Metabolisme sel

3,160 views

Published on

0 Comments
0 Likes
Statistics
Notes
  • Be the first to comment

  • Be the first to like this

No Downloads
Views
Total views
3,160
On SlideShare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
4
Actions
Shares
0
Downloads
150
Comments
0
Likes
0
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

Metabolisme sel

  1. 1. METABOLISME SELA. Pengertian Umum Metabolisme adalah segala proses reaksi kimia yang terjadi di dalam makhlukhidup, mulai makhluk hidup bersel satu yang sangat sederhana seperti bakteri, protozoa,jamur, tumbuhan, hewan; sampai mkhluk yang susunan tubuhnya kompleks sepertimanuasia. Di dalam proses ini, makhluk hidup mendapat, mengubah dan memakaisenyawa kimia dari sekitarnya untuk mempertahankan hidupnya. Metabolisme meliputi proses sintesis (anabolisme) dan proses penguraian(katabolisme) senyawa atau komponen dalam sel hidup.. Semua reaksi metabolismedikatalis oleh enzim. Hal lain yang penting dalam metabolisme adalah peranannya dalampenawaracunan atau detoksifikasi, yaitu mekanisme reaksi pengubahan zat yang beracunmenjadi senyawa tak beracun yang dapat dikeluarkan dari tubuh. Anabolisme dibedakan dengan katabolisme dalam beberapa hal:• Anabolisme merupakan proses sintesis molekul kimia kecil menjadi molekul kimia yang lebih besar, sedangkan katabolisme merupakan proses penguraian molekul besar menjadi molekul kecil• Anabolisme merupakan proses membutuhkan energi, sedangkan katabolisme melepaskan energi• Anabolisme merupakan reaksi reduksi, katabolisme merupakan reaksi oksidasi• Hasil akhir anabolisme adalah senyawa pemula untuk proses katabolisme.B. Fotosintesis Pada hakekatnya, semua kehidupan di atas bumi ini tergantung langsung dariadanya proses asimilasi CO 2 menjadi senyawa kimia organik dengan energi yangdidapat dari sinar matahari. Dalam proses ini energi sinar matahari (energi foton)ditangkap dan diubah menjadi energi kimia dengan proses yang disebut fotosintesis.Proses ini berlangsung didalam sel pada tumbuhan tinggi, tumbuhan pakis, lumut,ganggang (ganggang hijau, biru, merah dan coklat) dan berbagai jasad renik (protozoagolongan euglena, bakteri belerang ungu, dan bakteri belerang biru).
  2. 2. Energi matahari yang ditangkap pada proses fotosintesis merupakan lebih dari90% sumber energi yang dipakai oleh manusia untuk pemanasan, cahaya dan tenaga.Gambar 1 berikut ini menunjukkan sebaran pemakaian energi matahari oleh bumi danatmosfer.Sinar matahari 30% dipantulkan kembali secara langsung ke ruangan angkasa 46% diserap oleh atmosfer dan diubah menjadi panas Bumi dan atmosfernya 23% diserap oleh bumi dan atmosfer dioakai untuk penguapan, angina dan sebagainya. Energi disimpan dalam bentuk air dan es Kurang dari 1% ditangkap oleh klirofil yang terdapat dalam tumbuhan hijau daun dan berbagai jasad. Dipakai dalam proses fotosintesis, dimana energi matahari diubah menjadi energi kimiaGambar 1. Gambaran sebaran pemakain energi matahari oleh bumi dan atmosfernya. Gambar 2. Penggunaan energi matahari oleh klorofil tanaman Keseluruhan proses fotosintesis yang melibatkan berbagai macam enzimdituliskan dengan persamaan reksi: 6 CO 2 + 6 H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6 O 2
  3. 3. Dalam bakteri berfotosintesis sebagai pengganti H 2 O dipakai zat pereduksi yang lebihkuat seperti H 2 , H 2 S, H 2 R (R adalh gugus organik ). Persamaan reaksinya adalah : 2 CO 2 + 2 H 2 R 2 CH 2 O + O 2 + 2 R Proses fotosintesis pada tumbuhan tinggi dibagi dalam dua tahap. Pada tahappertama energi matahari ditangkap oleh pigmen penyerap cahaya dan diubah menjadibentuk energi kimia, ATP dan senyawa reduksi, NADPH. Proses ini disebut reaksiterang. Atom hydrogen dari molekul H 2 O dipakai untuk mereduksi NADP + menjadiNADPH, dan O 2 dilepaskan sebagai hasil samping reaksi fotosintesis. Reaksi ini jugadirangkaikan dengan reaksi endergonik pembentukan ATP dari ADP + Pi. Dengandemikian tahap reaksi terang dapat dituliskan dengan persamaan:H 2 O + NADP + + ADP + Pi O 2 + H + + NADPH + ATP Energi matahari Dalam hal ini pembentukan ATP dari ADP + Pi merupakan suatu mekanismepenyimpanan energi matahari yang diserap kemudian diubah menjadi bentuk energikimia. Proses ini disebut fotofosforilasi. Tahap kedua disebut tahap reaksi gelap. Dalam hal ini senyawa kimia berenergitinggi NADPH dan ATP yang dihasilkan dalam tahap pertama (reaksi gelap) dipakaiuntuk proses reaksi reduksi CO 2 menjadi glukosa dengan persamaan:CO 2 + NADPH + H + + ATP glukosa + NADP + + ADP + Pi 1. Tahap Reaksi Terang Cahaya Reaksi terang cahaya dalam proses pebebasan energi matahari oleh klorofildimana dilepaskan molekul O 2 , terdiri dari dua bagian. Bagian pertama disebutfotosistem I mempunyai kemampuan penyerapan energi matahari dengan panjanggelombang di sekitar 700nm dan tidak melibatkan proses pelepasan O,. bagian keduayang menyangkut penyerapan energi matahari pada panjang gelombang di sekitar 680nm, disebut fotosistem II, melibatkan proses pembentukan O 2 dan H 2 O. Fotosistem I merupakan suatu partikel yang disusun oleh sekitar 200 molekulklorofil-a, 50 klorofil-b, 50-200 pigmen karotenoid dan satu molekul penerima energimatahari yang disebut protein P700. Energi matahari (foton) yang ditangkap oleh pigmen
  4. 4. pelengkap dipindahkan melelui beberapa molekul pigmen, disebut proses perpindahaneksiton, yang akhirnya diterima oleh P700. Akibatnya P700 melepaskan elektron yangberenergi tinggi. Proses penangkapan foton dan perpindahan eksiton di dalam fotosistemini berlangsung dengan sangat cepat dan di pengaruhi oleh suhu. Dengan mekanismeyang sama, proses penangkapan foton dan pemindahan eksiton terjadi pula padafotosistem II yaitu pada panjang gelombang 680. Partikel fotosistem I dan II terdapat dalam membrane kantong tilakoid secaraterpisah. 2. Pengangkutan Elektron dan Fotofosforilasi Fotosistem I dan II merupakan komponen penyalur energi dalam rantaipengangkutan elektron fotosintesis secara kontinyu, dari molekul air sebagai donorelektron ke NADP + sebagai aseptor elektron. Perbedaan antara pengangkutan elektron dalam fotosintesis dan pengangkutanelektron pernafasan adalah: 1. Pada yang pertama, elektron mengalir dari molekol H 2 O ke NADP + , sedangkan pada yang kedua arah aliran elektron adalah dari NADP + ke H 2 O 2. Pada yang pertama terdapat dua system pigmen, fotosistem I dan II yang berperan sebagai pendorong untuk mengalirkan elektron dengan bantuan HUBUNGAN ENERGI DAN PENGANGKUTAN energi matahari dari H 2 O ke NADP + ELEKTRO DLM FOTOSINTESIS 3. Pada yang pertama dihasilkan O 2 sedangkan pada yang ke dua memerlukan P430 O2 FRS NADPH Fd FP Persamaannya ialah kedua rantai pengangkutan elektron tersebut menghasilkan Jalur aliran C550 NADP+energi ATP dan melibatkan sederetan molekul pembawa elektron. elektron Pengangkutan elektron dalam fotosintesis terdiri dari tiga bagian yaitu bagian siklik ADP+P e- Cty.b ATP 3pendek dari H 2 O ke fotosistem II, bagian dari fotosistem II ke fotosistem PQ I yang dirangkaikan dengan pembentukan ATP dari ADP + Pi,02 bagian dari dan hv Cty.ffotosistem I ke NADP + yang menghasilkan NADPH seperti e- gambar 3. (553) pada PC ? hv FS 1 P700 ? FS 2 P680
  5. 5. Gambar 3. Diagram energi pengangkutan elektron dalam fotosintesis Gambar 3. Hubungan energi dan pengengkutan elektron dalam fotosintesis Penyerapan foton oleh molekul pigmen fotosintesis I menyebabkan tereksitasinyamolekul tersebut, menghasilkan eksiton berenergi tinggi yang kemudian ditangkap olehmolekul P 700. Akibatnya P 700 melepaskan elektron dan memindahkannya ke molekulpenerima elektron pertama P 430. selanjutnya elektron dialirkan melalui deretan molekulpembawa elektron sampai ke NADP + menyebabkan tereduksinya NADP + menjadiNADPH. Dalam proses ini diperlukan dua elektron untuk mereduksi satu molekul NADP+ . Lepasnya satu elektron dari P700 mengakibatkan berubahnya molekul ini menjadibentuk teroksidasinya, P700 + yang kekurangan satu elektron. Dengan kata lain terjadinyasatu lubang elektron pada P700. Untuk mengisi lubang ini, satu elektron dialirkan melaluisederetan molekul pembawa elektron, dari molekul P680 dalam fotosistem II. Dalam halini pengaliran elektron hanya terjadi setelah terlebih dulu terjadi penyinaran terhadapfotosistem II, yaitu tereksitasinya P680 yang segera melepaskan elektron ke molekul
  6. 6. penerima elektron pertamanya, C550. Ini mengakibatkan teroksidasinya bentuk P680 + .Kekurangan elektron pada P680 + dipenuhi dari reaksi oksidasi oksidasi molekul H 2 Omenjadi O 2 . Proses pengangkutan elektron dari H 2 O ke NADP + yang didorong olehenergi matahari ini disebut pengangkutan non siklik (tak mendaur dalam elektronfotosintesis). Dalam hal ini satu molekul H 2 O melepaskan dua elektron yang diperlukanuntuk mereduksi satu molekul NADP + menajdi NADPH, dirangkaikan denganpembentuka ATP dari ADP + pi, disebut proses fotofosforilasi.Persamaan reaksinya adalah: FS I FS IIH 2 O + NADP + + ADP + Pi 1 + 2 O 2 + H + NADPH + ATP Energi matahari Energi pada proses pengangkutan elektron dalam fotosintesis dari H 2 O ke NADP + .Elektron yang telah tereksitasi di fotosistem II selanjutnya dialirkan ke fotosistem Imelalui molekul penerima elektron; sitokrom 559 (sitokrom b 3 = cyt. b 3 ), plastoquinon(PQ), sitokrom 553 (sitokrom f = cyt.f), plastosianin(PC) dan molekul P700di fotosistemI. pengankutan elektron dari PQ ke cyt.f dirangkaikan dengan pembentukan ATP dariADP+Pi. Sementara itu elektron yang telah tereksitasi difotosistem I, dialirkan berturut-turut ke molekul substrat feredoksin, feredoksin, feredoksin reduktase, dan akhirnya keNADP + dimana molekul ini tereduksi menjadi NADPH. Dalam keadaan tertentu, elektron yang tereksitasi di fotosistem I tidak dialirkanke NADP + , tetapi kembali ke P700 melalui molekul penerima elektron lainnya, sitokrom564 (cyt.b 6 ) yang selanjutnya melalui cyt. b 3 dialirkan ke P700 di fotosistem I.mekanisme pengangkutan elektron ini disebut pengangkutan elektron mendaur dalamfotosintesis, sedangkan pengangkutan elektron dari H 2 O ke NADP + melalui fotosistem Idan fotosistem II, disebut pengangkutan elektron tak mendaur dalam fotosintesis. 3. Tahap Reaksi Gelap Cahaya: Daur Calvin
  7. 7. Dalam tahap reaksi gelap cahaya ini, energi yang dihasilkan (NADPH dan ATP)dalam tahap reaksi terang cahaya selanjutnya dipakai dalam reaksi sintesis glukosa dariCO 2 , untuk kemudian dipakai dalam reaksi pembentukan senyawa pati, selulosa, danpolisakarida lainnya sebagai hasil akhir proses fotosintesis dalam tumbuhan. Jalur metabolisme reaksi pembentukan glukosa dari CO 2 ini merupakan suatujalur metabolisme mendaur yang pertama kali diusulkan oleh M.Calvin, disebut daurCalvin. Dalam tahap reaksi pertamanya 6 molekul CO 2 dari udara bereaksi dengan 6molekul ribulosa 1,5-difosfat, dikatalis oleh enzim ribulosa difosfat karboksilase,menghasilkan 2 molekul 3-fosfogliserat melalui pembentukan senyawa antara, 2-karboksi3-ketoribitol 1,5-difosfat. H2 O CO 2Ribulosa 1,5 difosfat 2-karboksi 3-ketoribitol 1,5-difosfat 3-fosfogliserat Pada tahap reaksi kedua, 12 molekul 3-fosfogliserat diubah menjadi 12 molekulgliseral dehida 3-fosfat melalui pembentukan 1,3-difosfogliserat, dikatalis oleh enzimfosfogliserat kinase dan gliseraldehidafosfat dehidrogenase, serta menggunakan 12 ATPdan 12 NADPH. ATP ADP NADPH + H + NADP +3-fosfogliserat 3-fosfogliseroil fosfat gliseraldehida-3-fosfat Fosfogliserat kinase Gliseraldehida fosfat dehidrogenaseTahap reaksi ketiga , 12 gliseraldehida 3-P diubah menjadi 3 molekul fruktosa 6-Pdengan melalui pembentukan senyawa dihidroksi aseton fosfat dan fruktosa 1,6 difosfat.
