Peptida dan Ikatan Peptida: Rantai yang Menyatukan Asam Amino

Kalau asam amino adalah bata, maka peptida adalah tembok pertama yang tersusun darinya. Uniknya, tembok ini tidak bisa dibengkokkan sembarangan, karena ikatan yang menyatukan setiap bata itu punya sifat kaku yang khas, jauh berbeda dari ikatan kimia biasa yang bebas berputar ke segala arah.

Pada artikel sebelumnya, kita sudah mengenal struktur dasar asam amino, gugus R yang membedakannya, isomer L dan D, hingga sifat asam-basanya. Kini saatnya melihat apa yang terjadi ketika asam amino-asam amino itu saling menyambung: bagaimana ikatan peptida terbentuk, mengapa ikatan ini begitu kaku dan setengah datar, bagaimana cara menamai rangkaian asam amino yang terbentuk, hingga beberapa peptida unik di alam yang justru “melanggar” aturan baku. Pembahasan tentang protein secara utuh, termasuk struktur sekunder, tersier, dan kuarternernya, akan dikupas tuntas di artikel berikutnya.

Daftar Isi

1. Apa Itu Peptida dan Bagaimana Ia Terbentuk?
2. Tata Nama Peptida: dari Residu hingga Urutan Asam Amino
3. Rahasia Kekakuan Ikatan Peptida: Warisan Penemuan Pauling
4. Konfigurasi Cis dan Trans: Pengecualian Prolina
5. Ketika Peptida Melanggar Aturan: Ikatan Non-Alfa dan Asam Amino D
6. Dari Peptida Menuju Protein

________________

1. Apa Itu Peptida dan Bagaimana Ia Terbentuk?

Peptida adalah rantai pendek yang tersusun dari beberapa asam amino yang saling menyambung lewat ikatan kimia. Bergantung pada jumlah asam amino penyusunnya, rantai ini punya sebutan berbeda-beda: rantai dengan sekitar 10 sampai 20 asam amino disebut oligopeptida (dari bahasa Yunani oligos, sedikit), sementara rantai yang jauh lebih panjang disebut polipeptida. Batas kasar sebelum sebuah polipeptida layak disebut “protein” biasanya ditarik di sekitar 50 residu asam amino, meski batas ini lebih merupakan kesepakatan praktis ketimbang aturan alam yang kaku (Nelson & Cox, 2013). Yang jelas, semakin panjang rantainya, semakin rumit pula bentuk tiga dimensi yang bisa dibentuknya.

Meski ukurannya kecil, peptida punya peran besar dalam tubuh makhluk hidup. Sistem neuroendokrin, misalnya, memakai peptida-peptida pendek sebagai hormon, faktor pelepas hormon, neuromodulator, sampai neurotransmiter (Kennelly & Rodwell, 2018). Artinya, molekul sekecil ini bisa ikut mengatur suasana hati, rasa lapar, siklus tidur, bahkan respons stres kita, jauh sebelum ia sempat “naik pangkat” menjadi protein besar yang biasa kita bayangkan. Beberapa peptida bahkan tidak pernah menjadi protein sama sekali; ia tetap bekerja sebagai molekul sinyal pendek sepanjang “masa hidupnya” di dalam tubuh.

Beberapa peptida bahkan jadi andalan dunia medis dan riset. Antibiotik seperti basitrasin dan gramisidin A, serta obat antikanker bleomisin, sebenarnya adalah peptida-peptida hasil kerja mikroorganisme (Kennelly & Rodwell, 2018). Tapi tidak semua peptida mikroba berniat baik: peptida sianobakteri seperti mikrosistin dan nodularin justru bersifat racun, mematikan dalam dosis besar, dan dalam dosis kecil sekalipun bisa memicu pertumbuhan tumor hati. Dunia peptida, ternyata, punya dua sisi yang sama kuatnya: menyembuhkan sekaligus mengancam.

