Asam amino adalah fondasi kehidupan, blok bangunan dasar (monomer) dari protein. Pemahaman mendalam tentang struktur, klasifikasi, dan fungsi masing-masing asam amino sangat penting dalam biokimia, nutrisi, dan kedokteran. Protein, yang terdiri dari ribuan rangkaian asam amino, menjalankan hampir semua fungsi seluler, mulai dari katalisis enzim hingga pertahanan imun. Terdapat 20 jenis asam amino standar atau proteinogenik yang dikodekan oleh DNA, dan masing-masing memiliki peran unik yang menentukan lipatan, bentuk, dan akhirnya, fungsi protein.
Meskipun terdapat variasi luas dalam sifat kimiawi, semua 20 asam amino proteinogenik berbagi struktur dasar yang serupa, yang disebut struktur alfa (α). Struktur ini terdiri dari:
Kecuali glisin, semua asam amino yang ditemukan dalam protein bersifat kiral, memiliki dua enantiomer, L dan D. Dalam sistem biologis mamalia, hampir semua asam amino yang digunakan untuk sintesis protein adalah konfigurasi L.
Ilustrasi struktur zwitterion asam amino, dengan Gugus R yang menentukan identitas spesifiknya.
Tabel berikut menyajikan ringkasan 20 asam amino yang paling umum ditemukan dalam protein. Klasifikasi didasarkan pada sifat kimiawi rantai samping (Gugus R), yang sangat menentukan bagaimana protein melipat dan berinteraksi dalam lingkungan air sel.
| Nama | Kode 3H | Kode 1H | Esensialitas | Sifat R |
|---|---|---|---|---|
| Alanin | Ala | A | Non-Esensial | Non-Polar, Alifatik |
| Valin | Val | V | Esensial | Non-Polar, Alifatik |
| Leusin | Leu | L | Esensial | Non-Polar, Alifatik |
| Isoleusin | Ile | I | Esensial | Non-Polar, Alifatik |
| Prolin | Pro | P | Non-Esensial | Non-Polar, Siklik (Imino) |
| Metionin | Met | M | Esensial | Non-Polar, Belerang |
| Fenilalanin | Phe | F | Esensial | Non-Polar, Aromatik |
| Triptofan | Trp | W | Esensial | Non-Polar, Aromatik |
| Glisin | Gly | G | Non-Esensial | Non-Polar, Terkecil |
| Serin | Ser | S | Non-Esensial | Polar, Tak Bermuatan (Gugus OH) |
| Treonin | Thr | T | Esensial | Polar, Tak Bermuatan (Gugus OH) |
| Sistein | Cys | C | Kondisional Esensial | Polar, Tiol (Belerang) |
| Tirosin | Tyr | Y | Kondisional Esensial | Polar, Aromatik (Gugus OH) |
| Asparagin | Asn | N | Non-Esensial | Polar, Amida |
| Glutamin | Gln | Q | Non-Esensial | Polar, Amida |
| Aspartat (Asam Aspartat) | Asp | D | Non-Esensial | Bermuatan Negatif (Asam) |
| Glutamat (Asam Glutamat) | Glu | E | Non-Esensial | Bermuatan Negatif (Asam) |
| Lisin | Lys | K | Esensial | Bermuatan Positif (Basa) |
| Arginin | Arg | R | Kondisional Esensial | Bermuatan Positif (Basa) |
| Histidin | His | H | Esensial | Bermuatan Positif (Basa/Imidazol) |
Keterangan: Asam amino Esensial harus diperoleh dari makanan. Kondisional Esensial berarti tubuh dapat memproduksinya, namun kebutuhan meningkat drastis pada kondisi stres atau penyakit tertentu.
Rantai samping (R) adalah penentu utama karakteristik asam amino, memengaruhi bagaimana asam amino tersebut berinteraksi dengan pelarut, protein lain, dan lingkungan seluler. Klasifikasi ini vital untuk memahami lipatan protein dan interaksi biokimia.
