Biokimia
Dari Wikipedia bahasa Indonesia, ensiklopedia bebas
Biokimia adalah
kimia makhluk hidup. Biokimiawan mempelajari
molekul dan
reaksi kimia terkatalisis oleh
enzim yang berlangsung dalam semua
organisme. Lihat artikel
biologi molekular untuk
diagram dan deskripsi hubungan antara biokimia, biologi molekular, dan
genetika.
Biokimia merupakan ilmu yang mempelajari struktur dan fungsi
komponen selular, seperti
protein,
karbohidrat,
lipid,
asam nukleat, dan
biomolekul lainnya. Saat ini biokimia lebih terfokus secara khusus pada kimia reaksi termediasi
enzim dan sifat-sifat protein.
Saat ini, biokimia
metabolisme sel telah banyak dipelajari. Bidang lain dalam biokimia di antaranya
sandi genetik (
DNA,
RNA),
sintesis protein, angkutan
membran sel, dan
transduksi sinyal.
[sunting] Perkembangan biokimia
Kebangkitan biokimia diawali dengan penemuan pertama molekul
enzim,
diastase, pada tahun
1833 oleh
Anselme Payen. Tahun
1828,
Friedrich Wöhler menerbitkan sebuah buku tentang sintesis
urea, yang membuktikan bahwa senyawa
organik
dapat dibuat secara mandiri. Penemuan ini bertolak belakang dengan
pemahaman umum pada waktu itu yang meyakini bahwa senyawa organik hanya
bisa dibuat oleh organisme. Istilah
biokimia pertama kali dikemukakan pada tahun
1903 oleh
Karl Neuber, seorang
kimiawan Jerman. Sejak saat itu, biokimia semakin berkembang, terutama sejak pertengahan
abad ke-20, dengan ditemukannya teknik-teknik baru seperti
kromatografi,
difraksi sinar X, elektroforesis,
RMI (
nuclear magnetic resonance, NMR),
pelabelan radioisotop,
mikroskop elektron, dan simulasi
dinamika molekular. Teknik-teknik ini memungkinkan penemuan dan analisis yang lebih mendalam berbagai molekul dan
jalur metabolik sel, seperti
glikolisis dan
siklus Krebs. Perkembangan ilmu baru seperti
bioinformatika juga banyak membantu dalam peramalan dan pemodelan struktur
molekul raksasa.
Saat ini, penemuan-penemuan biokimia digunakan di berbagai bidang, mulai dari
genetika hingga
biologi molekular dan dari
pertanian hingga
kedokteran. Penerapan biokimia yang pertama kali barangkali adalah dalam pembuatan
roti menggunakan
khamir, sekitar 5000 tahun yang lalu.
Penemuan penting lain di bidang biokimia adalah penemuan
gen dan perannya dalam mentransfer informasi di dalam sel. Bagian biokimia ini terkadang juga disebut dengan
biologi molekuler. Pada tahun 1950-an,
James D. Watson,
Francis Crick,
Rosalind Franklin, dan
Maurice Wilkins menemukan bagaimana struktur DNA dan mencoba mencari hubungannya dengan transfer informasi genetik. Pada tahun 1958,
George Beadle dan
Edward Tatum berhasil memenangkan
Hadiah Nobel akibat penelitian mereka mengenai jamur yang menunjukkan bahwa satu gen memproduksi satu enzim. Pada tahun 1988,
Colin Pitchfork adalah orang pertama yang terbukti melakukan tindak kriminal melalui bukti
DNA. Belum lama ini,
Andrew Z. Fire dan
Craig C. Mello memenangkan Hadiah Nobel pada tahun 2006 atas penemuan fungsi dari
RNA interferensi (
RNAi).
Ada 4 kelas molekul utama dalam biokimia yaitu:
karbohidrat,
lipid,
protein, dan
asam nukleat. Banyak molekul biologi merupakan "polimer": dalam kasus ini,
monomer adalah mikromolekul yang relatif kecil yang bergabung menjadi satu untuk membentuk
makromolekul-makromolekul, yang kemudian disebut sebagai "polimer". Ketika banyak monomer bergabung untuk mensintesis sebuah
polimer biologis, mereka melalui proses/tahap yang disebut dengan
sintesis dehidrasi.
Karbohidrat tersusun dari monomer yang disebut sebagai
monosakarida. Contoh dari monosakarida adalah
glukosa (C
6H
12O
6),
fruktosa (C
6H
12O
6), dan
deoksiribosa (C
5H
10O
4). Ketika 2 monosakarida melalui proses sintesis dehidrasi, maka air akan terbentuk, karena 2 atom
hidrogen dan satu
atom oksigen telepas dari 2
gugus hidroksil monosakarida.