Lalu, bagaimana asam amino-asam amino ini benar-benar saling menyambung? Jawabannya lewat reaksi kondensasi, yaitu reaksi kimia yang menggabungkan dua molekul sambil melepaskan satu molekul air. Gugus karboksil (–COOH) pada satu asam amino bereaksi dengan gugus amina (–NH₂) pada asam amino berikutnya, membentuk ikatan amida yang menyatukan keduanya (Ustunol, 2015). Karena air yang dilepaskan, reaksi ini sering disebut juga reaksi dehidrasi, kebalikan dari reaksi hidrolisis yang justru memakai air untuk memutus ikatan yang sudah terbentuk.

Ujung-ujung rantai peptida yang terbentuk pun punya nama khusus. Ujung yang masih menyisakan gugus amina bebas disebut ujung-N atau N-terminal, sementara ujung yang menyisakan gugus karboksil bebas disebut ujung-C atau C-terminal. Menariknya, para ilmuwan sudah lebih dulu sepakat menuliskan struktur peptida selalu dimulai dari ujung-N di sebelah kiri, jauh sebelum diketahui bahwa peptida di dalam tubuh memang benar-benar disintesis mulai dari residu ujung-amino (Kennelly & Rodwell, 2018). Kadang, kesepakatan ilmiah bisa lebih dulu ada sebelum buktinya benar-benar ditemukan. Kebetulan kali ini, tebakan para ilmuwan ternyata tepat.

2. Tata Nama Peptida: dari Residu hingga Urutan Asam Amino

Begitu berikatan dalam sebuah peptida, asam amino tidak lagi disebut asam amino “bebas”: namanya berubah menjadi residu, istilah yang menunjukkan bahwa sebagian struktur aslinya sudah “dikorbankan” demi membentuk ikatan. Penamaannya pun ikut berubah: akhiran -ina atau -at pada asam amino bebas diganti dengan akhiran -il, misalnya alanin menjadi alanil, glisin menjadi glisil, dan tirosin menjadi tirosil (Kennelly & Rodwell, 2018). Perubahan akhiran kecil ini sebenarnya punya makna besar: ia menandai bahwa gugus karboksil residu tersebut sudah dipakai untuk berikatan dengan residu berikutnya. Standar penamaan dan simbol semacam ini bukan kesepakatan sembarangan; badan gabungan International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) dan International Union of Biochemistry (IUB) sudah menetapkannya secara resmi, sehingga ilmuwan di seluruh dunia memakai penulisan yang seragam (Ustunol, 2015).

Peptida kemudian dinamai sebagai turunan dari residu karboksil-terminal, yaitu residu paling ujung yang masih membawa gugus karboksil bebas dan karena itu tetap mempertahankan akhiran aslinya. Sebagai contoh, rangkaian Lys-Leu-Tyr-Gln disebut lisil-leusil-tirosil-glutamin. Perhatikan bahwa hanya residu terakhir, glutamin, yang tidak berubah akhirannya. Aturan penamaan ini konsisten dipakai berapa pun panjang rantainya, dari tripeptida sederhana sampai polipeptida yang tersusun dari puluhan residu.

Dalam praktiknya, menuliskan nama penuh setiap residu tentu merepotkan, sehingga para ilmuwan lebih sering memakai singkatan. Struktur peptida biasa ditulis memakai singkatan tiga huruf yang dihubungkan garis (Glu–Ala–Lys–Gly–Tyr–Ala), atau singkatan satu huruf tanpa garis penghubung (EAKGYA) untuk peptida atau protein yang sangat panjang. Untuk menyebut jumlah residu secara ringkas, dipakai juga awalan seperti tri- (tiga residu) atau okta- (delapan residu), sehingga istilah “tripeptida” langsung memberi tahu pembaca bahwa molekul tersebut tersusun dari tiga asam amino (Kennelly & Rodwell, 2018).