Kelompok ini memiliki gugus R yang sebagian besar terdiri dari hidrogen dan hidrokarbon. Mereka bersifat hidrofobik dan cenderung berada di inti protein globular, menjauhi air, dan sangat penting untuk stabilitas membran protein.
Memiliki cincin aromatik yang besar. Mereka umumnya non-polar (hidrofobik) kecuali pada bagian-bagian tertentu. Cincin aromatik memungkinkan mereka menyerap sinar UV pada 280 nm, yang digunakan untuk mengukur konsentrasi protein.
Rantai samping mereka mengandung atom yang sangat elektronegatif (O, S, N) yang memungkinkan pembentukan ikatan hidrogen dengan air atau molekul lain, sehingga meningkatkan hidrofilisitas.
Pada pH fisiologis (sekitar 7.4), gugus R karboksil mereka terionisasi penuh, memberikan muatan negatif. Mereka bersifat sangat hidrofilik dan sering ditemukan di permukaan protein, menarik ion positif.
Pada pH fisiologis, gugus R mereka cenderung mengambil proton, menghasilkan muatan positif. Mereka sangat hidrofilik dan berperan penting dalam interaksi ionik (jembatan garam) dalam struktur protein, serta dalam pengikatan DNA/RNA.
Memahami setiap asam amino memerlukan tinjauan mendalam tentang bagaimana mereka diproses (katabolisme) dan disintesis (anabolisme), serta peran khusus mereka di luar sekadar pembentukan rantai polipeptida.
Peran Metabolik: Glisin adalah donor satu karbon yang penting dalam jalur tetrahidrofolat. Ia adalah prekursor utama untuk purin (bagian dari DNA/RNA) dan porfirin (inti heme dalam hemoglobin). Serin adalah prekursor glisin dan juga terlibat dalam sintesis sfingolipid, komponen penting membran sel saraf. Kedua asam amino ini sangat terkait dalam metabolisme C1 (transfer gugus satu karbon).
Klinis: Kelebihan glisin dapat menyebabkan hiperglisinemia non-ketotik, gangguan metabolik langka yang memengaruhi sistem saraf pusat.
BCAA unik karena dimetabolisme terutama di otot, bukan di hati, menjadikannya sumber energi vital selama olahraga intens. Mereka adalah asam amino esensial yang paling banyak dikonsumsi dalam makanan dan suplemen olahraga.
Peran Khusus: Metionin berfungsi sebagai asam amino inisiasi (start codon) dalam sintesis protein (AUG). Fungsi terpentingnya di luar struktur adalah sebagai prekursor S-adenosilmetionin (SAM), donor metil utama dalam sel. SAM sangat penting untuk metilasi DNA/RNA, sintesis kreatin, dan metabolisme neurotransmitter.
Metabolisme: Setelah transfer gugus metil, Metionin diubah menjadi homosistein. Homosistein kemudian dapat diubah kembali menjadi Metionin (memerlukan B12 dan folat) atau menjadi Sistein (memerlukan B6). Penumpukan homosistein (hiperhomosisteinemia) merupakan faktor risiko penyakit kardiovaskular.
Sistein adalah asam amino yang mengandung belerang, penting untuk detoksifikasi dan pertahanan antioksidan. Meskipun tubuh dapat membuatnya dari metionin, kebutuhannya meningkat pada kondisi tertentu.
Peran Antioksidan: Sistein adalah komponen penting dari glutathione, antioksidan tripeptida yang paling melimpah di sel, melindungi dari stres oksidatif. Sistein juga menyediakan belerang untuk kofaktor, seperti biotin dan asam lipoat.
Kedua asam amino aromatik ini terkait erat dalam jalur metabolik.
Peran Unik: Triptofan adalah asam amino proteinogenik yang paling jarang ditemukan. Selain membangun protein, ia adalah prekursor untuk dua molekul penting:
Arginin adalah basa kuat dan memainkan peran sentral dalam penghilangan amonia beracun dari tubuh melalui Siklus Urea. Meskipun dapat disintesis di ginjal dan usus, Arginin sering diklasifikasikan sebagai kondisional esensial, terutama pada bayi yang baru lahir dan pasien trauma.
