Peranan Proses Pelipatan Protein Terhadap Penyakit Prion

Oleh : Prof. Madya. Ts. Dr. Tengku Haziyamin Tengku Abdul Hamid
Kulliyah Sains, Universiti Islam Antarabangsa Malaysia, Kampus Kuantan

Protein adalah salah satu bio-makromolekul penting yang mempunyai pelbagai fungsi dalam tubuh. Proses-proses metabolisma dikendalikan oleh enzim-enzim dan semua enzim ini adalah diperbuat daripada protein. Struktur tiga dimensi (3D) protein amat penting dalam ia menjalankan kerja serta fungsinya dan struktur ini diolah dalam empat tahap hierarki (Rajah 1). Stuktur tiga dimensi ini adalah unik dan ia sering dirujuk sebagai struktur asli (natif). Contohnya, stuktur asli amilase, enzim pencerna polisakarida tidak sama dengan struktur asli enzim pencerna lemak lipase. Selain daripada enzim, protein juga berfungsi dalam rangka yang menyokong struktur sel seperti rangka sito dan protein juga membentuk bahan gentian otot. Protein dibina berpandukan maklumat genetik yang disimpan dalam jujukan DNA, dalam proses yang dikenali sebagai translasi menggunakan templat mRNA pada kompleks ribosom. Seperti juga DNA dengan jujukan bes nukelotida, protein mempunyai maklumat dalam jujukan asid-asid amino. Walaubagaimanaun, selain daripada meyimpan maklumat dalam jujukan amino asid, protein itu sendiri menjalankan tugas atau fungsi tertentu berpandukan struktur 3D.

Bagaimana setiap protein memperoleh struktur 3D asli yang diperlukan untuk menjalankan fungsi masing-masing? Sejurus sesudah ia disintesiskan dari mRNA, rantai polipeptida protein yang linear perlu melipat ke bentuk gumpalan 3D tertentu. Rantai polipeptida bermula dengan lingkaran rawak ini sudah tentu mempunyai pelbagai cara atau pilihan untuk melipat. Pelipatan protein ditentukan oleh jujukan amino asid yang terdapat pada rantaian protein. Pada awalnya dipercayai proses pelipatan protein berlaku secara rawak, iaitu rantai seolah-olah mencuba pelbagai konfigurasi lipatan sebelum akhirnya mencapai lipatan akhir. Sebenarnya proses pelipatan protein sehingga kini masih menjadi tanda misteri dikalangan para saintis. Mengikut kiraan, sesuatu rantai linear polipeptida mengambil sedikit masa untuk mecuba sesuatu konfigurasi sehingga konfigurasi sebenar (natif) diperoleh. Tetapi secara realiti, proses pelipatan ke arah konfigurasi natif sebenarnya berlaku pada sela masa yang lebih singkat dan oleh itu, tidak mungkin berlaku secara rawak. Fenomena ini sering dirujuk dikalangan saintis sebagai Paradox pelipatan protein atau Masalah pelipatan protein. Oleh itu, proses pelipatan protein berlaku secara terarah tanpa melalui fasa cubaan atau pemilihan rawak. Apakah yang mendorong rantai protein yang linear ini melipat secara terarah?

Proses pelipatan protein masih menjadi misteri dalam sains

Protein dikatakan melipat ke arah suatu konfigurasi yang paling ‘selesa’ bagi rantainya. Maksud selesa disini dalam bahasa sainsnya, secara entropi and entalpi. Sewaktu proses pelipatan, protein menyesuaikan kedudukan rantai dan lipatan supaya dapat menurunkan jumlah tenaga bebas dalaman (Gibbs free energy). Sepanjang proses pelipatan, protein dilihat seperti menuruni cerun tenaga (Rajah 2). Protein juga melalui satu fasa transisi yang dikenali sebagai Globul cair sebelum mengalami mengambil lipatan akhir struktur natif.  Apabila ia tiba pada konfigurasi yang paling bawah (tenaga bebas minima), iaitu posisi paling ‘selesa’ secara kimia dan tenaga, tiada daya tolakan mahupun regangan di antara atom atau bahagian molekul rantai. Pada keadaan inilah ia berada pada gumpalan natif yang amat stabil.

Pelbagai teori cuba dikemukakan untuk menerangkan pelipatan protein secara terarah. Salah satunya adalah teori runtuhan hidrofobik. Pelipatan protein didorong oleh kecenderungan termodinamik supaya asid-asid amino yang lebih hidrofobik (larut lemak) disembunyikan jauh ke dalam gumpalan, manakalal asid-asid amino yang hidrofilik (larut air) terdedah di permukaan gumpalan (lihat rajah 3). Sungguhpun ia sudah bergumpal dalam struktur asli, lipatan protein mampu terbuka semula, iaitu protein mengalami proses ternyahasli ; suatu proses yang mana protein akan kehilangan kemampuan untuk berfungsi. Perubahan persekitaran mampu mengnyahaslikan struktur protein; termasuklah keasidan, suhu, garam dan sebagainya. Sebab itu, protein adalah molekul yang begitu sensitif dengan suasana persekitaran dan ia hanya dapat mengekalkan struktur aslinya pada julat suhu atau keasidan tertentu sahaja. Oleh itu, keadaan fisioloji organisma hidup perlu dikawal untuk berada pada julat tertentu supaya protein-protein dapat berfungsi sepenuhnya. Perubahan persekitaran seperti lampau suhu boleh membawa kepada keruntuhan struktur asli protein dan mungkin ia tidak dapat kembali ke struktur asli asal.