Urutan dan jumlah residu semacam inilah yang disebut struktur primer suatu peptida atau protein (Kennelly & Rodwell, 2018). Sekilas terdengar sederhana, tapi struktur primer inilah cetak biru yang menentukan bagaimana rantai peptida nantinya melipat menjadi bentuk tiga dimensi yang jauh lebih rumit. Mengubah bahkan satu residu saja bisa mengubah total sifat dan fungsi molekul akhir, sebuah topik yang akan kita telusuri lebih jauh saat membahas protein.

3. Rahasia Kekakuan Ikatan Peptida: Warisan Penemuan Pauling

Di sinilah letak keunikan sejati ikatan peptida, sekaligus bagian yang paling sering disalahpahami. Kalau digambar di buku teks, ikatan antara karbon karbonil dan nitrogen alfa biasanya terlihat seperti ikatan tunggal biasa, jenis ikatan yang lazimnya bebas berputar ke segala arah. Namun kenyataan kimianya jauh lebih menarik: ikatan ini punya karakter ikatan rangkap parsial akibat delokalisasi elektron, yaitu ketika elektron yang seharusnya “milik” satu ikatan justru tersebar ke beberapa atom sekaligus lewat fenomena yang disebut resonansi (Ustunol, 2015).

Pemahaman ini bukan tebakan asal-asalan, melainkan hasil kerja keras ahli kimia kenamaan Linus Pauling bersama koleganya, Robert Corey dan Herman Branson, pada awal 1950-an. Lewat analisis struktur kristal protein yang teliti, mereka menunjukkan bahwa empat atom penyusun ikatan peptida, yaitu oksigen, karbon, nitrogen, dan hidrogen, selalu berada dalam satu bidang datar yang sama, kondisi yang disebut koplanar, dengan jarak antar-karbon alfa yang berdekatan terukur konsisten sekitar 0,36 nanometer (Pauling, Corey, & Branson, 1951). Temuan yang tampak sederhana ini ternyata jadi kunci penting: tanpa memahami kekakuan ikatan peptida, mustahil menjelaskan bagaimana protein bisa melipat menjadi struktur heliks yang rapi seperti α-heliks yang mereka usulkan di tahun yang sama.

Konsekuensi dari karakter ikatan rangkap parsial ini besar: ikatan karbon-nitrogen tidak bisa berputar bebas, karena berputar berarti memutus sebagian karakter ikatan rangkapnya. Bayangkan rantai polipeptida seperti rangkaian ubin datar yang disambung dengan engsel hanya di titik-titik tertentu. Bidang datar tiap ikatan peptida ini tidak bisa ditekuk, tapi engselnya, yaitu ikatan di kedua sisi karbon alfa, masih bebas berputar, meski gerakannya turut dibatasi oleh benturan antar gugus R di sekitarnya (Ustunol, 2015). Secara keseluruhan, sekitar dua pertiga atom penyusun rangka utama polipeptida berada dalam hubungan bidang datar yang tetap semacam ini, menjadikan rantai polipeptida sebagai struktur yang disebut semirigid, alias kaku sebagian (Kennelly & Rodwell, 2018).

Sudut putar di kedua sisi karbon alfa ini punya nama sendiri dalam biokimia: sudut phi (φ) untuk putaran di sisi nitrogen, dan sudut psi (ψ) untuk putaran di sisi karbon karbonil. Kombinasi kedua sudut inilah yang menentukan arah lekukan rantai polipeptida di setiap titik, ibarat kombinasi sudut siku dan pergelangan tangan yang menentukan ke mana lengan robot bisa bergerak. Kekakuan sebagian pada ikatan peptida justru penting di sini: tanpa batasan ini, rantai polipeptida akan terlalu lentur dan sulit melipat menjadi bentuk tiga dimensi yang stabil, sebuah fondasi yang akan kita bahas lebih jauh saat membahas struktur protein di artikel berikutnya.