Sebuah trigliserida dengan satu molekul gliserol (
kiri) dan 3 molekul asam lemak.
Lipid biasanya terbentuk dari satu molekul
gliserol yang bergabung dengan molekul lain. Di
trigliserida, ada satu mol gliserol dan tiga molekul
asam lemak. Asam lemak merupakan monomer disini.
Lipid, terutama
fosfolipid, juga digunakan di beberapa produk obat-obatan, misalnya sebagai bahan pelarut (contohnya di infus
parenteral) atau sebagai komponen pembawa obat (contohnya di
liposom atau
transfersom).
Struktur umum dari asam α-amino, dengan grup
amino di sebelah kiri dan grup
karboksil di sebelah kanan.
Protein merupakan molekul yang sangat besar-atau makrobiopolimer- yang tersusun dari monomer yang disebut
asam amino. Ada 20
asam amino standar, yang masing-masing terdiri dari sebuah
gugus karboksil, sebuah
gugus amino, dan
rantai samping
(disebut sebagai grup "R"). Grup "R" ini yang menjadikan setiap asam
amino berbeda, dan ciri-ciri dari rantai samping ini akan berpengaruh
keseluruhan terhadap suatu protein. Ketika asam amino bergabung, mereka
membentuk ikatan khusus yang disebut
ikatan peptida melalui sintesis dehidrasi, dan menjadi
Polipeptida, atau protein.
[sunting] Asam nukleat
Asam nukleat adalah molekul yang membentuk
DNA,
substansi yang sangat penting yang digunakan oleh semua organisme
seluler untuk menyimpan informasi genetik. Jenis asam nukleat yang
paling umum adalah
asam deoksiribosa nukleat dan
asam ribonukleat. Monomernya disebut
nukleotida. Nukleotida yang paling umum diantaranya
Adenin,
Sitosin,
Guanin,
Timin, dan
Urasil.
Adenin berpasangan dengan timin dan urasil, timin hanya berpasangan
dengan adenin; sitosin dan guanin hanya dapat berpasangan satu sama
lain.
Fungsi dari karbohidrat adalah sebagai pembangun dan sumber energi.
Gula
merupakan karbohidrat, tapi tidak semua karbohidrat adalah gula. Jumlah
karbohidrat di bumi lebih banyak daripada jumlah biomolekul manapun.
[sunting] Monosakarida
Glukosa, atau juga dikenal dengan gula darah.
Tipe karbohidrat yang paling sederhana adalah
monosakarida, yang biasanya terdiri dari atom
karbon,
hidrogen, dan
oksigen, kebanyakan dengan perbandingan 1:2:1 (formula umumnya C
nH
2nO
n, dimana
n paling kecil adalah 3).
Glukosa, salah satu karbohidrat yang paling penting, merupakan contoh dari monosakarida. Juga termasuk dengan
fruktosa, gula yang biasanya ditemukan dalam manisnya buah-buahan.
[1][a] Beberapa karbohidrat (terutama setelah
kondensasi
menjadi oligo- dan polisakarida) memiliki jumlah karbon yang relatif
lebih rendah daripada H dan O. Monosakarida dapat dikelompokkan ke
aldosa (mempunyai grup
aldehida di akhir rantainya, contohnya glukosa) dan
ketosa (mempunyai grup
keton di rantainya, contohnya fruktosa).
Sukrosa: gula tebu dan mungkin karbohidrat yang paling dikenal.
Dua monosakarida dapat bergabung menjadi satu melalui
sintesis dehidrasi.
Maka, akan dilepaskan satu atom hidrogen dan satu grup hidroksil (OH-).
Atom hidrogen dan hidroksil akan bergabung dan membentuk molekul air
(H-OH atau H
2O), maka dari itu disebut "dehidrasi". Molekul baru ini disebut "
disakarida".
Reaksinya pun bisa berbalik arah (reaksi pemecahan), dengan menggunakan
satu molekul air untuk memecah satu molekul disakarida, maka akan
memecah ikatan glikosidik pada disakarida. Reaksi inilah yang disebut
dengan
hidrolisis. Jenis disakarida yang paling dikenal adalah
sukrosa
atau yang biasanya kita kenal dengan gula tebu. Satu molekul sukrosa
terdiri dari satu molekul glukosa dan satu molekul fruktosa. Disakarida
yang lain contohnya
laktosa, terdiri dari satu molekul glukosa dan satu molekul
galaktosa. Di dalam tubuh, dikenal adanya enzim
laktase
yang memecah laktosa menjadi glukosa dan galaktosa. Biasanya, pada
orang berusia lanjut, produksi laktase semakin sedikit dan akibatnya
adalah penyakit
intoleransi laktosa.