  8. 8. Gambar 4. Daur Calvin: Jalur mendaur metabolisme penambatan CO 2 Reaksi tahap gelap cahaya pada proses fotosintesis. Gambar 4. diatas menunjukkan ringkasan keseluruhan jalur metabolisme daur 2Calvin. Dalam daur ini yang sangat menonjol adalah tahap reaksi penambatan CO ,reaksi yang menggunakan energi NADPH dan ATP dan reaksi yang menghasilkanglukosa sebagai hasil akhir. Dalam reaksi penambatan CO2, ternyata dibutuhkan tiga molekul ATP dan dua 2molekul NADPH untukm mereduksi satu molekul CO . Energi matahari yang ditangkapoleh foto sistem I dan foto sistem II dalam fase terang cahaya diubah menjadi energikimia NADPH dan ATP. Kedua macam energi ini kemudian dipakai untuk menjalankandaur Calvin dengan mendorong tahap reaksi pembentukan gliseraldehida 3-fosfat danribosa 1,5-difosfat serta pelepasan dlukosa dari daur.C. Metabolisme Karbohidrat Pada metabolisme karbohidrat pada manusia dan hewan secara umum, setelahmelalui dinding usus halus sebagian besar monosakarida dibawa oleh aliran darah ke hati.Di dalam hati, monosakarida mengalami sintesis menghasilkan glikogen, oksidasimenjadi CO 2 dan H 2 O atau dilepaskan untuk dibawa dengan aliran darah kebagiantubuh yang memerlukannya sebagaimana digambarkan pada Gambar 5.
  9. 9. HATI DARAH OTOTglikogen glikogen fruktosa fruktosa galaktosa galaktosaglukosa glukosa glukosa ATP ATP ATPpiruvat piruvat piruvat laktat laktatlipida CO 2 + H 2 O ATP sterol CO 2 + H 2 O kolsterolGambar 5. Gambaran Umum Metabolisme Karbohidrat: Hubungan antara hati, darah dan otot. Sebagian lain monosakarida dibawa langsung ke sel jaringan organ tertentu danmengalami proses metabolisme lebih lanjut. Karena pengaruh berbagai faktor danhormon insulinyang dihasilkan oleh kelenjar pankreas, maka hati dapat mengatur kadarglukosa dalam darah. Bila kadar glkosa dalam darah meningkat sebagai akibat naiknyaproses pencernaan dan penyerapan karbohidrat, sintesis glikogen dari glukosa oleh hatiakan naik. Sebaliknya bila kadar glukosa menurun, misalnya akibat latihan olahraga,glikogern diuraikan menjadi glukosa yang selanjutnya mengalami proses katabolismemenghasilkan energi (dalam bentuk energi kimia, ATP) yang dibutuhkan oleh kegiatanolahraga tersebut Kadar glukosa dalam darah merupakan faktor yang sangat penting untuk kelancarankerja tubuh. Kadar normal glukosa dalam darah adalah 70-90 mg/100 ml. Keadaan dimana kadarglukosa berada di bawah 70mg/100ml disebut hipoglisemia, sedangkan diatas 90mg/100ml
  10. 10. disebut hiperglisemia. Hipoglisemia yang ekstrem dapat menghasilkan suatu rentetan reaksigoncangan yang ditunjukkan oleh gejala gemetarnya otot, perasaan lemah badan dan pucatnyawarna kulit. Hipoglisemia yang serius dapat menyebabkan kehilangan kesadaran sebagai akibatkekurangan glukosa dalam otak yang diperlukan untuk pembentukan energi, sehingga padaakhirnya dapat menyebabkan kematian. Kadar glukosa yang tinggi merangsang pembentukan glikogen dari glukosa,sintesis asam lemak dan kolesterol dari glukosa. Kadar glukosa antara 140 dan 170mg/100 ml disebut kadar ambang ginjal, karena pada kadar ini glukosa diekskresi dalamkemih melalui ginjal. Gejala ini disebut glukosuria yaitu keadaan ketidakmampuanginjal untuk menyerap kembali glukosa yang telah mengalami filtrasi melalui sel tubuh. Kadar glukosa dalam darah diatur oleh beberapa hormon. Insulin dihasilkan olehkelenjar pankreas menurunkan kadar glukosa dengan menaikkan pembentukan glikogendari glukosa. Adrenalin (epineprin) yang juga dihasilkan oleh pankreas, dan glukagonberperan dalam menaikkan kadar glukosa dalam darah. Semua faktor ini bekerjasamasecara terkoordinasi mempertahankan kadar glukosa tetap normal untuk menunjangberlangsungnya proses metabolisme secara optimum.1. Biosintesis dan Perombakan Glikogen Glukosa 6-fosfat dan glukosa 1-fosfat merupakan senyawa antara dalam prosesglikogenesis atau pembentukan glikogen dari glukosa. Proses kebalikannya, penguraianglikogen menjadi glukosa yang disebut glikogenolisis juga melibatkan terjadinya keduasenyawa antara tersebut tetapi dengan jalur yang berbeda seperti digambarkan padaGambar 6. Senyawa antara UDP-glukosa (Glukosa Uridin Difosfat) terjadi pada jalurpembentukan tetapi tidak pada jalur penguraian glikogen. Demikian pula enzim yangberperan dalam kedua jalur tersebut juga berbeda. glikogen UDP Pi E6 E1UDP-glukosa glukosa 1-fosfat
  11. 11. E5 PPi UTP E2 glukosa 6-fosfat ADP E3 E4 ATP glukosa PiGambar 6. Jalan reaksi glikogenesis dan glikogenolisis. UTP = Uridin Tripospat, ADP = Adenosin Dipospat, (P) = gugus pospat anorganik. UDP-glukosa = Uridin dipospat glukosa. Enzim: E 1 = fosforilase, E 2 = fosfoglukomutase, E 3 = fosfatase, E 4 = glukokinase, E 5 = pirofosforilase, E 6 = glikogen sintetase. PPi = asam piropospat.2. Glikogenesis Gugus fosfat dan energi yang diperlukan dalam reaksi pembentukan glukosa 6-fosfat dsari glukosa diberikan oleh ATP yang berperan sebagai senyawa kimia berenergitinggi. Sedang enzim yang mengkatalisnya adalah glukokinase. Selanjutnya, denganfosfoglukomutase, glukosa 6-fosfat mengalami reaksi isomerasi menjadi glukosa 1-fosfat. ATP ADPGlukosa glukosa 6-fosfat heksokinase fosfoglukomutaseUridin difosfat UTP uridil transferaseglukosa (UDPG) Glukosa 1-fosfat
  12. 12. PPi UTPGambar 7. Glikogenesis: pembentukan uridin difosfat glukosa (UDPG) dari glukosa, melalui pembentukan glukosa 6-fosfat dan glukosa 1-fosfat. Glukosa 1-fosfat bereaksi dengan uridin tri fosfat (UTP) dikatalis oleh glukosa 1-fosfat uridil transferase menghasilkan uridin difosfat glukosa (UDP-glukosa)danpirofosfat (PPi). Mekanisme reaksi glikogenesis juga merupakan jalur metabolisme umum untukbiosintesis disakarida dan polisakarida. Dalam berbagai tumbuhan seperti tanaman tebu,disakarida sukrosa dihasilkan dari glukosa dan fruktosa melalui mekanisme biosintesistersebut. Dalam hal ini UDP-glukosa abereaksi dengan fruktosa 6-fosfat, dikatalis olehsukrosa fosfat sintase, membentuk sukrosa 6-fosfat yang kemudian dengan enzim sukrosafosfatase dihidrolisis menjadi sukrosa.3. Glikogenolisis Tahap pertama penguraian glikogen adalah pembentukan glukosa 1-fosfat.Berbeda dengan reaksi pembentukan glikogen, reaksi ini tidak melibatkan UDP-glukosa,dan enzimnya adalah glikogen fosforilase. Selanjutnya glukosa 1-fosfat diubah menjadiglukosa 6-fosfat oleh enzim yang sama seperti pada reaksi kebalikannya (glikogenesis)yaitu fosfoglukomutase.Glikogen, (glukosa) nPi glikogen fosforilaseGlukosa 1-fosfat + Glikogen, (glukosa) n fosfoglukomutaseGlukosa 6-fosfatGambar 11. Glikogenolisis: penguraian glikogen menghasilkan glukosa 6-fosfat.
  13. 13. Tahap reaksi berikutnya adalah pembentukan glukosa dari glukosa 6-fosfat.Berbeda dengan reaksi kebalikannya dengan glukokinase, dalam reaksi ini enzim lain,glukosa 6-fosfatase, melepaskan gugus fosfat sehigga terbentuk glukosa. Reaksi ini tidakmenghasilkan ATP dari ADP dan fosfat. Glukosa 6-fosfat glukosa + asam fosfat4. Glikololisis: Proses penguraian karbohidrat menjadi piruvat. Juga disebut jalur metabolismeEmden-Meyergoff dan sering diartikan pula sebagai penguraian glukosa menjadi piruvat.Proses ini terjadi dalam sitoplasma. Glikolisis anaerob: proses penguraian karbohidratmenjadi laktat melalui piruvat tanpa melibatkan oksigen. Proses penguraian glukosa menjadi CO 2 dan air seperti juga semua prosesoksidasi. Energi yang dihasilkan dari proses penguraian glukosa ini adalah 690 kilo-kalori (kkal).glukosa + 6 O 2 6 CO 2 + 6 H 2 O + 690 kkal Jumlah energi ini sebenarnya jauh lebih besar daripada jumlah energi yang dapatdisimpan secara sangkil dalam bentuk energi kimia ATP yang dihasilkan dalam prosespenguraian tersebut.