Karakter rangkap parsial ini juga punya efek tambahan yang tak kalah penting. Delokalisasi elektron membuat atom oksigen pada gugus karbonil (C=O) sedikit bermuatan negatif, sementara atom hidrogen pada gugus N–H sedikit bermuatan positif (Ustunol, 2015). Perbedaan muatan parsial inilah yang membuat kedua gugus tersebut mampu membentuk ikatan hidrogen satu sama lain, jenis interaksi lemah namun berjumlah sangat banyak yang nantinya menjadi salah satu perekat utama saat rantai polipeptida melipat menjadi struktur tiga dimensi yang stabil.

4. Konfigurasi Cis dan Trans: Pengecualian Prolina

Ada satu detail geometris lagi yang membuat ikatan peptida makin menarik untuk dicermati: orientasi cis dan trans. Dalam konfigurasi trans, dua gugus R dari residu yang berdekatan berada di sisi yang berlawanan pada bidang datar ikatan peptida, sementara dalam konfigurasi cis keduanya berada di sisi yang sama sehingga saling berdekatan dan berpotensi bertabrakan. Hampir seluruh ikatan peptida di alam memilih bentuk trans, karena susunan ini jauh lebih stabil secara energi dan meminimalkan benturan antar gugus R yang letaknya berdekatan (Ustunol, 2015). Bentuk trans inilah yang biasanya digambarkan di buku teks ketika membahas struktur rantai polipeptida.

Rotasi di sekitar ikatan peptida itu sendiri sebenarnya tidak sepenuhnya nol, hanya sangat dibatasi hingga maksimal sekitar 6 derajat saja, sudut yang dalam biokimia disebut sudut omega (ω) (Ustunol, 2015). Angka sekecil ini menegaskan betapa kakunya ikatan peptida dibanding ikatan tunggal biasa yang bisa berputar penuh 360 derajat tanpa hambatan berarti. Kekakuan inilah yang membuat rantai polipeptida berperilaku seperti rangkaian bidang datar yang saling terhubung dengan engsel-engsel terbatas, bukan seperti seutas benang bebas yang bisa melengkung ke arah mana saja.

Tapi ada satu pengecualian menarik dalam soal ini: prolina. Karena strukturnya yang berbentuk cincin, yang sudah kita singgung di artikel sebelumnya sebagai satu-satunya asam amino dengan gugus imina alih-alih gugus amina biasa, ikatan peptida yang melibatkan prolina jauh lebih mudah mengambil konfigurasi cis dibanding ikatan peptida asam amino lainnya (Ustunol, 2015). Titik-titik prolina yang mengambil konfigurasi cis ini kerap menjadi lokasi lekukan tajam yang krusial bagi bentuk akhir suatu protein, semacam titik engsel khusus yang memungkinkan rantai panjang berbelok secara ekstrem tepat di tempat yang dibutuhkan. Detail lebih jauh tentang bagaimana lekukan-lekukan kecil semacam ini ikut menentukan bentuk akhir protein akan kita bahas tuntas pada artikel berikutnya.

5. Ketika Peptida Melanggar Aturan: Ikatan Non-Alfa dan Asam Amino D

Sebagian besar peptida di tubuh manusia, termasuk hormon-hormon peptida yang kita singgung di awal, tersusun dari 20 asam amino standar yang terhubung lewat ikatan peptida alfa biasa. Tapi alam rupanya senang membuat pengecualian menarik. Glutathione, tripeptida yang berperan penting dalam menetralkan racun dan menjaga kestabilan ikatan disulfida di dalam sel, justru menyambungkan glutamat ke sistein lewat ikatan non-alfa, yaitu ikatan yang terbentuk dari gugus karboksil pada rantai samping glutamat, bukan dari gugus karboksil utamanya (Kennelly & Rodwell, 2018).