Sintesis NO: Arginin adalah satu-satunya prekursor untuk Nitrit Oksida (NO), molekul sinyal yang kuat yang berfungsi sebagai vasodilator (melebarkan pembuluh darah) dan neurotransmitter.
Peran utamanya adalah sebagai penyangga pH karena pKa cincin imidazolnya. Histidin mengalami dekarboksilasi menjadi histamin, mediator penting dalam respons alergi dan peradangan, serta regulator sekresi asam lambung.
Glutamat dan Glutamin adalah pasangan asam amino yang paling melimpah dalam tubuh dan memainkan peran sentral dalam homeostasis nitrogen.
Aspartat adalah donor nitrogen dalam siklus urea dan sintesis nukleotida pirimidin. Asparagin, bentuk amidanya, dibuat dari Aspartat melalui asparagin sintetase. Asparagin penting dalam proses N-glikosilasi protein.
Setelah asam amino diserap dari pencernaan atau dilepaskan dari degradasi protein, nasib metabolik mereka diklasifikasikan berdasarkan apakah kerangka karbonnya dapat diubah menjadi glukosa atau badan keton.
Asam amino yang kerangka karbonnya dapat dikonversi menjadi perantara Siklus Krebs (seperti α-ketoglutarat, suksinil-KoA, fumarat, oksaloasetat) atau piruvat. Senyawa ini kemudian dapat diubah menjadi glukosa melalui glukoneogenesis.
Contoh Glukogenik Murni: Glisin, Alanin, Serin, Treonin, Metionin, Sistein, Prolin, Aspartat, Asparagin, Glutamat, Glutamin, Arginin, Histidin, Valin.
Alanin memiliki peran khusus: ia adalah pembawa nitrogen dari otot ke hati dalam Siklus Glukosa-Alanin, memungkinkan otot untuk membuang nitrogen sambil menyediakan substrat (piruvat) bagi hati untuk glukoneogenesis.
Asam amino yang kerangka karbonnya dipecah menjadi asetil-KoA atau asetoasetil-KoA. Senyawa ini dapat digunakan untuk sintesis asam lemak atau pembentukan badan keton, tetapi tidak dapat diubah menjadi glukosa secara langsung.
Contoh Ketogenik Murni: Leusin dan Lisin.
Asam amino yang dipecah menjadi perantara yang dapat menghasilkan baik glukosa maupun badan keton.
Contoh: Isoleusin, Fenilalanin, Tirosin, Triptofan, Treonin.
Homeostasis asam amino dikontrol secara ketat. Gangguan pada proses katabolisme atau anabolisme dapat menyebabkan berbagai penyakit serius, terutama yang memengaruhi otak, karena banyak asam amino juga berfungsi sebagai neurotransmitter atau prekursornya.
Ini adalah kondisi genetik langka di mana enzim yang bertanggung jawab untuk memecah asam amino tertentu tidak berfungsi, menyebabkan akumulasi toksik metabolit hulu.
Disebabkan oleh defisiensi enzim Fenilalanin Hidroksilase (PAH). Fenilalanin menumpuk menjadi fenilketon dan metabolit lain yang merusak sistem saraf. Perawatannya melibatkan diet ketat yang membatasi Fenilalanin seumur hidup dan suplementasi Tirosin.
Disebabkan oleh defisiensi BCKDH (enzim dekarboksilasi BCAA), yang menyebabkan penumpukan Valin, Leusin, dan Isoleusin serta ketoasid mereka. Kondisi ini dapat menyebabkan kejang, koma, dan retardasi mental jika tidak diobati dengan diet yang sangat ketat membatasi BCAA.
Terjadi karena defisiensi enzim yang mengkonversi homosistein (dari Metionin) menjadi Sistein. Penumpukan homosistein menyebabkan masalah mata, dislokasi lensa, dan peningkatan risiko trombosis (pembekuan darah).