  14. 14. Ganbar 12. Gambaran Umum Proses Pernafasan Secara Keseluruhan. Glikolisis sampai dengan proses fosforilasi oksidatif Dengan adanya oksigen (dalam suasana aerob), glikolisis menghasilkan piruvat,atau tanpa oksigen (glikolisis anaerob) menghasilkan laktat. Glikolisis menghasilkan duasenyawa karbohidrat beratom tiga dari satu senyawa beratom enam; pada proses initerjadi sintesis ATP dari ADP + Pi. Gambar 13 me-nunjukkan proses glikolisis secarakeselurhan. Glikogen Uridin difosfat glukosa Glukosa – 1 - P Glukosa Glukosa – 6 – P
  15. 15. Fruktosa – 6 – p Fruktosa – 1,6 – di PGliseraldehida – 3 – P dihidroksiaseton fosfat1,3 – d- - P – gliserat3 – P – gliserat2 – 2 P – gliseratfosfoenol piruvat Melalui mitokondrion piruvatGambar 13. Glikolisis ( ) dan glikogenesis ( ) secara keseluruhan. Glukogenesis: pembentukan glukosa dari piruvat. Seperti halnya reaksi dengan glukokinase (reaksi tahap pertama) danfosfofruktokinase (reaksi tahap ketiga), reaksi dengan piruvat kinase ini juga merupakan Piruvatreaksi yang tidak reversibel, sehingga merupakan salah satu tahap reaksi pendorongglikolisis. fosfoenol piruvat piruvat CO CO 2 Oksalasetat 2 ATPP Piruvat GDP fosfoenol piruvat karboksilase karboksikinase ADP+Pi GTP oksalasetat NADH Malat mitokondria
  16. 16. NADH Malat dehidrogenase malat NAD + dehidrogenase NAD + + Malatsitoplasma sitoplasmaGambar 14. Perubahan piruvat menjadi fosfoenol piruvat dengan bantuan mitokondrion. Reaksi kebalikannya yang merupakan reaksi tahap pertama glukoneogenesismerupakan suatu reaksi yang kompleksyang melibatkan beberapa enzim dan organel selyaitu mitokondrion, yang diperlukan untuk terlebih dahulu mengubah piruvat menjadimalat sebelum terbentuknya fosfoenol piruvat. Pada jalan metabolisme in, piruvatdiangkut kedalam mitokondria dengan cara pengangkutan aktif melalui membranmitokondrion. Selanjutnya piruvat bereaksi dengan CO 2 menghasilkan asam oksalasetat.Reaksi ini dikatalis oleh piruvat karboksilase (enzim yang terdapat pada mitokondriatetapi tidak terdapat pada sitoplasma), dan memerlukan koenzim biotin dan kofaktor ionmaggan, serta ATP sebagai sumber energi. Dalam mekanisme reaksinya, biotin (sebagaigugus biotinil) yang terikat pada gugus lisina dari piruvat karboksilase, menarik CO 2 atau −HCO dalam mitokondrion kemudian mengkondensasikan dengan asam piruvat 3( dengan bantuan ATP dan Mn 2 + ) menghasilkan asam oksalasetat. Asam oksalasetatkemudian direduksi menjadi asam malat oleh NADH dan dikatalis malat dehidrogenase.Asam malat diangkut keluar mitokondria dengan cara pengangkutan aktif melaluimembran mitokondrion yang kemudian dioksidasi kembali menjadi asam oksalasetatoleh NAD + dan malat dehidrogenase yang terdapat dalam sitoplasma. Akhirnyaoksalasetat dikarboksilasi dengan CO 2 dan difosforilasi dengan gugus fosfat dari GTP(guanosin trifosfat, sebagai sumber energi yang khas disamping ATP) dan dikatalis olehfosfoenolpiruvat karboksikinase menghasilkan fosfoenolpiruvat. Dengan demikian untukmengubah satu molekul piruvat menjadi fosfoenolpiruvat diperlukan energi sebanyak
  17. 17. satu ATP plus satu GTP dan melibatkan paling sedikit empat macam enzim. Dibandingkan dengan reaksi kebalikannya, yaitu perubahan sat molekul fosfoenol piruvat menjadi piruvat, dihasilkan satu ATP dan melibatkan satu macam enzim saja. Fosfoenol piruvat piruvat CO 2 (PEP) Piruvat kinaseGDP Fosfoenolpiruvat CO 2 karboksikinase Biotin ATPGTP Piruvat karboksilase NADH NAD + NAD + NADH ADPoksalasetat Malat oksalasetat Malat Malat dehidrogenase dehidrogenase mitokondrion sitoplasma Gambar 15. Perubahan dari fosfoenolpiruvat ke piruvat diluar mitokondrion dan dari piruvat ke fosfoenol piruvat dengan melibatkan mitokondrion . Dilihat dari keseluruhan, glikolisis terbagi menjadi dua bagian. Bagian pertama meliputi tahap reaksi enzim yang memerlukan ATP, yaitu tahap reaksi dari glukosa sampai dengan pembentukan fruktosa 6-fosfat., yang menggunaka dua molekul ATP tiap satu molekul glukosa yang dioksidasi. Bagian kedua meliputi tahap reaksi yang menghasilkan energi (ATP dan NADH) yaitu dari gliseraldehide 3-fosfat sampai dengan piruvat. Dari bagian kedua ini dihasilkan dua molekul NADH dan empat molekul ATP untuk tiap molekul glukosa yang dioksidasi (atau untuk dua molekul gliseraldehid 3- fosfat yang dioksidasi). Karena satu molekul NADH yang masuk rantai pengangkutan elektron dapat menghasilkan tiga molekul ATP, maka tahap reaksi bagian kedua ini menghasilkan 10 molekul ATP. Dengan demikian, keseluruhan proses glikolisis menghasilkan 10-2 = 8 molekul ATP untuk tiap molekul glukosa yang dioksidasi.
  18. 18. Sebaliknya, untuk mensintesis satu molekul glukosa dari dua molekul piruvat dalamproses glukoneogenesis diperlukan energi dari 4 molekul ATP, 2 GTP (sebanding dengan 2ATP) dan 2 NADH (= 6 ATP) atau sebanding dengan 12 molekul ATP.5. Glikolisis Anaerob Dalam keadaan tanpa oksigen respirasi terhenti karena proses pengangkutanelektron yang dirangkaikan dengan fosforilasi bersifat oksidasi melalui rantai pernafasanyang menggunakan molekul oksigen sebagai penerima elektron terakhir, tidak berjalan.Akibatnya jalan metabolisme lingkar asam trikarboksilat (daur Krebs) akan terhenti pulasehingga piruvat tidak lagi masuk kedalam daur Krebs melainkan dialihkanpemakaiannya yaitu diubah menjadi asam laktat oleh laktat dehidrogenase dengan NADHsebagai sumber energinya. NADH NAD + Piruvat laktat Laktat dehidrogenaseGambar 16. Reaksi perubahan piruvat ke laktat dalam proses fermentasi asam laktat Dalam hal ini, dua molekul NADH yang dihasilkan oleh reaksi tahap kelimadalam glikolisis (reaksi dengan gliseraldehida 3-fosfat dehodrogenase) tidak dipakaiuntuk membentuk ATP melainkan digunakan untuk reaksi reduksi 2 molekulasam piruvatmenjadi asam laktat. Jadi paad glikolisis anaerob energi yang dihasilkannya hanya 2molekul ATP saja (Gambar 17). Jumlah ini jauh lebih kecil jika dibandingkan denganenergi yang dihasilkan oleh glikolisis aerob yaitu 8 ATP.
  19. 19. Gambar 17. Metabolisme karbohidrat. 6. Fermentasi Alkohol Dalam beberapa jasad renik seperti ragi, glukosa dioksidasi menghasilkan etanoldan CO 2 dalam proses yang disebut fermentasi alkohol. Jalur metabolisme proses inisama dengan glikolisis sampai dengan terbentuknya piruvat. Dua tahap reaksi enzimberikutnya adalah reaksi perubahan asam piruvat menjadi asetaldehida, dan reaksireduksi asetaldehida menjadi alkohol. Dalam reaksi yang pertama piruvatdidekarboksilasi diubah menjadi asetaldehida dan CO 2 oleh piruvat dekarboksilase,suatu enzim yang tidak terdapat pada hewan. CO 2 Piruvat asetaldehida Piruvat dekarboksilase
  20. 20. Gambar 18. Fermentasi alkohol: reaksi pembentukan asetaldehida dari piruvat dengan enzim Piruvat dekarboksilase. Reaksi dekarboksilase ini merupakan reaksi yang tak reversibel, membutuhkanion Mg 2 + dan koenzim tiamin pirofosfat. Reaksi berlangsung melalui beberapa senyawaantara yang teriakt secara kovalen pada koenzim. Dalam reaksi yang terakhir dibawah ini, asetaldehid direduksi oleh NADHdengan enzim alkohol dehodrogenase, menghasilkan etanol. Dengan demikian etanol danCO 2 merupakan hasil akhir fermentasi alkohol dan jumlah energi yang dihasilkannyasama dengan glikolisis anaerob. Yaitu 2 ATP. NADH + H + NAD + Asetaldehida etanol Alkohol dehidrogenaseGambar 19. Fermentasi alkohol: reaksi hidrogenasi asetaldehida menghasilkan etanol.7. Perubahan Piruvat Menjadi Asetilkoezim – A Reaksi oksidasi piruvat hasil glikolisis menjadi asetil koenzim-A, merupakantahap reaksi penghubung yang penting antara glikolisis dengan jalur metabolisme lingkarasam trikarboksilat (daur Krebs). Reaksi yang diaktalisis oleh kompleks piruvatdehidrogenase dalam matriks mitokondria melibatkan tiga macam enzim (piruvatdehidrogenase, dihidrolipoil transasetilase, dan dihidrolipoil dehidrogenase), lima macamkoenzim (tiaminpirofosfat, asam lipoat, koenzim-A, flavin adenin dinukleotida, dannikotinamid adenin dinukleotida) dan berlangsung dalam lima tahap reaksi. Keseluruhanreaksi dekarboksilasi ini irreversibel, dengan ∆ G o = - 80 kkal per mol. Piruvat + NAD + + koenzim A asetil ko-A + NADh + CO 2 Reaksi ini merupakan jalan masuk utama karbohidrat kedalam daur Krebs. Tahapreaksi pertama dikatalis oleh piruvat dehidrogenase yang menggunakan tiamin pirofosfatsebagai koenzimnya. Dekarboksilasi piruvat menghasilkan senyawa α-hidroksietil yangterkait pada gugus cincin tiazol dari tiamin pirofosfat. Pada tahap reaksi kedua α-hidroksietil didehidrogenase menjadi asetil yang kemudian dipindahkan dari tiaminpirofosfat ke atom S dari koenzim yang berikutnya, yaitu asam lipoat, yang terikat pada
  21. 21. enzim dihidrolipoil transasetilase. Dalam hal ini gugus disulfida dari asam lipoat diubah menjadi bentuk reduksinya, gugus sulfhidril. Pada tahap reaksi ketiga, gugus asetil dipindahkan dengan perantara enzim dari gugus lipoil pada asam dihidrolipoat, kegugus tiol (sulfhidril pada koenzim-A). Kemudian asetil ko-A dibebaskan dari sistem enzim kompleks piruvat dehidrogenase. Pada tahap reaksi keempat gugus tiol pada gugus lipoil yang terikat pada dihidrolipoil transasetilase dioksidasi kembali menjadi bentuk disulfidanya dengan enzim dihidrolipoil dehidrogenase yang berikatan dengan FAD (flavin adenin dinukleotida). Akhirnya (tahap reaksi kelima) FADH 2 (bentuk reduksi dari FAD) yang tetap terikat pada enzim, dioksidasi kembali oleh NAD + (nikotinamid adenin dinukleotida) manjadi FAD, sedangkan NAD + berubah menjadi NADH (bentuk reduksi dari NAD + ). 8. Pengaturan Dekarboksilasi Piruvat Telah diketahui bahwa di samping mengandung tiga macam enzim tersebut di ats, kompleks enzim piruvat dehidrogenase juga mempunyai dua macam enzim yang terdapat dalam sub unit pengaturnya, yaitu piruvat dehidrogenase kinase dan piruvat dehidrogenase fosfatase. Kedua enzim ini berperan dalam mengatur laju reaksi dekarboksilasi piruvat dengan cara mengendalikan kegiatan subunit katalitiknya pada kompleks enzim piruvat dehidrogenase itu sendiri. Pengaturan kegiatan kompleks piruvat dehidrogenase berlangsung sebagai berikut: Piruvat + ko-A asetil ko-A + CO 2 Subunit katalik kompleks piruvat dehidrogenase (aktif) Pi A TPPiruvat dehidrogenase fosfatase Piruvat dehidrogenase( bagian dari sub unit pengatur), (bagian dari subunit pengatur)Ca 2 + Kompleks piruvat dehidrogenase dengan subunit katalitiknya yang terfosforilasi ADP (tak aktif)