[sunting] Oligosakarida dan polisakarida
Ketika beberapa (sekitar 3-6) monosakarida bergabung menjadi satu, maka akan disebut sebagai
oligosakarida (
oligo- artinya "sedikit"). Jika banyak monosakarida bergabung menjadi satu, maka akan disebut sebagai
polisakarida.
Monosakarida dapat bergabunf membentuk satu rantai panjang, atau
mungkin bercabang-cabang. 2 jenis polisakarida yang paling dikenal
adalah
selulosa dan
glikogen, dua-duanya terdiri dari monomer
glukosa.
- Selulosa dibuat oleh tumbuhan dan merupakan komponen penting yang membentuk dinding sel. Manusia tidak bisa membuat ataupun mencerna selulosa.
- Glikogen, atau nama lainnya adalah gula otot, digunakan oleh manusia dan hewan sebagai sumber energi.
[sunting] Penggunaan karbohidat sebagai sumber energi
Glukosa merupakan sumber energi utama bagi makhluk hidup. Contohnya, polisakarida akan dipecah menjadi monomer-monomernya (
fosforilase glikogen akan membuang residu glukosa dari glikogen). Disakarida seperti laktosa atau
sukrosa akan dipecah menjadi 2 komponen monosakaridanya.
[sunting] Glikolisis (anaerob)
Glukosa akan dicerna dalam tubuh dalam reaksi respirasi. Tahapan pertama dalam reaksi respirasi adalah
glikolisis. Tahapan glikolisis dimulai dari satu molekul glukosa sampai tahap akhirnya akan dihasilkan 2 molekul
piruvat. Tahap ini juga akan menghasilkan 2
ATP dan memberikan dua elektron dan satu hidrogen pada
NAD+
sehingga menjadi NADH. Tahap ini tidak membutuhkan oksigen. Jika
persediaan oksigen dalam tubuh tidak cukup, maka NADH akan digunakan
untuk mengubah piruvat menjadi
asam laktat (dalam tubuh manusia]] atau menjadi
etanol dan karbon dioksida.
Dalam
respirasi aerob, sel yang mendapat cukup oksigen, piruvat yang dihasilkan dari tahap glikolisis akan dicerna kembali dan diubah menjadi
Asetil Ko-A. Piruvat akan membuang satu atom karbonnya (menjadi
karbon dioksida) dan akan memberikan elektronnya lagi pada NAD
+ sehingga menjadi NADH. 2 molekul Asetil Ko-A akan memasuki tahap
siklus Krebs, dan akan menghasilkan lagi 2 ATP, 6 molekul
NADH, dan 2 ubiquinon (
FADH2), serta karbon dioksida. Energi di NADH dan FADH2 nantinya akan digunakan di
transpor elektron. Energi ini dipakai dengan cara dilepaskannya elektron dan H
+ dari NADH dan FADH2 secara bertahap di
sistem transpor elektron. Sistem transpor elektron akan memompa H
+ keluar dari membran dalam mitokondria. Konsentrasi H
+ di luar membran dalam mitokondria akan menyebabkan gradien proton, sehingga H
+ akan masuk kembali ke membran dalam mitokondria melalui ATP sintase.
Oksigen bertugas sebagai penerima elektron akhir, sehingga proses pembentukan ATP terus berlanjut. Oksigen yang bergabung dengan H
+ akan membentuk air. NAD
+
dan FAD akan digunakan kembali dalam sistem respirasi, seperti yang
telah dijelaskan sebelumnya. Hal ini yang menyebabkan mengapa kita
menghirup oksigen dan melepaskan karbon dioksida. Dalam 1 molekul
glukosa akan dihasilkan total 36 ATP, dan satu ATP dapat melepaskan 7,3
kilokalori.
[sunting] Glukoneogenesis
Dalam tubuh
vertebrata,
otot lurik yang dipaksa bekerja keras (misalnya selagi angkat beban
atau lari), tidak akan mendapatkan oksigen yang cukup sehingga akan
melakukan metabolisme
anaerob, maka akan mengubah glukosa menjadi asam laktat. Organ
hati akan menghasilkan kembali glukosa tersebut, melalui proses yang dinamakan
glukoneogenesis.
Proses glukoneogenesis sebenarnya membutuhkan energi 3 kali lebih
banyak daripada yang dihasilkan dalam proses glikolisis (ada 6 ATP yang
dibuat, sedangkan glikolisis hanya menghasilkan 2 ATP).
