Pendahuluan
1. Prinsip dasar biologi
Mahluk hidup dipermukaan bumi ini sungguh sangat beragam, dari tingkatan rendah sampai tinggi. mereka mampu mengatur dirinya sedemikian rupa hingga dapat berkembang biak dengan cara mengambil materi yang diperlukannya dari alam sekitarnya. Keragaman mahluk-mahluk ini pada berbagai aspeknya sungguh luar biasa. Bayangkan perbedaan biologis antara seekor macan dengan sehelai rumput laut, atau antara bakteri dengan sebuah pohon. Ketika nenek moyang kita belum mengenal sama sekali tentang sel atau DNA, mereka memandang bahwa semua mahluk memiliki suatu persamaan. Mereka menyebutnya sebagai sesuatu yang hidup, mereka mengaguminya sebagaimana adanya, berusaha untuk mendifinisikannya dan merasa gagal untuk menjelaskan apa sebenarnya itu atau bagaimana hal itu bekerja dibandingkan dengan benda mati.
Penemuan-penemuan di abad 21 belum sepenuhnya dapat menjawab atas kekaguman terhadap sesuatu hal yang disebut sebagai hal hidup tersebut. Akantetapi setidaknya penemuan-penemuan tersebut telah mampu mengungkap misteri tentang kehidupan di alam. Sekarang kita dapat melihat bahwa mahluk hidup tersusun dari sejumlah sel dan sel yang merupakan suatu unit penyusun mahluk hidup ini memiliki mekanisme fungsi-fungsi dasar yang sama dengan sel-sel lainnya. Mahluk hidup walaupun kelihatan berbeda dari luar tetapi pada dasarnya sama dilihat dari penyusunnya yang berupa sel.
Prinsip Dasar Bioteknologi
1. Biomolekul
Sel mahluk hidup memperoleh dan energy dalam bentuk ATP dari reaksi metabolic dalam sel. Energy metabolic ini kemudian digunakan untuk berbagai keperluan dalam sel termasuk mensintesa makromolekul dan konstituen sel lainnya. Oleh karena itu energy yang diperoleh dari pemecahan molekul organic (katabolisme) digunakan untuk menggerakkan sintesis komponen lain yang diperlukan dalam sel. Kebanyakan jalur katabolic melibatkan reaksi oksidasi dari molekul organik bergandengan dengan produksi energy berupa ATP dan pengurangan tenaga berupa NADH. Sebaliknya jalur biosintesa (anabolik) umumnya melibatkan penggunaan ATP dan pengurangan tenaga biasanya dalam bentuk NADPH untuk memproduksi senyawa organic baru. Salah satu jalur biosintesis utama adalah sintesa karbohidrat dari CO2 dan H2O selama reaksi fotosintesis. Jalur biosintesis utama lainnya seperti lemak, protein dan Asam nukleat dijelaskan dalam bahasan ini.
Karbohidrat
Selain diperoleh secara langsung dari makanan atau dari fotosintesis, glukosa dapat disintesa dari molekul organik lain. Pada sel hewan, sintesa glukosa biasanya dimulai dengan laktat (diproduksi dari glikolisis anaerob), asam amino (diturunkan dari pemecahan protein), atau gliserol (diproduksi dari pemecahan lipid). Tumbuhan juga mampu mensintesa glukosa dari asam lemak, suatu proses yang sangat penting khususnya selama perkecambahan biji, ketika energy yang disimpan sebagai lemak harus diubah menjadi karbohidrat untuk mensupot pertumbuhan tanaman. Pada tumbuhan dan hewan gula sederhana dipolimerasi dan disimpan dalam bentuk polisakarida.
Lemak
Lemak merupakan ,molekul penting sebagi penyimpan energy dan merupakan konstituen utama dari sel membrane. Lemak ini disintesa dari asetil CoA yang dibentuk dari pemecahan karbohidrat pada suatu seri reaksi yang menggabungkan kebalikan dari oksidasi asam lemak. Sama halnya seperti biosintesis karbohidrat tetapi reaksi yang menuju pada sintesis asam lemak berbeda dari yang terlibat dalam degradasi dan yang digerakkan pada arah biosintetik dengan dipasangkan pada pengeluaran dari dua hal yaitu energy dalam bentuk ATP dan pengurangan tenaga dalam bentuk NADPH. Asam lemak disintesa dengan penambahan unit dua-karbon yang diturunkan dari asetil CoA untuk membentuk suatu rantai.