  22. 22. Gambar 20. Mekanisme pengaturan kegiatan enzim kompleks piruvat dehidrogenase. Bila jumlah ATP yang dihasilkan oleh daur krebas dan fosforilasi bersifatoksidasi terlalu banyak, keseimbangan reaksi akan berjalan kebawah (laju reaksifosforilasi sub unit katalitik kompleks piruvat dehidrogenase bertambah besar) sehinggakegiatan kompleks piruvat dehidrogenase terhambat dan menjadi tidak aktif. Hal inimenyebabkan terhentinya reaksi pembentukan asetil ko-A dari piruvat. Akibatnya,jumlah asetil ko-A yang diperlukan untuk daur Krebs akan berkurang sehingga laju reaksidaur Krebs terhambat dan produksi ATP terhenti. Sebaliknya jika jumlah ADP banyak(ATP sedikit), keseimbangan reaaksi didorang ke atas (laju reaksi defosforilasi komplekspiruvat dehidrogenase bertambah besar) sehingga kegiatan kompleks piruvatdehidrogenase bertambah. Akibatnya, reaksi dekarboksilasi piruvat menjadi asetil ko-Anaik, sehingga laju reaksi daur Krebs bertambah besar dan produksi ATP bertambahbanyak.10. Jalur Metabolisme Daur Asam Trikarboksilat Jalur metabolisme daur asam trikarboksilat (asam sitrat) pertama diketemukanoleh Krebs (1937). Oleh karena itu, jalur ini disebut pula daur Krebs. Jalur daur inimerupakan ajlur metabolisme yang utama dari berbagai senyawa hasil metabolisme, yaituhasil katabolisme karbohidrat, lemak, dan protein.Lemak karbohidrat proteinAsam lemak glukosa asam amino
  23. 23. Asetil ko-A asetil ko-A asetil ko-A Α-ketoglutarat Oksalasetat fumarat Daur Krebs dan ramntai pernafasan CO 2 + H 2 O ATPGambar 21. Daur asam trikarboksilat (Krebs) sebagai bagian utama metabolismepenghasil energi. Asetil ko-A (sebagai hasil katabolisme lemak dan karbohidrat), oksalasetat, fumarat, danα-ketoglutarat (sebagaihasil katabolismeasam amino dan protein), masuk kedalam daur Krebsuntuk selanjutnya dioksidasi melalui beberapa tahap reaksi yang kompleks menjadi CO 2 , H 2Odan energi ATP. Kegiatan daur asam tri karboksilat terdapat dalam sel hewan, tumbuhan, danjasad renik yang aerob dan merupakan metabolisme penghasil energi yang utama. Jasad yanganaerob tidak menggunakan metabolisme daur ini sebagai penghasil energinya. CoASH Asetil ko-A oksaloasetat SitratNADHNAD + malat Cis-akonitat fumarat isositrat FADH 2 NAD + NADH oksalosuksinat NADHFAD +NAD + CO suksinat2 CO α-ketoglutarat 2
  24. 24. Gambar 22. Ringkasan keseluruhan daur asam trikarboksilat atau daur Krebs. Daur Krebs merupakan bagian rangkaian proses pernafasan yang panjang dankompleks, yaitu oksidasi glukosa menjadi CO 2 dan H 2 O serta produksi ATP. Prosespernafasan terdiri dari 4 tahap utama: 1) glikolisis (oksidasi glukosa menjadi piruvat), 2)konversi piruvat ke asetil ko-A, 3) daur Krebs dan 4) proses pengangkutan elektronmelalui rantai pernafasan yang dirangkaikan degan sintesis ATP dari ADP = Pi melaluiproses fosforilasi bersifat oksidasi. Didalam sel eukariota, metabolisme asam trikarboksilat berlangsung didalammitokondrion. Sebagian enzim dalam metabolisme ini terdapat di dalam cairan matriksdan sebagian lagi terikat pada bagian dalam membran mitokondrion.11. Energi yang Dihasilkan oleh Glikolisis dan DAur Asam Trikarboksilat Dari pembahasan tentang daur asam trikarboksilat sebelumnya, ternyata terdapatdua tahap reaksi yang masing-masing menghasilkan satu molekul CO 2 ; tiga reaksimenghasilkan NADH; satu reaksi menghasilkan GTP; satu reaksi menghasilkan FADH 2. Satu molekul GTP dapat menghasilkan satu molekul ATP. Dalam prosespengangkutan elektron melalui rantai pernafasan yang dikaitkan dengan fosforilasibersifat oksidasi, satu molekul NADH dan satu FADH 2 masing-masing menghasilkan 3dan 2 molekul ATP. Dengan demikian oksidasi satu molekul asetil ko-A dalam daurKrebs menghasilkan (3 x 3 + 2 x 1 + 1) ATP = 12 ATP.
  25. 25. Asetil ko-A 3 NADH 9 ATP Rantai pernafasan 1 FADH 2 2 ATP (respirasi) 1 GTP 1 ATP 12 ATP Ko-AGambar 23. Jumlah energi (ATP) yang dihasilkan oleh daur Krebs. Bila proses oksidasi itu dimulai dari piruvat, jumlah molekul ATP yang dihasilkanadalah 12 + 3 = 15untuk setiap molekul piruvat (pembentukan satu molekul asetil ko-Adari satu molekul piruvat menghasilkan satu molekul NADH). Oksidasi satu molekul glukosa melalui glikolisis menjadi dua molekul piruvat,menghasilak 8 ATP. Dengan demikian oksidasi sempurna satu molekul glukosa menjadiCO 2 + H 2 O menghasilkan 2 x 15 + 8 = 38 ATP.Glukosa 8 ATP2 piruvat 2 x 3 = 6 ATP2 asetil ko-A 2 x 12 = 24 ATP 38 ATP Daur Kreb sCO 2 + H 2 OGambar 42. Jumlah energi (ATP) yang dihasilka oleh glikolisis dan daur Krebs.
  26. 26. D. Metabolisme Protein Nama protein pertama kali diusulkan oleh ahli kimia Swedia, Berzelius. Proteinberasal dari bahasa Yunani, protios, yang berarti bahan penyokong yang pertama. Protein merupakan komponen utama dalam semua sel hidup. Fungsi utamanyasebagai unsur pembentuk styruktur sel, misalnya dalam rambut, wol, kolagen, jaringanpenghubung, membran sel dan lain-lain. Selain itu dapat pula berfungsi sebagai proteinyang aktif seperti enzim yang berperan sebagai katalisator segala proses biokimia dalamsel. Protein aktif selain enzim yaitu hormon, hemoglobin, protein yang terikat pada gen,toksin, anti bodi atau anti gen dan lain-lain. Protein adalah rangkaian atau polimer dari sejumlah asam amino. Asam aminoadalah molekul organik kecil yang pada umumnya terbuat dari karbon, hidrogen, oksigen,dan nitrogen. Protein dibuat dari suatu pool yang terdiri dari 20 asam amino yangberbeda. Ratusan atau ribuan asam amino dirangkai dengan suatu urutan tertentu untukmembentuk rantai asam amino. Fungsi protein dimungkinkan karena struktur tiga dimensinya yang unik. Denganstrukturnya yang unik suatu molekul protein dapat melakukan interaksi dengan molekullainnya sehinnga dapat berfungsi sebagai molekul pengatur dalam suatu ekspresi gen atautransmisi genetik menjadi fenotipik. Jadi, suatu protein sangat tergantung padakemampuannya untuk mengikat atau berpasangan dengan molekul lainnya untukmenjalankan fungsinya. Kemampuan tersebut ditentukan oleh struktur tiga dimensinya. Bila asam amino dirakit menjadi suatu rantai protein, rantai tersebut segeramelipat membentuk suatu struktur yang secara energetik paling relaks atau yangbentuknya paling stabil. Bentuk yang secara energetik paling stabil ditentukan olehinteraksi tiap-tiap asam amino yang membentuk protein tersebut. Oleh karena itu, jenisasam amino dan urutannya dalam rantai protein akan menentukan struktur tiga dimensimolekul protein yang terbentuk. Urutan asam amino dalam suatu rantai protein sangatpenting menentukan fungsi protein tersebut. Dengan 20 macam asam amino yangberbeda, diperoleh jumlah dan urutan yang berbeda-beda sehingga dihasilkan protein-protein unik yang hampir tidak terbatas jumlahnya. Keragamn ini sangat menguntungkanmengingat berbagai ragam fungsi yang dilakukan oleh protein.
  27. 27. Semua organisme merupakan kumpulan dari sejumlah protein dan segalaaktivitasnya. Fungsi protein tergantung pada struktur tiga dimensinya, yang padagilirannya ditentukan oleh sekuen asam amino penyusun protein tersebut. Jadi, DNAmenentukan karakteristik suatu organisme karena DNA menentukan sekuen asam aminodari semua protein pada suatu organisme. DNA mengandung sandi genetik untuk tiap asam amino yang ditampilkanmasing-masing dari sekuen tiga pasang basa. Ketiga basa (triplet) ini disebut kodon.Urutan kodon pada suatu sekuen DNA mencerminkan urutan asam amino yang akandirakit menjadi suatu rantai protein. Satu bagian sekuen DNA lengkap yang mampumenentukan sekuen asam amino suatu protein atau molekul r RNA dan tRNA disebutgen, yaitu satuan hereditas yang didefinisikan oleh para ahli genetika klasik. Semua gendan sekuen DNA yang dimiliki oleh suatu organisme disebut genom. 5’ 3’ G C A C T A G G A DNA C G T G A T C C T 3’ 5’ Protein Ala Ala Le u Asam aminoGambar 24. Sekuen DNA menentukan sekuen asam amino pada protein yang terbentuk.1. Sintesis Protein Proses sintesis protein dari sandi genetik melibatkan beberapa langkah. DNApada dasarnya adalah penyimpan informasi yang pasif, mirip denga cetak biru (blueprint) untuk denah rumah. Aktivitas pembuatan protein terjadi pada suatu situs khusus
  28. 28. dalam sel yang disebut ribosom. Oleh karena itu, langkah pertama dalam sintesis proteinadalah menyampaikan informasi dari DNA ke ribossom. Untuk melakukan hal ini enzim-enzim seluler membuat salinan kopi gen sehinnga dapat dibaca oleh ribosom. Salinankopi gen ini disebut RNA duta (messennger RNA = mRNA). mRNA membawa sandigenetik yang dipakai langsung untuk sintesis protein di ribosom. Tahap ini disebutdengan tahp transkripsi. Dalam tahap berikutnya kodon pada mRNA harus daptdikorelasi dengan asam amino yang seharusnya. Tahapan ini dilakukan molekul RNAlain, yaitu RNA transfer, (transfer RNA = tRNA) yang dikenal dengan tahap translasi.Akhirnya asam amino harus disambungkan untuk membentuk rantai protein fungsional(tahap sintesis). Ribosom yang terdiri dari RNA dan protein, melakukan fungsi tersebut.Bila rantai protein sudah lengkap, suatu tanda berhenti (stop sign) mempengaruhiribosom sehingga ribosom melepas protein baru tersebut ke dalam sel. a. Transkripsi. Transkripsi adalah sintesis RNA secara enzimatik dengan menggunakanDAN sebagai cetakan. Untuk transkripsi suatu gen, hanya salah satu rantai DNA yangdigunakan sebagai cetakan atau templat. Transkripsi dikatalis oleh enzim RNApolimerase. Sintesis RNA selalu bergerak ke satu arah, yaitu dari ujung 5’ ke ujung 3’dari molekul RNA. Untuk menginisiasi transkripsi, RNA polimerase berikatan pada suatu daerah diDNA yang disebut promoter. Promoter terletak disebelah hulu (ke arah5’) dari gen.Perbedaan urutan nukleotida dari promoter berbagai gen menyebabkan perbedaan tingkatefisiensi dan regulasi dari inisiasi transkripsi gen-gen tersebut. Setelah RNA polimerase terikat pada promoter DNA, kedua rantai DNAdipisahkan dan RNA polimerase memulai sintesis RNA di tempat inisiasi. Tempat inidisebut sebagai posisi +1. RNA polimerase menambahkan ribonukleotida ke ujung 3’darirantai RNA yang sedang disintesis. Hal ini dilakukan dengan bergerak dari ujung 3’ kearah 5’ dari rantai DNA cetakan., sambil memisahkan bagian rantai ganda DNA yangdilaluinya. Dengan demikian ribonukleotida dapat berpasangan dengan DNA cetakan danditambahkan pada ujung 3’ RNA dengan pembentukan ikatan fosfodiester. Heliks gandaakan terbentuk kembali setelah RNA polimerase lewat.