Artikel utama untuk bagian ini adalah:
Protein
Skema dari
hemoglobin. Pita warna merah dan biru adalah protein
globin; sedangkan struktur hijau adalah grup
heme.
Seperti karbohidrat, beberapa protein juga memiliki fungsi vital dalam tubuh. Contohnya, pergerakan dari protein
aktin dan
miosin
sangat berperan bagi kontraksi otot lurik. Salah satu ciri dari
kebanyakan protein adalah mereka hanya dapat mengikat secara spesifik,
hanya satu molekul tertentu atau satu grup molekul, sehingga sangat
selektif. Antibodi adalah satu contoh protein yang hanya dapat mengikat
satu tipe molekul saja. Salah satu jenis protein yang paling penting
adalah
enzim. Molekul enzim hanya dapat mengenali satu jenis molekul reaktan saja, reaktan ini disebut sebagai
substrat.
Enzim akan mengkatalis reaksi, sehingga energi aktivasi akan menurun,
dan kecepatan reaksi dapat berlangsung lebih cepat sampai 1011 kalinya.
Sebuah reaksi mungkin akan memakan waktu 3.000 tahun untuk betul-betul
selesai, tapi dengan enzim mungkin menjadi kurang dari satu detik. Enzim
sendiri tidak digunakan dalam proses reaksinya, sehingga akan langsung
mengkatalis substrat lainnya.
Pada dasarnya, protein terdiri dari rantai
asam amino. Sebuah asam amino terdiri dari satu atom karbon yang berikatan dengan 4 grup. Grup pertama dalah gugus
amino, —NH
2, grup kedua adalah
asam karboksilik, —COOH (meskipun eksisnya sebagai —NH
3+ dan —COO
− dalam kondisi fisiologis). Grup yang ketiga adalah atom
hidrogen.
Grup yang keempat biasanya disingkat sebagai "—R", dan grup inilah yang
membedakan antar asam amino. Ada 20 macam asam amino standar. Beberapa
dari mereka mempunyai fungsi sendiri-sendiri, misalnya, fungsi glutamat
adalah sebagai
neurotransmiter.
Asam amino (1) dalam bentuk netral, (2) dalam bentuk fisiologis, dan (3) dalam bentuk gabungan bersama sebagai dipeptida.
Asam amino dapat bergabung melalui
ikatan peptida.
Dalam sintesis dehidrasi ini, sebuah molekul air akan dilepaskan dan
ikatan peptida akan menghubungkan atom nitrogen dari asam amino yang
satu dengan atom karbon dari gugus asam karboksil lain. Maka, hasilnya
adalah
dipeptida.
Rangkaian beberapa asam amino (biasanya lebih kecil dari 30) disebut
polipeptida. Untuk rangkaian yang lebih panjang, biasanya disebut
sebagai protein. Sebagai contoh, protein albumin pada
plasma darah terdiri dari 585 residu asam amino.
Struktur dari protein bisa dijelaskan melalui empat tingkatan.
Struktur utama
dari protein terdiri dari rangkaian linear asam amino, misalnya,
"alanin-glisin-triptofan-serin-glutamat-asparagin-glisin-lisin-…".
Struktur sekunder lebih kepada morfologi lokal. Beberapa kombinasi dari asam amino akan cenderung membentuk gulungan yang disebut dengan
α-helix atau menjadi lembaran yang disebut dengan
β-sheet.
Struktur tersier
adalah bentuk 3 dimensi protein tersebut secara keseluruha. Bentuk ini
akan ditentukan oleh urutan asam amino. Jika ada satu perubahan saja
maka akan mengubah keseluruhan struktur. Rantai alfa hemoglobin terdiri
dari 146 residu asam amino, jika residu
glutamat di posisi ke-6 digantikan dengan
valin, maka akan mengubah sifat hemoglobin tersebut, dan mengakibatkan penyakit
anemia sel sabit.
Struktur kuartener
lebih memfokuskan pada struktur dari protein dengan beberapa subunit
peptida. Contohnya, hemoglobin dengan keempat subunitnya. Tidak semua
protein memiliki lebih dari satu subunit.