Penambahan dari masing unit dua-karbon ini memerlukan pengeluaran dari satu molekul ATP dan dua molekul NADPH.Produk utama dari biosintesis asam lemak yang terjadi pada sitosol dari sel eukaryote adalah karbon-16 asam lemak palmitat. Konstituen prinsip dari membrane sel seperti phospholipids, sphingomyelin dan glikolipid disintesa dari asam lemak bebas pada reticulum endoplasmik dan apparatus golgi.
Protein
Protein adalah produk akhir dari kebanyakan jalur informasi. Sel yang khas setiap saat memerlukan ribuan protein yang berbeda. Protein ini harus disintesis dalam respon kebutuhan sel saat ini, dipindahkan (ditargetkan) pada lokasi selular yang sesuai, dan diturunkan ketika kebutuhan sudah terpenuhi. Jalur sintesis protein lebih dipahami dibanding pentargetan dan penurunan protein, dan pembahasan dalam bab ini menggambarka fakta tersebut.
Sintesis protein adalah mekanisme biosinstesis yang paling rumit, dan memahami mekanisme ini merupakan tantangan besar bagi bidang biokimia. Pada sel eukariotik, sintesis protein memerlukan 70 protein ribosom yang berbeda; 20 atau lebih enzim untuk mengaktifkan penanda asam amino; selusin lebih enzim pelengkap dan protein faktor khusus untuk inisiasi, elongasi, dan penghentian polipeptida; mungkin ada 100 tambahan enzim untuk proses akhir dari berbagai macam protein yang berbeda; dan 40 atau lebih tipe transfer RNA ribosom. Dengan demikian hampir 300 makromolekul yang berbeda bekerja sama untuk manyatukan polipeptida. Banyak dari makromolekul ini diorganisir ke dalam struktur tiga dimensi kompleks dari ribosom untuk menyelesaikan translokasi mRNA polipeptida itu disusun.
Untuk menghargai pentingnya sintesis protein setiap sel, dapat menganggap fraksi sumber daya selular dipakai pada proses ini. Sintesis protein bisa memerlukan 90%energi kimia sampai yang digunakan sel untuk semua reaksi biosintesis. Pada E.coli, jumlah tipe berbeda protein dan molekul RNA yang dilibatkan dalam sintesis protein, serupa dengan protein dan molekul RNA sel eukariotik. Sel prokaryotik dan eukaryotik berisi ribuan salinan dari masing-masing tipe protein dan RNA per sel. Ketika ditotal, 20,000 ribosom, 100,000 protein faktor dan enzim yang terkait, dan 200,000 t RNA ada pada sel bakteri yang khas (dengan volume 100 nm3) dapat meliput lebih 35% berat sel kering.
Meskipun kompleksitas besar ini, protein dibuat dengan nilai yang tinggi. Suatu cincin polipetida dari 100 residu disintesis dalam satu E.coli sel pada suhu 37°C selama 5 menit. Sintesis dari ribuan protein yang berbeda pada setiap sel diregulasi dengan ketat sehingga hanya jumlah molekul yang dibutuhkan masing-masing yang dibuat di bawah setiap set keadaan metabolisme diberikan. Untuk memelihara campuran dan konsentrasi yang sesuai dari protein di suatu sel, proses pengarahan dan penurunan (targeting dan degradative process) harus bisa seiring dengan sintesis. Secara berangsur-angsur penelitian mengurai informasi proses biokimia yang luar biasa yakni menuntun masing-masing protein ke lokasi yang yang tepat di dalam sel dan dengan menurunkan memilih protein yang tidak lagi diperlukan secara selektif.