  29. 29. Promoter Daerah yang ditranskripsi TerminatorDNA 5’ TACG 3’ ATGC Transkripsi RNA 5’ U A C G 3’ Gambar 25. Struktur gen b.Translasi. Translasi merupakan proses sintesis protein di dalam sel. Sebelum sintesis protein dimulaio, setiap jenis tRNA berikatan dengan asam amino spesifik. Reaksi ini dikatalis oleh enzim aminoasil tRNA sintetase bersama dengan ATP, sehingga terbentuk aminoasil tRNA. Pada tRNA terdapat antikodon yang akan berpasangan dengan kodon yang terdapat pada mRNA. Setiap macam aminoasil tRNA sintetase akan menggabungkan asam amino tertentu pada tRNA yang spesifik. Pada tRNA inisiator, tRNA terikat pada asam amino metionin yang termodifikasi, yaitu N-formilinetionin. Proses sintesis protein terdiri dari tiga tahap yaitu: • Inisiasi : proses penempatan ribosom pada suatu molekul mRNA • Elongasi : proses penambahan asam amino • Terminasi : proses pelepasan protein yang baru disintesis Pada sintesis protein sel prokariot, prosaes inisiasi memerlukan sub unit kecil (30S) dan sub unit besar (50S) ribosom, mRNA, tiga faktor inisiasi (IF 1 , IF 2 dan IF 3 ) dan GTP. IF 1 dan IF 3 mula-mula terikat pada sub unit kecil ribosom, kemudian IF 2 dan GTP bergabung. Kompleks sub unit kecil ini terikat pada mRNA di tempat pengikatan ribosom yang terletak 8 – 13 nukleotida sebelum hulu kodon inisiasi Aug kemudian bergerak sepanjang mRNA ke arah hilir sampai menemukan kodon inisiasi.
  30. 30. Setelah pengikatan sub unit kecil ribosom pada kodon inisiasi, tRNA inisiator dapatterikat pada kodon inisiasi dan melepaaskan IF 3 sehingga terbentuk kompleks inisiasi30S, melepaskan IF 1 , IF 2 , GDP dan fosfat sehingga terbentuk inisiasi 70S. Proses elongasi melibatkan tiga faktor elongasi (EF – Tu, EF – Ts, EF – G0,GTR, aminoasil tRNA dan kompleks inisiasi 70 S. Proses elongasi terdiri dari tiga tahap: • Aminoasil tRNA membentuk kompleks denagn EF-Tu dan GTP, terikat pada “A- site” di ribosom dengan melepaskan EF-Tu – GDP. EF-Tu – GTP dapat berubah lagi menjadi EF-Tu – GTP dengan bantuan EF-Ts dan GTP. • Enzim transferase peptidil yang terdapat pada ribosom membenyuk ikatan peptida antara dua asam amino yang berdampingan. • Enzim translokase (EF-G) dengan energi GTP menggerakkan ribosom sejauh satu kodon sepanjang mRNA sehingga tRNA pada “P-site” lepas dan tRNA pada “A- site” pindah ke “P-site”.Proses elongasi rantai peptida berjalan terus sampai ribosom mencapai suatu kodon stop. Proses terminasi melibatkan tiga faktor pelepas (“release faktor”, RF 1 , RF 2 danRF 3 ). RF 1 atau RF 2 dapat mengenal kodon stop dan denagn bantuan RF 3menyebabkan trasnsferase peptidil melepaskan rantai polipeptida dari tRNA. Faktor-faktor pelepas membantu pelepasan kedua sub unit ribosom dari mRNA.2. Ciri-ciri Molekul ProteinBeberapa ciri utama molekul protein yaitu:• berat molekulnya besar, yang merupakan suatu makromolekul• umumnya terdiri dari 20 macam asam amino, yang membentuk suatu rantai polipeptida yang berikatan satu dengan yang lain. Ikatan peptida merupakan ikatan antara α-karboksil dari asam amino yang satu dengan gugus α-amino dari asam amino yang lainnya.• terdapatnya ikatan kimia yang lain yang menyebabkan terbentuknya lengkungan- lengkungan rantai polipeptida menjadi struktur tiga dimensi protein. Sebagai contoh misalnya ikatan hidrogen dan ikatan hidrofob.
  31. 31. • strukturnya tidak stabil terhadap beberapa faktor seperti pH, radiasi, temperatur, dan sebagainya• umumnya reaktif dan sangat spesifik, yang disebabkan terdapatnya gugus samping yang reaktif dan susunan khas struktur makromolekulnya.. bberapa gugus samping yang biasa terdapat diantaranya gugus kation, anion, hidroksil aromati, hdroksil alifatik, amin, amida, tiol, dan gugus heterosiklik3. Klasifikasi Asam Amino Berdasarkan sifat kekutuban (polarity) gugus R, asam amino dibagi menjadi 4golongan yaitu:1. asam amino dengan gugus R yang tak mengutub. Golongan ini terdiri dari 5 asam amino yang mengandung gugus R alifatik (alanin, lesin, isolesin, valin, dan prolin), 2 dengan R aromatik (fenilalanin dan triptofan), dan 1 mengandung atom sulfur (metionin).2. asam amino dengan gugus R mengutub tak bermuatan. Lebih mudah larut dalam air karena gugus R mengutub dapat membentuk ikatan hidrogen dengan molekul air. Kekutuban serin, treonin, dan tirosin disebabkan oleh gugus hdroksil, asparagin dan glutamin oleh gugus amida, dan sistein oleh gugus sulfhidril (-SH).3. asam amino dengn gugus R bermuatan negatif (asam amino asam). Golongan ini bermuatan negatif pada pH 6,0-7,0 dan terdiri dari asam aspartat dan asam glutamat yang masing-masing mempunyai dua gugus karboksil.4. asam amino dengan gugus r bermuatan positif (asam amino basa). Golongan asam amino ini bermuatan positif pada pH 7,0 yang terdiri dari lisin, arginin yang mengandung gugus basa lemah.4. Sifat Asam Basa Asam Amino Di dalam larutan netral asam amino selalu ada dalam bentuk ion berkutub(zwtterion) yang dapat ditunjukkan dengan konstanta elektrik dan momen dwikutub yangtinggi karena adanya pemisahan muatan positif dan negatif dalam bentuk ionberdwikutub. Semua asam amino yang didapat barasal dari hidrolisis protein kecuali glisin,memiliki sifat aktif optik yaitu dapat memutar bidang polarisasi cahaya bila diperiksa
  32. 32. dengan polarimeter. Reaksi khas asam amino disebabkan oleh adanya gugus α-karboksil,α-amino dan gugus yang terdapat pada rantai samping (R).5. Struktur dan Sifat Peptida Peptida mengandung 2,4 atau 4 asam amino, sehingga dapat disebut dipeptida,tripeptida, dst. Peptida didapatkan dari hidrolisis rantai panjang protein. Peptidamempunyai pH isoelektrik. Reaksi kimia peptida disebabkan oleh adanya gugus ujungNH2 dan –COOH, dan gugus R yang dapat berionisasi. Penamaan peptida didasarkan pada komponen asam aminonya. Urutan dimulaidar rantai N-ujung. Uji peptida ini dapat dilakukan dengan uji buret, yaitu reaksi yangterjadi antara peptida atau protein dengan CuSO4 dan alkali,yang menghasilkan warnaungu. Pemisahan atau analisis peptisa biasa dikerjakan dengan kromatografi penukar –ion atau elekrtroforesis kertas.6. Analisis Asam Amino pada Peptida Penentuan urutan asam amino dapat dlakukan dengan cara Hidrolisis sempurna.Hidrolisis dengan HCl 6N pada suhu 100 -120 celcius selama 10 - 24 jam memeberikanhasil terbaik, kecuali pada triptopan yang mengalami kerusakan pada suasana asam kuat,juga gugus amida pada glutamin dan asparagin akan pecah menghasilkan asam glutamat,asam aspartat, dan ion amoninum. Banyaknya amonia pada hidrolisat dapat ditentukan untuk mengetahui kadaramida yang terdapat pada protein. Hidrolisis dengan alkali menyebabkan kerusakan padasistein, sistin, serin dan treonin.Penentuan urutan asam amino dalam Polipeptida didasarkan pada cara sanger untukpenentuan urutan asam amino dalam protein insulin yang bebas dari kontaminasi.Cara bertingkat yang dilakukan sebagai berikut:1. penentuan asam amino C-ujung dan asam amino N-ujung.2. pemutusan rantai plipeptida menjadi fragmen peptida dengan rantai yang lebih pendek dengan enzim tripsin fragmen peptida. Kemudian fragmen tersebut dipisahkan satu dari yang lain dengan cara elektroforesis atau kromatografi. Tiap fragmen peptida dihidrolisis sempurna dan asam amino ditentukan.
  33. 33. 3. asam amino C-ujung dan asam amino N-ujung tiap fragmen peptida yang didapat dari no 2 ditentukan, sehingga urutan asam amino tiap fragmen peptida (dipeptida atau tripeptida) dapat ditentukan.4. fragmen peptida yang lebih panjang dari tripeptida, ditentukan urutan asam amino dengan cara edman, yaitu dengan pereaksi fenilisotisianat.5. diambil polipeptida asal dan pemotongan rantai menjadi fragmen diulangi lagi, tetapi dengan mempergunakan enzim lain, misalnya kimotripsin atau pepsin. Kimotripsin menghidrolisis ikatan peptida yang gugus karboksilnya berasal dari asam amino fenilalanin, triptofan atau tirosin. Pepsin menghidrolisis ikatan peptida yang gugus aminonya berasal dari asam amino fenilalanin, triptofan, tirosin, lesin, asam aspartat, asam glutamat.6. Dibandingkan komposisi asam amino dan asam amino N-ujung serta C-ujung dari fragmen yang dihasilkan kedua cara hidrolisis tersebut, maka urutan yang benar sisa asam amino dalam polipeptida asal dapat ditentukan.7. Organisasi struktur protein Struktur tiga dimensi protein dapat dijelaskan dengan mempelajari tingkatorganisasi struktur yaitu struktur primer, sekunder, tersier dan kuartener.a. Struktur primer Struktur primer protein ditentukan oleh ikatan kovalen antara residu asam aminoyang berurutan yang membentuk ikatan peptida.Struktur primer dapat digambarkansebagai rumus bangun yang biasa ditulis untuk senyawa organik.Untuk mengetahuistruktur primer protein diperlukan cara penentuan bertingkat yaitu:1.Penentuan jumlah rantai polipeptida yang berdiri sendiri dari protein2.Pemutusan ikatan antara rantai polipeptida yang satu dengan lainnya.3.Pemisahan masing-masing rantai polipeptida4.Penentuan urutan asam amino dari masing-masing rantai polipeptida dengan carasanger.b. Struktur sekunderStruktur ini terjadi karena ikatan hidrogen antara atom O dari gugus karbonil (C=O)dengan atom H dari gugus amino (N-H) dalam satu rantai pilipeptida,memungkinkan
  34. 34. terbentuknya konfirasi spiral yang disebut Struktur helix.Rantai paralel yang berkelok-kelok disebut konfirmasi –ß,rantai dihubung silangkan oleh ikatan hidrogen sehinggamembentuk suatu struktur yang disebut lembaran berlipat-lipat.Struktur polipeptidadalam protein serabut pada rambut dan wol berbentuk spiral yang berarah putar kekanan.Yang disebut dengan ð-helix,sedang yang berkelok-kelok disebut ß-kerotin.c. Struktur tersier 1. Struktur tersier terbentuk karena terjadinya perlipatan (folding) rantai ð- helix,konformasi ß,maupun gulungan rambang suatu polipeptida,membentuk protein glubular,yang struktur tiga dimensinya lebih rumit daripada protein serabut. 2. Kemantapan struktur tersier suatu molekul protein selain disebabkan oleh ikatan kovalen seperti ikatan peptida dan ikatan disulfida juga oleh ikatan tak-kovalen yang menunjangnya yaitu yang menyebabkan terjadinya pelipatan tersebut.d. Struktur kuartenerSebagian besar protein berbentuk globular yang mempunyai berat molekul lebih dari 50ribu merupakan suatu obligomer,yang terjadi dari beberapa rantai polipeptida yangterpisah yang disebut juga dengan protomer yang saling mengadakan interaksimembentuk struktur kuartener dari proteina obligomer tersebut.E. Metabolisme Lemak Lemak atau lipid terdapat pada semua bagian tubuh manusia terutama padabagian otak, mempunyai peran yang sangat penting dalam proses metabolisme secaraumum. Sebagian lipid jaringan tersebar sebagai komponen utama membrane sel danberperan mengatur jalannya metabolisme di dalam sel. Beberapa peranan biologi yang penting dari lipid adalah sebagi berikut:• Komponen struktur membran• Lapisan pelindung paad beberapa jasad• Bentuk energi cadangan• Komponen permukaan sel yang berperan dalam proses interaksi antara sel dengan senyawa kimia di luar sel, seperti dalam proses kekebalan jaringan• Sebagai komponen dalam proses pengangkutan melalui membran.