Protein yang masuk ke dalam tubuh akan dipecah menjadi asam amino atau dipeptida di dalam
usus halus,
baru kemudian bisa diserap oleh tubuh. Nantinya, asam amino ini dapat
bergabung kembali untuk membentuk protein yang baru. Produk antara dari
glikolisis, siklus asam sitrat, dan
jalur fosfat pentosa
dapat digunakan untuk membentuk kedua puluh macam asam amino. Manusia
dan mamalia lainnya hanya dapat mensintesa separuh dari ke-20 macam
amino tersebut. Tubuh manusia tidak dapat mensintesa
isoleusin,
leusin,
lisin,
metionin,
fenilalanin,
treonin,
triptofan, dan
valin. Asam amino ini merupakan
asam amino esensial, karena penting bagi tubuh. Mamalia dapat mensintesa asam amino non esensial, yaitu
alanin,
asparagin,
aspartat,
sistein,
glutamat,
glutamin,
glisin,
prolin,
serin, dan
tirosin.
Arginin dan
histidin
juga dapat disintesa mamalia, tapi hanya dapat diproduksi dalam jumlah
terbatas, sehingga terkadang juga disebut sebagai asam amino esensial.
Jika gugus amino dilepaskan dari sebuah asam amino, maka akan menyisakan
asam keto-α. Enzim
transaminase
akan mudah memindahkan gugus amino yang lepas ini ke asam keto-α
lainnya. Hal ini penting di dalam biosintesis dari asam amino, seperti
dalam banyak jalur, zat antara dari jalur biokimia lainnya akan diubah
menjadi asam keto-α, lalu sebuah gugus amino ditambahkan lewat
transaminasi. Maka, asam amino dapat digabung-gabungkan untuk membentuk protein.
Proses yang mirip digunakan untuk memecah protein. Pertama-tama,
protein akan terhidrolisa menjadi komponen-komponennya, yaitu asam
amino.
Amonia bebas (NH
3), berada dalam bentuk ion
amonium (NH
4+) di dalam darah, akan berbahaya bagi tubuh, maka harus dikeluarkan. Organisme
uniseluler hanya tinggal melepaskan saja amonia ini keluar tubuh. Di dalam tubuh mamalia, amonia akan diubah menjadi urea, lewat
siklus urea.
Artikel utama untuk bagian ini adalah:
Lipid
Kata lipid merujuk kepada suatu kelompok
molekul yang beragam, termasuk juga kelompok molekul yang sulit larut dalam air (contohnya
malam,
asam lemak, dan turunan asam lemak seperti
fosfolipid,
sfingolipid,
glikolipid, dan
terpenoid. Beberapa lipid merupakan molekul
alifatik linear, tapi ada juga yang mempunyai struktur cincin. Beberapa juga molekul
aromatik, dan beberapa juga lunak.
Beberapa lipid mempunyaii sifat
polar meskipun kebanyakan dari mereka merupakan nonpolar/
hidrofobik ("takut air"). Tapi ada beberapa bagian dari strukturnya bersifat
hidrofilik ("suka-air"), sehingga membuat molekul ini menjadi
amfifilik (mempunyai sifat hidrofobik dan hidrofilik). Dalam kasus
kolesterol, gugus polarnya hanya -OH (
hidroksil atau alkohol). Dalam kasus fosfolipid, gugus polarnya lebih besar sehingga dianggap polar.
Lipid merupakan salah satu unsur penting dalm tubuh. Kebanyakan produk
minyak dan
produk susu yang kita gunakan untuk masak dan makan seperti
mentega,
keju, dan
minyak samin terdiri dari
lemak. Makanan yang mengandung lemak, jika dicerna dalam tubuh maka akan dipecah menjadi asam lemak dan
gliserol.
[sunting] Asam nukleat
Asam nukleat merupakan
makromolekul biokimia yang kompleks, terdiri dari rantai-rantai nukleotida yang menyimpan
informasi genetik. Jenis asam nukleat yang paling umum adalah asam deoksiribonukleat (DNA) dan asam ribonukleat (
RNA).
Asam nukleat ditemukan di segala jenis sel makhluk hidup dan virus.
Disamping sebagai penyimpan informasi genetik, asam nukleat juga
berperan dalam
penyampai pesan kedua, serta pembentuk molekul dasar untuk
adenosin trifosfat.
Monomer dari asam nukleat disebut nukleotida, dan tiap nukleotida
terdiri dari 3 komponen: basa nitrogen (purin dan pirimidin), gula
pentosa/senyawa gula karbon-5, dan gugus fosfat. Perbedaan tipe asam
nukleat dapat ditemukan di jenis gula pada rantainya (contohnya, DNA
terdiri dari 2 deoksiribosa). Juga, jenis basa nitrogen yang mungkin ada
di asam nukleat juga bisa berbeda: adenin, sitosin, dan guanin bisa ada
di RNA dan DNA, timin hanya pada DNA, dan urasil hanya pada RNA.