Protein pembantu membantu protein lain melipat

Walaubagaimanapun, maklumat jujukan asid amino ataupun konsep runtuhan hidrofobik masih tidak dapat menerangkan lipatan protein sepenuhnya. Bagaimana pula protein yang bersaiz besar atau komplek yang terbina dari berbilang domain atau subunit. Protein seperti ini bergantung kepada kehadiran protein pembantu yang dikenali sebagai Chaperonin. Pelipatan yang tidak sempurna akan mendedahkan sedikit bahagian hidrofobik, yang sepatutnya disembunyikan.  Bahagian hidropfobik yang melekit dan terdedah akan menyukarkan pelipatan. Protein-protein pembantu ini akan menutupi tompokan lekit ini sambil membantu proses pelipatan. Kadang-kala protein boleh melipat secara salah yang berakhir dengan Protein Tersisih Lipatan. Protein Tersisih Lipatan ini menarik perhatian Chaperonin, yang akan berinteraksi dengannya. Kehadiran chaperonin memastikan protein tersisih lipatan yang tidak berfungsi dapat diperbaiki ataupun dimusnahkan jika perlu. Chaperonin yang dikenali sebagai Protein kejutan suhu (Heat shock protein, HSP) akan dihasilkan ketika sel mengalami gangguan atau keadaan darurat seperti peningkatan suhu. Lampau suhu merosakkan struktur protein dengan membuka struktur lipatan. Secara semula jadi, Chaperonin akan memperbaiki kerosakan atau ralat yang wujud pada lipatan. Dalam bakteria, struktur Chaperonin GroEL/ES telah dikenalpasti dan dipelajari secara terperinci (Lihat rajah 4). Gro EL/ES merupakan suatu kompleks yang diperbuat daripada protein yang berbentuk silinder seperti bekas bersama penutup yang menyediakan ruang khas untuk pelipatan protein.

Gumpalan salah membawa kepada penyakit

Protein Tersisih Lipatan akan mendorong berbagai penyakit yang boleh memusnahkan fungsi tubuh. Ini boleh terjadi akibat kesan daripada mutasi pada genom ataupun dicetuskan oleh faktor luaran seperti suhu. Apa yang menarik, protein tersisih lipatan boleh berjangkit kepada protein-protein lain yang normal menjadikan lebih banyak protein tersisih lipatan baru terhasil. Protein tersisih lipatan yang banyak ini mendorong pembentukan ketulan tisu yang dikenali sebagai amiloid. Amiloid ini amat memudaratkan kerana ia membentuk deposit tidak larut air yang akhirnya sukar disingkirkan daripada tisu tubuh. Terdapat beberapa penyakit yang pernah menyerang manusia terjadi akibat kesan pengumpulan protein tersisih lipatan yang dikenali sebagai Penyakit prion. Di antara penyakit berkaitan prion yang terkenal dalam sejarah manusia termasuklah penyakit Skrapi yang pernah menyerang ternakan kambing dan biri-biri; Creutzfeldt–Jakob atau CJD yang terjadi pada manusia secara spontan; Penyakit Kuru yang terjadi dikalangan pengamal kanibalisma di Papua New Ginea; Bovine spongiform encephalopathy (BSE) atau Penyakit lembu gila dan Penyakit Alzheimer yang terjadi dikalangan warga tua dan juga individu Sindrom down yang telah berusia (rajah 5 dan 6). Apa yang menarik, manusia mengambil masa yang agak lama untuk mengenal pasti penyakit prion kerana pendapat awal menganggap ia berpunca daripada virus dan tidak mungkin ia disebabkan oleh molekul lazim seperti protein!  Sebagai contohnya, saintis telah membuktikan hanya dengan perubahan bentuk gumpalan pada protein Prp sudah cukup untuk protein ini mengakibatkan simptom Skrapi pada haiwan (rajah7).

Kesimpulan

Pemahaman tentang pelipatan protein begitu penting dalam sains biologi struktur. Proses pelipatan protein boleh digganggu gugat dan sejarah menunjukkan penghasilan protein tersisih lipatan boleh memudaratkan haiwan mahupun manusia. Jika proses pelipatan protein difahami sepenuhnya ia dapat memudahkan para saintis menjangka bentuk natif sesuatu protein hanya menggunakan maklumat daripada turutan DNA atau  amino asid sahaja. Protein dapat dicipta atau diubahsuai secara kejuruteraan untuk kegunaan terapi penyakit. Dengan meramal bentuk protein, bahan-bahan terapeutik atau klinikal dapat diuji secara maya atau simulasikomputer tanpa membabitkan protein sebenar dan ini amat menjimatkan masa dan kos penghasilan ubat. Sebenarnya terdapat pelbagai penyakit dapat dirawat secara mudah dengan pengetahuan manusia mengenai struktur protein dan cara ia berggumpal.

Rujukan

Voet D, Voet J.G and Pratt C.W. (2013) Protein Folding in Principle of Biochemistry 4^th ed. John Wiley & Son, Singapore. Pp. 162-173

D.Nelson D and Cox, M (2004) Protein denaturation and Folding in Principle of Biochemistry. 4^th Ed  Freeman, pp.148-154

Walter Englander S and Leland Mayne (2014) Nature of protein folding pathways. Proceedings of the National Academy of Sciences 111 (45) 15873-15880; DOI: 10.1073/pnas.1411798111

ZoyaIgnatova and Lila M.Gierasch (2007) Chapter Twenty One Effects of Osmolytes on Protein Folding and Aggregation in Cells. Methods in Enzymology, 428, 355-372

Kredit Foto : neuroscientifically