  35. 35. 1. Biosintesis Asam Lemak Biosintesis asam lemak sebagai bagian dari biosintesis lipida adalah suatu prosesmetabolisme yang penting dalam jasad hidup. Hal ini benar jika diingat jaringan hewanmempunyai kemampuan terbatas untuk menyimpan energi dalam bentuk karbohidrat.Dalam hal ini sebagian dari polisakarida dirombak melalui proses glikolisis menjadiasetil ko-A, yang merupakan prazat untuk biosintesis asam lemak dan triasilgliserol.Senyawa lipid ini mempunyai kandungan energi yang lebih tinggi bila dibandingkandengan karbohidrat dan dapat disimpan sebagai cadangan energi yang besar di dalamjaringan lemak. Di dalam tumbuhan, senyawa lipid disimpan sebagai cadangan energiyang cukup besar di dalam biji dan buah. Biosintesis asam lemak dari asetil ko-A terjadi di hampir semua bagian tubuhhewan, terutama di dalam jaringan hati, jaringan lemak dan kelenjar susu. Biosintesis iniberlangsung dalam sitoplasma, membutuhkan asam sitrat sebagai kofaktor danmembutuhkan CO 2 sebagai factor pembantu dalam mekanisme pemanjangan rantaiasam lemak, meskipun CO 2 tidak tergabung ke dalam asam lemak tersebut.Berikut ini merupakan reaksi keseluruhan dari biosintesis asam lemak: a. Tahap penggantian asetil Co-A. Pembentukan malonil-Co-A. CO 2 ADP +Pi ATPAsetil-SCoA biotin HOOC-CH 2 -CO-SCoA Asetil Co-A karboksilase Malonil - CoA b. Tahap pemanjangan rantai secara kontinu (proses de novo) ACP - SH CoA - SH7 malonil – CoA 7 malonil – S – ACP ACP - SH CoA - SH
  36. 36. asetil – CoA asetil – S – ACP palmitoil – S - ACP Kompleks enzim sintetase asam CoA - SH lemak ACP - SH c. Pemanjangan rantai secara tahap demi tahap Asetil - SCoA Asetil - SCoA Palmitoil - SCoAPalmitoil – ScoA steroil – ScoA dan seterusnyaGambar 26. Ketiga tahap utama mekanisme biosintesis asam lemak2. Katabolisme Asam Lemak Asam lemak adalah suatu senyawa yang terdiri dari rantai panjang hidrokarbondan gugus karboksilat yang terikat pada ujungnya. Asam lemak mempunyai dua perananfisiologi yang penting. Pertama, sebagai satuan pembentuk fosfolipid dan glikolipid yangmerupakan molekul amfipatik sebagai komponen mmbran biologi.a. Oksidasi asam lemak: oksidasi beta.Asam lemak mempunyai peran yang sangat penting sebagai sumber pembentuk energidalam tumbuhan dan hewan. Sebagian besar dari padanya disimpan dalam bentuksenyawa trigliserida di dalam sel. Sebagian besar asam lemak bebas yang mengalamikatabolisme berasal dari proses hidrolisis trigliserida oleh enzim lipase yang terdapat didalam sel jaringan lemak. Asam lemak ini dikeluarkan dari sel, berikatan dengan serumalbumin yang kemudian bersama aliran darah dibawa ke jaringan lainnya di dalam tubuhuntuk selanjutnya mengalami oksidasi. Dalam hal ini asam lemak yang masuk kejaringan lebih dulu dipergiat dengan perantaraan enzim di dalam sitoplasma, barukemudian dapat dimasukkan ke dalam mitokondrion untuk selanjutnya mengalami prosesoksidasi menghasilkan energi yang dipakai untuk segala kegiatan dalam tubuh yangmemerlukan energi.
  37. 37. Oksidasi sempurna asam lemak berantai panjang di dalam semua sel jaringan hewan mamalia, kecuali di dalam sel otak, menghasilkan CO 2 dan H 2 O sebagai hasil akhir. Dalam keadaan tertentu oksidasi asam lemak dalam sel otak menghasilkan asam β- hidroksibutirat. Kelincahan gerak, penyebaran, dan oksidasi asam lemak yang terjadi di dalam tubuh berlangsung secara terpadu dengan proses metabolisme karbohidrat dan diatur oleh sistem hormon endokrin yang rumit. ATP AMP PPi CoASH Asam lemak asil asam lemak koenzim – A (1) FAD Asil asam lemak (2) dehidrogenase FADH Enoil – CoA H O 2 Enoil hidraseTahap reaksi (2) sampai dengan (3)(5) diulangi terus sampai seluruhrantai asam lemaknya dioksidasimenjadi asetil CoA Hidroksi asil – CoA NAD β-hidroksiasil H + + (4) dehidrogenase NADH
  38. 38. Ketoasil – CoA CoASH TiolaseAsil asam lemak CoA denganrantai dua atom karbon lebihpendek dari pada asil asam lemak (5)– CoA semula Asetil CoA Gambar 27. Proses β-oksidasi asam lemak. BIOTEKNOLOGI A. Definisi Bioteknologi Istilah bioteknologi pertama kali dikemukakan oleh Karl Ereky, seorang insinyur dari Hongaria. Pada tahun 1917 istilah bioteknologi digunakan untuk mendiskripsikan produksi babi dalam skala besar dengan menggunakan bit gula sebagai sumber pakannya. Sampai tahun 1970 bioteknologi selalu berasosiasi dengan rekayasa biokimia (biochemikal enginering) dan pada umumnya perkuliahan yang berhubungan dengan bioteknologi juga diberikan oleh Jurusan Rekayasa Kimia atau Rekayasa Biokimia. Bioteknologi merupakan teknologi yang menggunakan organisme hidup atau bagian-bagiannya untuk memenuhi berbagai kebutuhan manusia. Dengan kata lain, bioteknologi merupakan penggunaan organisme atau sistem hidup untuk memecahkan suatu masalah atau untuk menghasilkan produk yang berguna.
  39. 39. B. Bioteknologi Klasik dan Bioteknologi Modern Selama beribu-ribu tahun kita telah menggunakan mikroba seperti khamir danbakteri untuk membuat produk-produk yang berguna seperti roti, anggur, keju, toghurt,tempe dan nata de coco. Produk-produk makanan dan minuman tersebut termasuk hasildari bioteknologi klasik. Bioteknologi modern dimulai dengan produksi bahan kimia dalam skala besardengan menggunakan mikroorganisme. Bioteknologi modern telah berkembang secarapesat sejak munculnya teknik-teknik biologi molekul (teknologi DNA rekombinan),sehingga manusia dapat mengotak-atik susunan genetik dari mahluk hidup. Dengan munculnya teknik-teknik biologi molekul inilah, bioteknologi dikatakanmerupakan suatu terobosan teknologi yang revolusioner. Selama periode tahun 1960-ansampai tahun 1970-an, pengetahuan kita tentang biologi sel dan molekuler sampai padasuatu titik yang memungkinkan kita untuk memanipulasi suatu organisme ditaraf seluleratau molekuler. Memanipulasi suatu organisme untuk kepentingan umat manusiabukanlah suatu hal yang baru, yang baru adalah bagaimana melakukan manipulasitersebut.
  40. 40. Gambar 28. Penemuan struktur DNA tahun 1953 sebagai pembuka perkembanganbioteknologi molekuler oleh James Watson dan Francis Crick. Sebelumnya, kita menggunakan suatu organisme utuh tetapi sekarangmenggunakan sel-sel dan molekul organisme tersebut. Sebelumnya kita melakukanmanipulasi tanpa mengetahui mekanisme yang mendasari manipulasi tersebut. Cara
  41. 41. manipulasi kita sulit diprediksi hasilnya. Tetapi kita sekarang mengerti manipulasi yangkita lakukan pada taraf yang paling mendasar aitu pada taraf molekuler atau gen. Olehkarena itu, kita dapat memprediksi pengaruh manipulasi yang dilakukan danmengarahkan perubahan yang diinginkan dengan tingkat ketepatan yang tinggi.C. Perkembangan Bioteknologi Bioteknologi sudah ada sejak 10.000 tahun yang lalu. Mikroorganisme sudahdigunakan orang dalam pembuatan bir, cuka, yoghurt, dan keju. Pada zaman romawi,anggur sudah dikenal orang. Pembuatan bahan kimia pertama dengan menggunakanmikroorganisme dilakukan pada abad ke-14, yaitu pada pembuatan etanol. Industrifermentasi modern dikenal sejak perang dunia I, yaitu produksi dalam skala besarberbagai bahan kimia, seperti gliserol dengan menggunakanm ragi, aseton-butanoldengan menggunakan bakteri Clostridium acetobutilicum dan asam sitrat denganmenggunakan jamur Aspergillus niger. Fermentasi semi kontinu mulai dikenal selamaperang dunia II. Perang dunia II memicu orang untuk meningkatkan produksi anti bioikpenisilin. Produksi penisillin berhasil ditingkatkan dengan memperbaiki galur jamur yangdigunakan dan mengembangkan teknologi fermentasi dalam skala besar. Pencarianantibiotik lain dari berbagai mikroorganisme lain juga terus dilakukan. Sesudah tahu1960-an, kultur sel hewan dalam skala besar mulai digunakan dalam pembuatan vaksindan pembuatan obat seperti ionterferon. Berbeda dengan kultur mikroorganisme, kultur sel tidak dapat tumbuh sebagaisuspensi tetapi memerlukan suatu permukaan tempat melekatnya sel hewan. Pada tahun1970-an berhasil dibuat hibridoma, yaitu hasil fusi sel tumor denagn sel limfositpenghasil antibodi. Masing-masing sel hibridoma menghasilkan antibodi monoklonal,yaitu antibodi terhadap bagian spesifik dari suatu protein. Antibodi monoklonal banyakdigunakan dalam diagnostik, terapi terhadap suatu penyakit dan proses pemurnianprotein. Kultur sel tumbuhan dapat diregenerasi menjadi tanaman baru. Dari suatu kultursel tumbuhan dapat dihasilkan ratusan tanaman baru. Sel yang bebas dari virus dapatdiisolasi dan dikulturkan sehingga dapat dihasilkan tanaman yang bebas virus dan inidapat meningkatkan produksi.