Kebutuhan asam amino esensial harus dipenuhi melalui diet. Sumber protein berkualitas tinggi (daging, telur, susu, kedelai) menyediakan semua asam amino esensial dalam proporsi yang memadai (protein lengkap).
Selain 20 standar, terdapat banyak asam amino lain yang tidak dikodekan oleh DNA tetapi memainkan peran vital dalam metabolisme. Kelompok ini sering disebut asam amino non-proteinogenik.
Kedua asam amino ini adalah perantara kunci dalam Siklus Urea. Ornitin bereaksi dengan karbamoil fosfat untuk memulai siklus, sementara Citrullin dibentuk dari Ornitin di mitokondria. Meskipun tidak membangun protein, kelainan pada metabolismenya menyebabkan hiperamonemia.
Bukan bagian dari protein, GABA adalah neurotransmitter inhibitor utama di otak, dibentuk dari dekarboksilasi Glutamat. GABA bertindak untuk menenangkan aktivitas saraf dan merupakan target dari banyak obat anti-kecemasan.
Asam amino yang mengandung belerang yang tidak terlibat dalam ikatan peptida. Taurin sangat melimpah di retina, otak, dan otot. Taurin memiliki peran osmoregulasi (menjaga volume sel) dan bertindak sebagai antioksidan. Ia juga berkonjugasi dengan asam empedu, membantu pencernaan lemak.
Digunakan bersama Histidin untuk membentuk dipeptida carnosine, yang berfungsi sebagai penyangga pH dalam jaringan otot. Suplementasi Beta-Alanin populer untuk meningkatkan kinerja dalam latihan intensif durasi pendek.
Setelah sintesis protein selesai, banyak asam amino dalam rantai polipeptida mengalami modifikasi kimiawi yang mengubah fungsi, stabilitas, atau lokalisasi protein tersebut. Ini adalah mekanisme regulasi yang sangat penting.
Keseimbangan asam amino berperan besar dalam menentukan umur panjang dan penuaan. Jalur mTOR, yang sangat sensitif terhadap kadar Leusin, menjadi pusat perhatian. Aktivitas mTOR yang berlebihan sering dikaitkan dengan peningkatan pertumbuhan sel yang cepat tetapi juga percepatan penuaan.
Di sisi lain, asam amino seperti Glisin dan Metionin dikaitkan dengan intervensi anti-penuaan. Restriksi diet Metionin telah terbukti secara konsisten memperpanjang usia hidup pada berbagai model organisme, kemungkinan karena mengurangi stres oksidatif dan meningkatkan sensitivitas insulin.
Arginin juga penting karena peran kuncinya dalam jalur NO, yang membantu menjaga kesehatan pembuluh darah yang cenderung menurun seiring bertambahnya usia. Keseimbangan antara pembentukan protein (anabolisme, didorong oleh BCAA) dan perbaikan seluler (autofagi, dipicu oleh kekurangan nutrisi) adalah kunci yang diatur oleh ketersediaan asam amino.
Metabolisme asam amino menghasilkan produk sampingan nitrogen, terutama amonia (NH₃), yang sangat beracun bagi sistem saraf pusat. Hati bertugas mengubah amonia menjadi urea yang kurang beracun melalui Siklus Urea. Keseimbangan antara asupan nitrogen dan ekskresi nitrogen disebut keseimbangan nitrogen.
Kegagalan hati untuk menjalankan Siklus Urea (misalnya, pada gagal hati) menyebabkan penumpukan amonia yang cepat, yang mengakibatkan ensefalopati hepatik, kondisi neurologis serius.
Secara keseluruhan, asam amino lebih dari sekadar blok bangunan. Mereka adalah molekul sinyal, prekursor metabolik, dan regulator kunci kesehatan seluler dan sistemik. Pemahaman rinci tentang tabel, sifat kimiawi, dan jalur metabolisme dari masing-masing asam amino esensial dan non-esensial adalah inti dari biokimia modern.