Contoh lain adalah hormon TRH atau thyrotropin-releasing hormone, yang residu glutamat di ujung-N-nya “menutup diri” membentuk struktur cincin bernama asam piroglutamat, sementara ujung-C-nya justru diberi gugus amida tambahan. Modifikasi semacam ini bukan sekadar variasi acak; ia membuat molekul lebih tahan terhadap enzim pemecah protein di dalam tubuh, sehingga hormon bisa bertahan lebih lama sebelum terurai. Bentuk-bentuk modifikasi seperti ini menunjukkan bahwa peptida di alam jauh lebih kreatif dibanding gambaran buku teks yang serba baku.

Selain ikatan non-alfa, ada juga peptida yang berani memakai asam amino bentuk D, kebalikan cermin dari bentuk L yang biasa dipakai tubuh manusia, seperti sudah kita bahas di artikel sebelumnya. Antibiotik peptida siklik seperti tirosidin dan gramisidin S mengandung D-fenilalanin dan ornitin, sementara peptida opioid dermorfin dan deltorfin yang ditemukan di kulit katak pohon Amerika Selatan justru mengandung D-tirosin dan D-alanin (Kennelly & Rodwell, 2018). Fenomena pemakaian D-asam amino oleh mikroorganisme ini sejalan dengan temuan lain: beberapa bakteri bahkan sengaja melepaskan D-asam amino bebas ke lingkungan sekitarnya untuk memicu pembongkaran biofilm, yaitu lapisan pelindung yang mereka bangun sendiri (Kolodkin-Gal, 2010). Pengecualian-pengecualian ini menegaskan satu hal: aturan baku dalam biokimia selalu punya ruang untuk kejutan, dan justru di situlah letak keindahan mempelajarinya.

6. Dari Peptida Menuju Protein

Sampai di sini, kita sudah melihat bagaimana asam amino saling menyambung membentuk peptida: lewat reaksi kondensasi yang melepaskan air, membentuk ikatan yang punya karakter rangkap parsial sehingga kaku dan koplanar (warisan penemuan Pauling dan koleganya di awal 1950-an), diberi nama sistematis dari residu karboksil-terminalnya, hingga mengenal konfigurasi cis dan trans serta pengecualian istimewa pada prolina. Kita juga sudah mengintip beberapa peptida “nakal” yang memakai ikatan non-alfa atau asam amino bentuk D.

Semua sifat ini, yaitu kekakuan sebagian ikatan peptida, kebebasan berputar yang terbatas di sudut phi, psi, dan omega, serta muatan listrik dari ujung-ujung rantai yang membuat peptida bersifat polielektrolit (Ustunol, 2015), akan menentukan bagaimana rantai panjang polipeptida ini melipat menjadi struktur tiga dimensi yang jauh lebih rumit. Proses pelipatan itu sendiri diperkirakan berlangsung hampir bersamaan dengan sintesis rantai polipeptida, dibentuk oleh gabungan urutan asam amino, interaksi nonkovalen seperti ikatan hidrogen dan interaksi hidrofobik, serta upaya meminimalkan benturan antar residu (Kennelly & Rodwell, 2018). Bagaimana proses pelipatan itu menghasilkan struktur sekunder, tersier, dan kuarterner, serta gaya-gaya apa yang menstabilkannya, akan kita bahas tuntas pada artikel berikutnya tentang protein.

Daftar Pustaka

1. Kennelly, P. J., & Rodwell, V. W. (2018). Amino acids & peptides. Dalam Harper’s Illustrated Biochemistry. McGraw-Hill Education.
2. Kolodkin-Gal, I. (2010). D-amino acids trigger biofilm disassembly. Science, 328, 627.
3. Nelson, D. L., & Cox, M. M. (2013). Lehninger Principles of Biochemistry. Worth Publishers.
4. Pauling, L., Corey, R. B., & Branson, H. R. (1951). The structure of proteins: Two hydrogen-bonded helical configurations of the polypeptide chain. Proceedings of the National Academy of Sciences, 37(4), 205–211.
5. Ustunol, Z. (2015). Amino acids, peptides, and proteins. Dalam Z. Ustunol (Ed.), Applied Food Protein Chemistry (hlm. 11–21). John Wiley & Sons.