BIOKIMIA
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.
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).
Biomolekul
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
Karbohidrat
tersusun dari monomer yang disebut sebagai monosakarida. Contoh dari monosakarida adalah glukosa (C6H12O6),
fruktosa (C6H12O6),
dan deoksiribosa (C5H10O4). 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.
Lipid
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).
Protein
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.
Asam nukleat
Struktur
dari asam deoksiribosa nukleat (DNA), gambar ini menunjukkan monomernya diletakkan
bersamaan.
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.
Karbohidrat
Artikel utama untuk bagian ini adalah: Karbohidrat
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.
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 CnH2nOn,
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).
Disakarida
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 H2O),
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.
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.
Penggunaan karbohidat sebagai sumber energi
Artikel utama untuk bagian ini adalah: Metabolisme
karbohidrat
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.
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.
Aerob
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.
Glukoneogenesis
Artikel utama untuk bagian ini adalah: 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).
Protein
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, —NH2, grup kedua adalah asam karboksilik, —COOH (meskipun eksisnya sebagai —NH3+
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 (NH3), berada dalam bentuk ion amonium (NH4+) 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.
Lipid
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.
Asam nukleat
Artikel utama untuk bagian ini adalah: 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.