobin memiliki afinitas yang lebih rendah dan menjalankan fungsi transpor: membawa O₂ dari paru-paru ke jaringan dan CO₂ dari jaringan ke paru-paru. Afinitas hemoglobin terhadap oksigen dapat diregulasi, sedangkan mioglobin tidak.
Hemoglobin adalah protein domain oligomerik: setiap subunitnya disebut protomer, dan di bagian tengah molekul terdapat rongga alosterik. Mioglobin adalah protein non-oligomerik.
Struktur hem dan peran histidin
Struktur sekunder rantai globin direpresentasikan oleh delapan α-heliks (A–H). Hem terletak di dalam kantong hidrofobik di antara heliks F dan E, dan difiksasi oleh dua histidin kunci.
Hem itu sendiri adalah cincin porfirin yang terdiri dari empat cincin pirol, yang atom nitrogennya membentuk ikatan koordinasi dengan atom pusat besi Fe²⁺. Substituen samping cincin tersebut adalah gugus vinil, metil, dan propionil.
- His F8 (proksimal) — membentuk ikatan koordinasi dengan besi hem, memfiksasinya di dalam protein.
- His E7 (distal) — memastikan orientasi molekul O₂ yang benar di dalam kantong dan meningkatkan afinitas hem terhadap oksigen relatif terhadap karbon monoksida (CO), sehingga menurunkan risiko keracunan.
Lingkungan hidrofobik hem mencegah masuknya air, yang mencegah oksidasi Fe²⁺ menjadi Fe³⁺ (methemoglobin) yang tidak mampu mengikat oksigen. Saat O₂ bergabung, His F8 «menarik» kembali besi ke dalam bidang porfirin — gerakan ini memicu perubahan kooperatif.
Pengikatan oksigen kooperatif
Regulasi afinitas hemoglobin terhadap O₂ dimulai dengan perubahan konformasi protomer secara kooperatif. Saat molekul oksigen pertama berikatan, protomer yang bersesuaian mengubah konformasinya dan mempermudah pengikatan O₂ oleh protomer di sebelah. Setiap molekul berikutnya berikatan dengan lebih mudah: pengikatan molekul keempat terjadi sekitar 300 kali lebih mudah daripada molekul pertama.
Pelepasan oksigen terjadi dengan cara yang serupa: semakin banyak O₂ yang telah dilepaskan, semakin mudah molekul berikutnya dilepaskan. Hal ini menghasilkan kurva disosiasi berbentuk huruf S yang khas dan memastikan pengiriman oksigen yang efisien ke jaringan.
Efek Bohr dan regulasi 2,3-BPG
Efek Bohr: semakin terprotonasi hemoglobin, semakin mudah ia melepaskan oksigen. Di dalam jaringan dengan metabolisme aktif, terbentuk CO₂ yang bersama air menghasilkan asam karbonat, yang terdisosiasi menjadi H⁺ dan HCO₃⁻. Akumulasi proton dan pengasaman lingkungan menstabilkan bentuk deoksi hemoglobin dan mempermudah pelepasan O₂. CO₂ tambahan berikatan dengan gugus ujung-N protomer, membentuk karbaminohemoglobin.
Di dalam rongga alosterik sentral hemoglobin, 2,3-bisfosfogliserat (2,3-BPG) berikatan — metabolit antara yang terbentuk di dalam eritrosit melalui jalur Rapoport. Sintesisnya meningkat saat terjadi hipoksia. Dengan berikatan pada rongga sentral, 2,3-BPG menurunkan afinitas hemoglobin terhadap oksigen dan mempermudah pelepasannya ke jaringan.
Hemoglobin fetal (HbF) mengikat 2,3-BPG dengan lemah, sehingga memiliki afinitas yang meningkat terhadap O₂, yang esensial untuk transpor oksigen melalui plasenta dari ibu ke janin.
Denaturasi dan chaperon
Denaturasi — gangguan pada struktur kuartener, tersier, dan terkadang sekunder protein dengan tetap mempertahankan struktur primer. Bersifat reversibel (dengan kemampuan kembali ke konformasi natif) maupun ireversibel.
- Suhu tinggi — merusak ikatan hidrogen.
- Asam dan basa — merusak ikatan hidrogen dan ionik.
- Alkohol, fenol, urea — merusak terutama ikatan hidrogen.
Di dalam sel berfungsi chaperon, yang mencegah denaturasi dan mendukung pelipatan (folding) yang benar. Terdapat chaperon konstitutif (hadir secara konstan) dan induksibel, misalnya protein kejutan panas (HSP), yang sintesisnya meningkat sebagai respons terhadap stres.
Anemia sel sabit
Anemia sel sabit (HbS) — hemoglobinopati herediter yang disebabkan oleh mutasi titik pada gen β-globin: pada posisi keenam rantai polipeptida, asam glutamat (bermuatan negatif, hidrofilik) digantikan oleh valin (hidrofobik, tidak bermuatan).
Kemunculan residu hidrofobik pada permukaan molekul menciptakan situs komplementer tempat molekul HbS yang terdeoksigenasi beragregasi menjadi serat panjang. Hal ini mendeformasi eritrosit, memberikan bentuk sabit pada sel-sel tersebut, serta merusak elastisitas dan plastisitas membran.
- Eritrosit berbentuk sabit sulit melewati kapiler, memicu mikrotrombosis dan iskemia jaringan.
- Durasi hidupnya berkurang, yang berujung pada anemia hemolitik dan hipoksia kronis.
- Penamaan bentuk: HbA — hemoglobin dewasa normal, HbF — fetal, HbS — sel sabit.
Frekuensi mutasi yang tinggi di negara-negara Afrika dijelaskan oleh keuntungan selektif pada pembawa heterozigot di daerah endemik malaria: Plasmodium malariae lebih sulit berkembang biak di dalam eritrosit sabit, yang hancur lebih cepat sehingga parasit tidak dapat menyelesaikan siklus perkembangannya.
Poin-Poin Utama
- Mioglobin adalah monomer dengan satu hem dan afinitas tinggi terhadap O₂; hemoglobin adalah tetramer (2α + 2β) dengan empat hem dan fungsi transpor.
- Hem difiksasi di dalam kantong di antara heliks F dan E; His F8 mengikat Fe²⁺, His E7 mengorientasikan O₂ dan menurunkan afinitas terhadap CO.
- Pengikatan O₂ secara kooperatif memastikan kurva disosiasi berbentuk S dan pengiriman oksigen yang efisien ke jaringan.
- Efek Bohr: H⁺ dan CO₂ menurunkan afinitas hemoglobin terhadap O₂, mempermudah pelepasannya di jaringan yang aktif.
- 2,3-BPG berikatan di dalam rongga sentral dan mengurangi afinitas terhadap O₂; kadarnya meningkat saat hipoksia.
- Hemoglobin fetal HbF mengikat 2,3-BPG dengan lemah dan memiliki afinitas yang lebih tinggi terhadap O₂.
- HbS — substitusi Glu6→Val pada rantai β, yang memicu agregasi hemoglobin dan deformasi sel sabit pada eritrosit.
- Heterozigositas terhadap HbS memberikan resistensi terhadap malaria, yang menjelaskan tingginya frekuensi mutasi di Afrika.