  42. 42. Gambar 29. Seleksi buah-buahan yang menguntungkan dan pemanfaatan mikrobiadalam pembuatan bir telah lama dilakukan oleh manusia Pada tahun 1980-an, bioteknologi berkembang secara pesat akibat munculnyateknologi DNA rekombinan yang memberi kemampuan bagi manusia untuk memotongdan menyambung kembali molekul DNA secara in-vitro. Dengan demikian gen yangberasal dari suatu spesies dapat dipindahkan ke spesies lain. Dengan teknologi DNArekombinan, bakteri Escherichia coli dapat digunakan untuk memproduksi hormonmanusia dalam skala besar. Hewan dan tumbuhan dapat dimodifikasi denganmenambahkan gen yang berasal dari spesies lain sehingga diperoleh hewan atautumbuhan transgenik. Aplikasi komersial pertama dari teknologi DNA rekombinanadalah produksi protein skala besar oleh bakteri, seperti protein yang berupa hormon danenzim. Kemudian produksi molekul kecil dapat dilakukan dengan mengklon gen-genyang terlibat dalam biosintesis molekul tersebut dalam satu fragmen DNA. PenggunaanDNA dengan teknik Polymerase Chain Reaction (PCR) yang dikembangkan sejak akhirtahun 1980-an, memungkinkan orang untuk mengisolasi fragmen DNA tertentu dari satusel kemudian dilipatgandakan misalnya sel yang terdapat ujung rambut, bercak darahkering atau fosil yang berumur ribuan tahun. Teknik ini dapat dimanfaatkan untukmendiagnosis penyakit dan mencari bukti kejahatan pada ilmu forensik.Tabel 1. Perkembangan Sejarah Bioteknologi MolekulerTahun Peristiwa1917 Karl ereky memperkenalkan istilah bioteknologi
  43. 43. 1943 Penisilin diproduksi dalam skala industri1944 Avery, Mac Leod, Mc Carty mendemoonstrasikan bahwa DNA adalah bahan genetik1953 Watson dan Crik menentukan struktur DNA1961 Jurnal Biotechnology and bioengineering ditetapkan1961-1966 Seluruh sandi genetik terungkap1970 Enzim restriksi endonuklease pertama kali diisolasi1972 Khorana dan kawan-kawan berhasil mensintesis secara kimiawi seluruh gen DNA1973 Boyer dan Cohen memaparkan teknologi DNA rekombinan1975 Kohler dan Milstein menjabarkan produksi antibodi monoklonal1976 Perkembangan teknik-teknik untuk menentukan sekuen DNA1978 Genentech menghasilkan insulin manusia dalam E.coli1980 US Spreme Court: mikroorganisme hasil manipulasi dapat dipatenkan1981 Untuk pertama kalinya automated DNA synthesizers dijual secara komersial1981 Untuk pertama kalinya kit diagnostik berdasarkan antibodi disetujui untuk dipakai di Amerika Serikat1982 Untuk peratma kalinya vaksin hewan hasil teknologi DNA rekombinan disetujui pemakaiannya di Eropa1983 Plasmid Ti hasil rekayasa genetik dipakai untuk transformasi tanaman1988 US Patent diberikan untuk mencit hasil rekayasa sehingga rentan terhadap kanker1988 Metode polymerase Chain Reaction dipublikasikan1990 USA: telah disetuji percoban terapi gen sel somatik pada manusiaD. Bioteknologi Hulu dan Bioteknologi Hilir Suatu proses industri bioteknologi yang menggunakan mikroorganisme untukmenghasilkan suatu produk pada dasarnya terdiri dari tiga tahapan utama, seperti padaGambar 1 di bawah ini. Proses Fermentasi & Proses Produk hulu biotransformasi hilir akhir
  44. 44. Bahan mentahGambar 1. Tahap-tahap Utama dalam Proses Industri/Bioteknologi1. Proses hulu: melibatkan serangkaian perlakuan pada bahan mentah sehingga dapat digunakan sebagai sumber makanan bagi mikroorganisme sasaran2. Fermentasi dan transformasi: penumbuhan mikroorganisme sasaran dalam bioreaktor besar (biasanya lebih dari 100 liter) yang diikuti dengan produksi (hasil biotransformasi) bahan yang diinginkan, misalnya: antibiotik, asam amino, enzim, atau asam-asam organik3. Proses hilir: pemurnian senyawa atau bahan yang diinginkan dari medium fermentasi atau dari massa sel Penelitian-penelitian bioteknologi dimaksudkan untuk memaksimalkan efisiensitiap tahap dalam proses bioteknologi serta dapat menemukan miokroorganisme yangsesuai untuk produksi pangan, pakan, suplemen pangan dan obat-obatan. Selama tahun1960-an sampai tahun 1977-an, penelitian-penelitian ini difokuskan pada proses hulu,desain bioreaktor dan proses hilir.oleh karena itu banyak dihasilkan informasi yangmenjadi dasar penting bagio pembuatan bioreaktor serta instrumentasinya, serta teknologiscale-up yang lebih efisien dalam menghasilkan berbagai produk. Dari keseluruhan proses industri bioteknologi, bagian biotransformasi merupakankomponen yang paling sulit dioptimalkan secara sistematis. Paad umumnya galur-galurmikroba yang diisolasi dari alam tidak optimal untuk dipakai langsung dalam industribioteknologi. Oleh larena itu, induksi mutasi melalui mutagenesis kimia atau radiasiultraviolet digunakan untuk mengubah secara acak susunan genetik suatu galur mikroba,dengan harapan dapat diperoleh galur yang profilnya lebih optimal. Dalam beberapa halmisalnya dalam produksi antibiotik, cara-cara mutasi acak dan seleksi telah berhasildilakukan. Meskipun demikian, pada sebagian industri bioteknologi lainnya, mutasi acakjustru munurunkan produksi atau hasilnya sulit sekali di prediksikan, karena adanyamutasi pada bagian-bagian lain dari genom mikroba yang bersangkutan. Selain itu,derajad perbaikan galur masih sangat dibatasi oleh sistem biologi yang ada. Contohnyadalam produlsi asam sitrat digunaka Aspergillus niger yang memnag sangat tinggirendemennya. Tetapi untuk fermentasi nedia padat, spora kapang ini dapat menyebabkan
  45. 45. masalah medis yang relatif sulit penanganannya di lapangan. Sementara itu mutasi acakuntuk meniadakan spora dari Aspergillus niger tanpa menurunkan rendemen asamnyasangat sulit dilakukan tanpa melewati batas-batas biologi Aspergillus niger.E. Teknologi Teknologi Yang Mendasari Bioteknologi Beberapa teknologi yang mendasari Bioteknologi: 1. Teknologi Antibodi Monoklonal (TAM) Teknologi antibodi monoklonal menggunakan sel-sel sistem imunitas yangmembuat protein yang disebut antibodi. Sistem kekebalan kita tersusun dari sejumlah tipesel yang bekerja sama untuk melokalisir dan menghancurkan substansi yang dapatmemasuki tubuh kita. Tipa tipe sel mempunyai tugas khusus. Beberapa dari sel tersebutdapat membedakan dari sel tubuh sendiri (self) dan sel-sel asing (non self). Salah satudari sel tersebut adalah sel limfosit B yang mampu menanggapi masuknya substansi asingdenngan spesivitas yang luar biasa. Dengan mengetahui cara kerja anti bodi, kita dapat memanfaatkannya untukkeperluan deteksi, kuantitasi dan lokalisasi. Pengukuran dengan pendeteksian denganmenggunakan TAM relatif cepat, lebih akurat, dan lebih peka karena spesifitasnya tinggi. TAM saat ini digunakan untuk deteksi kehamilan, alat diagnosis berbgai penyakitinfeksi dan deteksi sel-sel kanker. Karena spesifitasnya yang tinggi maka TAM dapatdigunakan untuk membunuh sel kanker tanpa mempengaruhi sel-sel yang sehat. Selainkegunaannya untuk mendiagnosis penyakit pada manusia, TAM juga banyak dipakaiuntuk mendeteksi penyakit-penyakit pada tanaman dan hewan, kontaminasi pangan danpolutan lingkungan. 2. Teknologi Bioproses Teknologi bioproses menggunakan sel-sel hidup atau komponen mekanismebiokimia untuk mensintesis, menguraikan atau membebaskan energi. Kebanyakan yangdipakai adalah sel organisme bersel tunggal seperti bakteri, archae bakteri dan khamir.Sedangkan komponen seluler yang sering dipakai adalah sekelompokmprotein yangdisebut enzim. a). Fermentasi. Teknologi bioproses yang paling kuno dan paling dikenal adalahfermentasi melalui mikroba. Pada mulanya produk fermentasi asal mikroba diperoleh dari
  46. 46. serangkaian reaksi yang dikatalis enzim untuk menguraikan glikosa. Dalam prosespenguraian glukosa untuk mendapatkan energi, mikroba melakukan reaksi sintesissenyawa sampingan yang dapat digunakan untuk keperluan manusia, seperti:karbondioksida untuk mengembangkan roti, etenol untuk produksi anggur dan bir, asamlaktat untuk produksi yoghurt dan susu fermentasi lainnya, serta asam asetat untukberbagai jenis cuka dan acar. Sekarang kita telah mengembangkan pemakaian mesinbiokimia ini sampi diluar lintasan metabolisme penguraian glukosa. Kita telahmemanfaatkan fermentasi asal mikroba untuk mensintesis berbagai macam produk laintermasuk anti biotik, asam amino, hormon, vitamin, pelarut-pelarut organik, pestisida,bahan-bahan pembantu proses pengolahan pangan, pigmen, enzim, inhibitor enzim danberbagai bahan biofarmasi. b). Biodegradasi. Mikroba dan enzim yang digunakan untuk menguraikanmolekul-molekul organik dapat membantu kita untuk membersihkan atau memecahkansejumlah masalah lingkungan tertentu seperti: tumpahan minyak, tempat-tempatpembuangan bahan toksik, dan residu pestisida. Pemanfaatan populasi mikroba untukmembersihkan polusi lingkungan disebut bioremediasi. Salah satu contoh adalahbioremediasi dalam pemakaian bakteri pemakan minyak untuk membersihkan tumpahanminyak Exxon Valdez di Prince William Sound, Alaska pada tahun 1989 dan tumpahanminyak di Irak setelah perang teluk 1991. Di masa mendatang kita dapat menggunakanlimbah rumah tangga dan pertanian untuk memproduksi energi melalui bantuan mikroba.Berbagain jenis mikroba juga berperan untuk mencegah terjadinya ledakan penyakit, baikdalam bidang pertanian, perikanan, maupun peternakan. Pemakaian bakteri tertentu untukbiokondisioner sudah sangat dikenal di sektor pertambakan udang dan pertanian tanamantertentu. 3. Teknologi Sel dan Kultur Jaringan Teknologi sel dan kultur jaringan adalah teknologi yang memungkinkan kitamenumbuhkan sel jaringan dalam nutrien sesuai di laboratorium. 4. Kultur sel tanaman. Kulturr sel dan jaringan tanaman merupakan aspek yangsangat penting dalam bioteknologi tanaman. Teknologi ini berlandaskan padakemampuan unik sel-sel atau jaringan tanam untuk menghasilkan tanaman multiselulerdari satu sel tunggal yang dapat berdiferensiasi (totipotensi). Rekayasa genetika tanaman
  47. 47. biasanya dilakukan pada taraf satu sel tunggal. Jika satu sel daun direkayasa agarmembawa sifat yang menguntungkan misalnya membawa sifat yang resisten terhadapserangga, maka sel tersebut harus dapat berkembang menjadi tanaman utuh sehinggadapat bermanfaat bagi petani. 5. Kultur sel hewan. Sel dan jaringan tumbuahn bukan satu-satunya yang dipakaidalam bidang pertanian. Dengan menggunakan kultur sel insekta (serangga) untukmenumbuhkan virus-virus yang dapat menginfeksi serangga memungkinkan kita untukmemperluas pemakaian virus dan baculovirus sebagai agen biokontrol. Masyarakat medismenggunakan kultur sel untuk mempelajari aspek keamanan da efektivitas senyawabiofarmasi, mekanisme molekuler infeksi virus dan replikasinya, sifat toksisitas suatusenyawa serat dasar-dasar biokimia sel. Kombinasi antara kultur sel mamalia danteknologi bioproses akan memberikan harapan untuk memproduksi senyawa selulertertentu dalam jumlah besar. Studi lanjut dalam kultur sel mamalia saat inimemungkinkan para pakar untuk menumbuhkan berbagai jenis sel manusia yang padaakhirnya dapat digunakan untuk memproduksi suatu jaringan tertentu untuk menggantisuatu jaringan yang rusak atau hilang, misalnya karena penyakit atau kecelakaan. 6. Teknologi Biosensor Teknologi biosensor merupaka gabungan antara biologi molekuler danmikroelektronika. Suatu biosensor adalah suatu alat pendeteksi yang terdiri dari suatusubstansi biologi ayng digandengkan dengan suatu transduser elektronika. Substansibioogis dapat berupa mikroba, sel tunggal dari hewan multi seluler atau komponenseluler seperti enzim atau anti bodi. Biosensor memungkinkan kita untuk mengukurkonsentrasi suatu senyawa yang hanya terdapat dalam konsentrasi yang sangat rendah. Biosensor bekerja apabila senyawa kimia yang diukur konsentrasinyabertumbukan dengan detektor biologis, sehingga trasduser akan menghasilkan suatu aruslistrik kecil. Besar kecilnya sinyal listrik ini sebanding dengan konsentrasi senyawa kimiayang terdapat di lingkungan tersebut. Teknologi biosensor dapat digunakan dalam berbagai bidang, seperti pengukuranderajad kesegaran suatu bahan pangan, memonitor suatu proses industri, atau mendeteksisuatu senyawa yang terdapat dalam jumlah kecil di dalam darah. 7. Rekayasa Genetika
  48. 48. Rekayasa genetika yang seringkali sinonim dengan teknologi DNA rekombinanmerupakan tulang punggung dan pemicu lahirnya bioteknologi molekuler. DNArekombinan dikonstruksi dengan manggabungkan materi genetik dari dua atu lebihsumber yang berbeda atau melakukan perubahan secara terarah pada suatu materi genetiktertentu. Di alam, materi genetik melakukan rekombinasi secara konstan. Berikut inimerupakan beberapa contoh rekombinasi dari dua sumber atau lebih: Rekombinasi saat pendah silang dalam pembentukan gamet pada proses meiosis Saat sperma dan ovum melebur pada proses fertilisasi Saat bakteri melakukan transaksi bahan genetik melalui konjugasi transformasi atau trasduksi.Gambar 31. Teknologi DNA Rekombinan pertama kali oleh Stanley Cohen dan HerbertBoyer. (1973)
  49. 49. Stanley Cohen (Stanford) Herbert Boyer (UCSF) Dalam tiap contoh rekombinasi tersebut dapat dimengerti bahwa rekombinasimerupakan salah satu cara untuk menungkatkan terjadinya keragaman hayati di alam.Materi genetik yang ada di alam menyajikan suatu bahan mentah evolusi yang dilakukanoleh seleksi alam atau seleksi buatan yang dilakukan oleh manusia. 8. Penggunaan variasi genetik dalam pemuliaan. Setelah manusia mampumelakukan domestikasi, maka mulailah terjadi pemuliaan secara selektif untuk mengubahbahan genetiknya sesuai dengan keinginan. Suatu individu tertentu dalam populasi, yangberarti suatu materi genetik tertentu, disukai oleh manusia dan dipakai sebagai indukuntuk generasi-generasi berikutnya. Dengan menyeleksi sutu variasi genetik tertentu darisuatu populasi dan menyingkirkan variasi genetik lainnya, berarti kita sudah melakukanrekombinasi bahan genetik dengan terarah dan dengan tujuan khusus. Akibatnya, secararfadikal kita telah mengubah bahan genetik organisme yang telah kita domestikasikan. a). Variasi genetik melalui rekayasa genetika. Rekayasa genetika atauteknologi DNA dapat diartikan sebagi teknik molekuler yang tepat dan mampumenggabungkan molekul DNA tertentu dari sumber-sumber berbeda. Rekombinasi DNAdilakukan dengan menggunakan enzim (enzim retriksi dan enzim ligase) yang dapatmelakukan pemotongan dan penyambungan DNA dengan tepat dan dapat diperkirakan.DNA rekombinan selanjutnya dimasukkan kedalam organisme sasaran melalui introduksilangsung (transformasi) melalui virus atau bakteri. b). Pemuliaan selektif vs rekayasa genatika. Pada dasarnya, rekayasa genetikadan pemuliaan selektif memiliki kesamaan, namun kedua teknik ini juga memilikiperbedaan penting.
