STRUKTUR DAN FUNGSI HEMOGLOBIN DAN MIOGLOBIN

A.       Struktur Hemoglobin

Hemoglobin adalah metaloprotein pengangkut oksigen yang mengandung besi dalam sel merah dalam darah mamalia dan hewan lainnya. Hemoglobin adalah suatu protein dalam sel darah merah yang mengantarkan oksigen dari paru-paru ke jaringan di seluruh tubuh dan mengambil karbondioksida dari jaringan tersebut dibawa ke paru untuk dibuang ke udara bebas.

Molekul hemoglobin terdiri dari globin, apoprotein, dan empat gugus heme, suatu molekul organik dengan satu atom besi. Mutasi pada gen protein hemoglobin mengakibatkan suatu golongan penyakit menurun yang disebut hemoglobinopati, di antaranya yang paling sering ditemui adalah anemia sel sabit dan talasemia.

Hemoglobin tersusun dari empat molekul protein (globulin chain) yang terhubung satu sama lain. Hemoglobin normal orang dewasa (HbA) terdiri dari 2 alpha-globulin chains dan 2 beta-globulin chains, sedangkan pada bayi yang masih dalam kandungan atau yang sudah lahir terdiri dari beberapa rantai beta dan molekul hemoglobinnya terbentuk dari 2 rantai alfa dan 2 rantai gama yang dinamakan sebagai HbF. Pada manusia dewasa, hemoglobin berupa tetramer (mengandung 4 subunit protein), yang terdiri dari masing-masing dua subunit alfa dan beta yang terikat secara nonkovalen. Subunit-subunitnya mirip secara struktural dan berukuran hampir sama. Tiap subunit memiliki berat molekul kurang lebih 16,000 Dalton, sehingga berat molekul total tetramernya menjadi sekitar 64,000 Dalton.

Pada pusat molekul terdapat cincin heterosiklik yang dikenal dengan porfirin yang menahan satu atom besi; atom besi ini merupakan situs/loka ikatan oksigen. Porfirin yang mengandung besi disebut heme Tiap subunit hemoglobin mengandung satu heme, sehingga secara keseluruhan hemoglobin memiliki kapasitas empat molekul oksigen. Pada molekul heme inilah zat besi melekat dan menghantarkan oksigen serta karbondioksida melalui darah, zat ini pula yang menjadikan darah kita berwarna merah.

   

Hemoglobin juga berperan penting dalam mempertahankan bentuk sel darah yang bikonkaf, jika terjadi gangguan pada bentuk sel darah ini, maka keluwesan sel darah merah dalam melewati kapiler jadi kurang maksimal. Hal inilah yang menjadi alasan mengapa kekurangan zat besi bisa mengakibatkan anemia. Nilai normal hemoglobin adalah sebagai berikut :

Anak-anak              11 – 13 gr/dl

Lelaki dewasa        14 – 18 gr/dl

Wanita dewasa       12 – 16 gr/dl

Jika nilainya kurang dari nilai diatas bisa dikatakan anemia, dan apabila nilainya kelebihan akan mengakibatkan polinemis.

B.       Struktur Mioglobin

Mioglobin (BM 16700, disingkat Mb) merupakan protein pengikat oksigen yang relatif sederhana, ditemukan dalam konsentrasi yang besar pada tulang dan otot jantung, membuat jaringan ini berwarna merah yang berfungsi sebagai penyimpan oksigen dan sebagai pembawa oksigen yang meningkatkan laju transpor oksigen dalam sel otot. Mamalia yang menyelam seperti ikan paus yang menyelam dalam waktu lama, memiliki mioglobin dalam konsentrasi tinggi dalam ototnya. Protein seperti mioglobin juga banyak ditemukan pada organisme sel tunggal. Mioglobin merupakan polipeptida tunggal dengan 153 residu asam amino dan satu molekul heme. Komponen protein dari mioglobin yang disebut globin, merupakan rantai polipeptida tunggal yang berisi delapan α-heliks (Gambar 1). Sekitar 78% residu asam amino dari protein ditemukan dalam α-heliks ini.

Gambar 1. Struktur mioglobin. Segmen delapan α-heliks (terlihat sebagai silinder) diberi label A sampai H. Residu non heliks pada lipatan diberi label AB, CD, EF dan seterusnya menandakan segmen yang disambung. Heme terikat pada ruang yang terbentuk oleh heliks E dan F, meskipun residu asam amino dari segmen lain juga berpartisipasi

Lipatan rantai globin membentuk celah yang hampir terisi gugus heme. Heme bebas [Fe2+] mempunyai afinitas tinggi terhadap O2 dan dioksidasi searah membentuk hematin [Fe3+]. Hematin tidak dapat mengikat O2. Interaksi nonkovalen antara sisi asam amino rantai dan cincin porfirin nonpolar yang mengandung celah sisi ikat oksigen meningkatkan afinitas heme terhadap O2. Peningkatan afinitas melindungi Fe2+ dari oksidasi dan memungkinkan pengikatan oksigen yang reversibel. Semua asam amino yang berinteraksi dengan heme nonpolar kecuali dua histidin, yang berikatan langsung dengan atom besi heme dan histidin yang lain menstabilkan sisi ikat oksigen. Ketika oksigen terikat pada heme bebas, aksis dari molekul oksigen posisinya pada sudut ikatan Fe-O (Gambar 2a), berlawanan dengan hal ini, ketika CO2 berikatan dengan heme bebas Fe, C dan O berada pada garis lurus (Gambar 2b). Kedua kasus tersebut mencerminkan geometri orbital hibridisasi masing-masing ligan. Pada mioglobin, His64 (His E7), pada sisi ikat O2 heme, terlalu jauh untuk berkoordinasi dengan heme besi, tetapi berinteraksi dengan ligan yang terikat pada heme. Residu ini disebut distal his, yang tidak berefek pada pengikatan oksigen (Gambar 2c) tetapi dapat menghalangi pengikatan linier CO, menjelaskan pengurangan pengikatan CO ke heme.

Gambar 2. Efek sterik pengikatan ligan ke heme pada mioglobin. (a) Oksigen terikat pada heme dengan O2 (b) Karbon dioksida terikat pada heme bebas. (c) Ilustrasi yang memperlihatkan susunan residu asam amino mengelilingi heme mioglobin. Pengikatan O2 merupakan ikatan hidrogen pada distal His, His E7 (His64), yang memfasilitasi pengikatan O2

C.       Fiksasi Oksigen

Protein yang merupakan penyusun darah yang berperan mengikat oksigen adalah mioglobin. Mioglobin tidak cocok sebagai protein pengangkut oksigen, tetapi efektif sebagai protein penyimpan oksigen. Mioglobin pada jaringan otot merah mengikat oksigen yang dalam keadaan kekurangan oksigen akan dilepas sehingga bisa digunakan oleh mitokondria otot untuk sintesis ATP yang bergantung oksigen. Mioglobin yang teroksigenasi, molekulo oksigen menempati posisi koordinasi keenam dari atom besi dan juga gerakan His F8 serta residu yang secara kovalen berikatan dengan His F8 ke arah bidang cincin. Gerakan ini menimbulkan konformasi baru untuk bagian-bagian protein.

Ketika O₂ berikatan dengan mioglobin, ikatan antara satu molekul oksigen dengan Fe²⁺ berada tegak lurus terhadap bidang heme.  Molekul O₂ kedua berikatan dengan sudut 121^o terhadap bidang heme dan terarah menjauhi histidin distal. Pengikiatan oksigen disertai dengan putusnya ikatan garam anatar residu terminal karboksil pada keseluruhan subunit. Pengikatan O2 selanjutnya dipermudah karena jumlah ikatan garam yang putus menjadi lebih sedikit. Perubahan ini mempengaruhi struktur hemoglobin. Satu pasang sub unit α/ mengadakan rotasi terhadap pasangan α/ lain, sehingga menempatlkan tentramer dan meningkatkan afinitas heme terhadap O₂.

   Saat oksigenasi, atom besi deoksihemoglobin bergerak ke dalam bidang cincin heme. Gerakan ini diteruskan pada histidin proximal, yang bergerak menuju bidang cincin dan dan pada residu asam amino yang melekat pada his F8. Oksigen yang telah terlepas dari hemoglobin menuju ke jaringan, hemoglobin kemudian mengamgkut CO2 dan proton ke dalam paru.

Ketika O₂ berikatan dengan mioglobin, ikatan antara satu molekul oksigen dengan Fe²⁺ berada tegak lurus terhadap bidang heme. Molekul O₂ kedua berikatan dengan sudut 121 derajat terhadap bidang heme dab terarah menjauhi istidin distal.

     Hemoblobin

Pengikatan O₂ disertai dengan putusnya ikatan garam antara residu terminal karboksil pada keseluruhan empat sub unit. Pengikatan O₂ berikutnya dipermudah karena jumlah ikatan garam yang putus menjadi lebih sedikit. Perubahan ini juga sangat mempengaruhi struktur sekunder, tersier, dan kwartener hemoglobin. Satu pasang subunit α/β mengadakan rotasi terhadap pasangan α/β yang lain sehingga memampatkan tetramer tersebut dan meningkatkan afinitas heme terhadap O₂.

Struktur kuartener hemoglobin yang teroksigenasi-sebagian dinyatakan sebagai status-T (taut, tegang) dan struktur kuartener hemoglobin yang teroksigenasi (HbO₂) sebagai status R (rileks). R dan T juga digunakan untuk mencirikan struktur kuartener enzim alosterik, dengan status T memiliki afinitas substrat yang lebih rendah.

Saat oksigenasi, atom besi deoksihemoglobin bergerak ke dalam bidang cincin heme. Gerakan ini diteruskan pada histidin proksimal (F8), yang bergerak menuju bidang cincin, dan pada residuasam amino yan melekat pada His F8.