  50. 50. Tabel 2. Perbedaan Antara Pemuliaan Selektif dan Rekayasa GenetikaParameter Pemuliaan Selektif Rekayasa GenetikaTingkat Organisme utuh Sel atau molekulKetepatan Sekumpulan gen Satu gen tunggalKepastian Perubahan genetik sulit atau tidak Perubahan bahan genetik mungkin dikarakterisasi dikarakterisasi dengan baikBatasan taksonomi Hanya dapat dipakai dalam satu spesies Tidak ada batasan taksonomi atau satu genus Dalam rekayasa genetika, kita memindahkan satu gen tunggal yang fungsinyasudah diketahui dengan jelas, sedangkan dengan pemuliaan selektif yang ditransferadalah sekumpulan gen yang fungsinya tidak diketahui. Dengan meningkatkan ketepatandan kepastian dalam manipulasi gen, maka risiko untuk menghasilkan organisme dengansifat-sifat yang tidak diharapkan dapat diminimumkan. Dalam pemuliaan selektif, kita mengawinkan organisme dari satu spesies, darispesies yang berbeda, dan kadang-kadang dari genus yang berbeda. Dalam rekayasagenetika sudah tidak ada lagi hambatan taksonomi. 9. Teknologi Rekayasa Protein Teknologi rekayasa protein sering digunakan bersamaan dengan rekayasagenetiak untuk menungkatkan profil atau kinerja suatu protein, dan untukmengkonstruksi protein baru yang secara alami tidak ada. Dengan teknologi rekayasaprotein, kita dapat meningkatkan daya katalis suatu enzim sehingga dapat lebih produktifpada kondisi proses-proses inustri. Selain itu, kemajuan dalam rekayasa protein jugamemungkinkan kita membuat enzim baru dengan dasar antibodi, yang disebut abzyme.
  51. 51. Latihan soal:1. Yang terjadi pada reaksi gelap cahaya adalah, kecuali................. a. Memanfaatkan energi dari reaksi terang b. Memerlukan O 2 c. Reduksi CO 2 d. Menghasilkan glukosa2. Pada reaksi terang, penyimpanan energi matahari dalam bentuk...... a. ATP b. ADP c. NADP d. NADPH a. CO 23. 1 molekul glukosa, dalam penguraian sempurnanya membentuk CO 2 dan H 2 O menghasilkan energi sebanyak....... a. 6 ATP b. 8 ATP c. 24 ATP d. 38 ATP4. Dibawah ini merupakan pengertian glikolisis, kecuali........ a. Proses penguraian/katabolisme karbohidrat b. Reksi dengan produk akhir berupa piruvat c. Reaksi yang terjadi dalam sitoplasma d. Reaksi yang menghasilkan energi ATP paling besar dalam katabolisme karbohidrat5. Pernyataan berikut yang benar adalah........ a. Suatu asam amino hanya disandikan oleh suatu kodon tertentu b. Suatu asam amino bisa disandikan oleh lebih dari satu kodon c. Satu atau lebih asam amino dapat disandikan oleh satu kodon d. Kodon adalah sekuen tiga ribonukleotida yang berurutan yag terdapat pada suatu tRNA
  52. 52. 6. Proses transkripsi dalam biosisntesis protein merupakan ............. a. proses sintesis DNA b. proses sintesis RNA c. pembentukan mRNA yang dimulai dari promoter yang terletak disebelah hilir gen d. Terjadi dari arah 5’ ke 3’ dari rantai DNA7. Yang dimaksud dengan ekspresi suatu gen adalah....... a. Sintesis protein yang dikode oleh gen tersebut b. Sintesis RNA yang dikode oleh gen tersebut c. Sintesis RNA polimerase oleh gen DNA polimerase d. Sintesis protein dari mRNA hasil transkripsi gen tersebut8. Berikut ini tahap biosintesis asam lemak, kecuali....... a. Pembentukan malonil – CoA b. Pembentukan asetil – CoA c. Tahap pemanjangan rantai secara kontinu d. Tahap pemanjangan rantai tahap demi tahap9. Perbedaan biosintesis asam lemak dengan oksidasi asam lemak adalah... a. Biosintesis asam lemak terjadi pada mitokondria, oksidasi asam lemak terjadi pada sitoplasma b. Biosintesis asam lemak membutuhkan asam sitrat sebagai kofaktor c. Oksidasi asam lemak membutuhkan CO 2 d. Biosintesis asam lemak membutuhkan O 210. Berikut ini jaringan utama biosintesis asam lemak, kecuali..... a. Jaringa hati b. Jaringan limpha c. Kelenjar susu d. Jaringan lemak11. Yang dimaksud dengan ekspresi suatu gen adalah....... e. Sintesis protein yang dikode oleh gen tersebut
  53. 53. f. Sintesis RNA yang dikode oleh gen tersebut g. Sintesis RNA polimerase oleh gen DNA polimerase h. Sintesis protein dari mRNA hasil transkripsi gen tersebut12. Pada proses translasi......... a. Sub unit kecil ribosom terikat pada mRNA kemudian sub unit besar bergabung b. Iaktan peptida terbentuk akibat enzim aminoasil sintetase c. Aminoasil tRNA membentuk kompleks dengan EF-Tu dan GDP d. Enzim transferase peptidil menggerakkan ribosom sejauh satu kodon sepanjang mRNA13. Promoter merupakan..... a. Suatu gen dimana RNA polimerase terikat untuk dapat menginisiasi transkripsi b. Suatu urutan nukleotida spesifik dimana RNA polimerase terikat untuk dapat menginisiasi transkripsi c. Suatu tempat dimana RNA polimerase terikat untuk dapat menginisiasi translasi d. Suatu urutan nukleotida dimana DNA polimerase terikat untuk dapat menginisiasi transkripsi14. Manakah dari industri berikut ini yang berdasarkan bioteknologi? a. Industri kertas b. Industri produksi antibiotika c. Industri pupuk urea d. Jawaban A,B,C benar15. Salah satu perbedaan bioteknologi klasik dengan bioteknologi modern adalah: a. Bioteknologi klasik menggunakan mikroorganisme sedangkan bioteknologi modern menggunakan organisme tingkat tinggi b. Bioteknologi klasik menghasilkan makanan sedangkan bioteknologi modern menghasilkan bahan kimia c. Produksi pada bioteknologi klasik dilakukan dalam skals kecil sedangkan produksi pada bioteknologi modern dilakukan dalam skala besar d. Bioteknologi klasik tidak dapat menghasilkan varietas baru sedangkan bioteknologi modern dapat menghasilkan varietas baru16. Dari proses berikut ini, mana yang paling sulit dioptimalkan?
  54. 54. a. Formulasi bahan baku untuk fermentasi b. Pemurnian produk hasil fermentasi c. Perbaikan galur mikroba d. Pembuatan penguikur pH untuk memonitor proses fermentasi17. Di bawah ini merupakan aplikasi dari antibodi monoklonal, kecuali...... a. Kit untuk memurnikan suatu porotein b. Kit untuk menguji air kencing seseorang untuk menentukan apakah seseorang hamil atau tidak c. Kit untuk mengisolasi DNA dari darah yang ditemukan pada tempat terjadinya kejahatan d. Kit untuk menentukan golongan darah dari darah yang ditemukan pada tempat terjadinya kejahatan18. PCR adalah ..... a. Suatu tekhnik untuk mengisolasi DNA b. Suatu tekhnik untuk mengisolasi protein c. Suatu tekhnik untuk penggandaan DNA d. Suatu tekhnik untuk penggandaan protein19. Di bawah ini merupakan contoh dari bioteknologi hewa, kecuali.....a. Fertilisasi sapi betina dengan sperma sapi jantan yang telah disimpan di nitrogen cairb. Membuat domba transgenikc. Membuat antibodi monoklonald. Menambah garam pada pakan sapi agar sapi tambah cepat gemuk20. Produksi penisillin dalam skala besar dilakukan sejak...a. Alexander Fleming menemukan penisillinb. Perang Dunia Ic. Perang dunia IId. Perang dingin antara AS dan Rusia21. Hibridoma merupakan.....a. Hasil fusi antara sel tumor dengan sel limfosit
  55. 55. b. Hasil fusi antara sel tumor dengan sel pankreas penghasil insulinc. Hasil persilangan antara domba dengan kambingd. Hasil fusi antara sel tumor dengan antibodi22. Kegiatan di bawah ini termasuk kegiatan bioteknologi hulu kecuali....a. Isolasi genb. Mengubah sifat organismec. Mengubah sifat suatu gend. Memurnikan produk suatu gen23. Kegiatan ini termasuk kegiatan bioteknologi hilir, kecuali.....a. Fermentasi skala kecil untuk menentukan komdisi produksi optimumb. Percobaan cara memurnikan produk dengan hasil silang tinggic. Percobaan cara memurnikan produk dengan biaya paling murahd. Percobaan untuk menentukan cara menyimpan produk sehingga tahan lama24. Hasil bioteknologi di bawah ini dapat digunakan dalam ilmu forensik untuk mencari bukti suatu kejahatan, kecuali...a. PCRb. Kultur sel hewanc. Kultur sel tumbuhand. Antibodi monoklonal25. Kegiatan atau proses di bawah ini dapat menggunakan mikroorganisme, kecuali...a. Produksi etanolb. Menghasilkan tanaman transgenikc. Menghasilkan antibodi monoklonald. Kultur sel hewan26. Di bawah ini merupakan persaam antara kultur sel hewan dengan kultur sel tumbuhan adalah, kecuali............a. Kultur harus ditumbuhkan dalam kondisi sterilb. Kultur harus cocokc. Kultur memerlukan faktor pertanamand. Tidea semua sel bersifat totipotent
  56. 56. 27. Mikroorganisme yang mempunyai peran dalam menghasilkan pupuk hayati adalah sebagai berikut, kecuali.......a. Azollab. Rhizobiumc. Azospirillumd. Anabaena28. Diantara jenis makanan tradisional ini, salah satunya tidak memanfaatkan mikroba di dalam proses pengerjaannya, yaitu.......a. Tempeb. Anggurc. Taped. Lemper DAFTAR PUSTAKAAntonius Suwanto, 2002, Bioteknologi, Pusat Penerbit Univ. Terbuka Jakarta.Conn, E.E. 1987. Outlines of Biochemistry. New York USA: John Wiley & Sons.Girindra, A. 1986. Biokimia. Jakarta : GramediaLehninger, A.L. 1982. Biochemistry. New york : Worth Publisher Inc.Trehan, K. 1980. Biochemistry. New delhi: Wiley Eastern Limited.Wirahadikusumah, M. 1983. Biokimia Protein Enzim dan Asam Nukleat. Bandung : Penerbit ITB.Wirahadikusumah, M. 1983. Biokimia. Bandung : Penerbit ITB

×