Download materi Metabolisme protein Asam nukleat
Asam nukleat berupa DNA dan RNA merupakan molekul penting sebagai pembawa informasi dalam sel. Deoxyribonucleic acid (DNA) atau asam dioksiribonukleat memiliki aturan khusus sebagai meteri genetic yang pada sel eukariot terletak di dalam inti sel. Asam ribonukleat atau ribonucleic acid (RNA) dengan tipe yang berbeda-beda berpartisipasi pada sejumlah aktifitas seluler. Messenger RNA (mRNA) membawa informasi dari DNA ke bagian ribosom dan bertindak sebagai cetakan untuk sintesa protein. Ada 2 tipe RNA yang berbeda yaitu ribosomal RNA dan transfer RNA yang terlibat dalam sintesa protein. Disamping itu tipe RNA lainnya pun masih ada yang terlibat dalam proses dan perpindahan RNA dan protein. Disamping sebagai molekul pembawa informasi, RNA juga mampu mengkalisa sejumlah reaksi kimia. Dalam pemahan sel dewasa ini, reaksi tersebut terlibat dalam sintesa protein dan pemrosesan RNA.
2. DNA dan kode genetik
Berdasarkan informasi genetik, DNA menempati tempat yang unik dan sentral dalam biologi makromolekul. Susunan nukleotida DNA akhirnya menjelaskan struktur utama semua RNA sel dan protein, dan enzim secara tidak langsung dapat mempengaruhi sintesis seluruh unsur-unsur pokok sel, menentukan ukuran, bentuk, dan fungsi dari setiap benda-benda hidup.
Struktur DNA merupakan alat yang bagus sekali untuk penyimpanan stabil informasi genetic. Ungkapan penyimpanan stabil mejelaskan gambaran statis dan tidak lengkap tentang peranan biokimia DNA dalam sel. Penjelasan tepat tentang fungsi DNA harus juga menjelaskan bagaimana informasi genetic dipancarkan dari satu generasi sel ke generasi berikutnya. Istilah Metabolisme DNA dapat digunakan untuk menjelaskan dari mana salinan molekul DNA yang tepat dibuat (replikasi), melalui proses yang mempengaruhi struktur informasi didalamnya (perbaikan dan penggabungan ulang). Dua hal tersebut akan menjadi fokus pembahasan dalam bab ini.
Mungkin selain faktor-faktor tersebut, ada persyaratan untuk tingkatan akurasi yang baik yang membentuk proses-proses tersebut. Pada level penggabungan satu nukleotida dengan nukleotida yang lain, kimia replikasi DNA sangatlah sederhana dan bagus, hampir menipu. Namun seperti yang akan kita lihat, sintesis semua makromolekul yang mengandung informasi melibatkan alat kompleks untuk memasukkan informasi dipancarkan dengan utuh. Jika terjadi kesalahan, kekeliruan pada sintesis DNA dapat menimbulkan konsekuensi menakutkan yakni kesalahan tersebut bisa permanen. Enzim-enzim yang mensintesa DNA harus menyalin molekul DNA yang sering mengandung banyak basa, dan enzim-enzim ini melakukannya dengan tepat dan cepat. Enzim-enzim tersebut juga harus bekerja pada substrat DNA yang memadat dan terikat dengan protein lain. Enzim yang mengkatalisasi formasi tali pospodiester hanyalah bagian dari sistem elaborasi yang melibatkan banyak protein dan enzim.
Pentinganya menjaga integritas informasi pada DNA sangat ditekankan ketika pembahasan berikutnya diperbaiki. DNA sangat rentan terhadap reaksi yang membahayakan. Meskipun bahaya tersebut lambat, namun sangat berarti karena perubahan susunan DNA yang sangat rendah biologi toleransinya. DNA merupakan satu-satunya makromolekul yang menyebabkan sistem itu ada, dan jumlah sistem, perbedaan, dan kerumitan yang menunjukan luasnya wilayah dimana molekul DNA ada.
Proses dimana informasi genetic disusun kembali, secara kolektif disebut rekombinasi, sepertinya mengingkari prinsip yang baru saja dibentuk. Jika integritas informasi genetic merupakan sesuatu yang penting, kenapa harus disusun kembali? Salah satu penjelasan sepertinya dibutuhkan untuk menjaga level perbedaan genetic dengan menyediakan kombinasi allele baru, kemungkinan lain dari bentuk gen tunggal. Meskipun tanpa penjelasan, rekombinasi bukanlah proses yang buruk. Sebagian besar rekombinasi konservatif pada satu hal bahwa informasi genetic tidak boleh dihilangkan ataupun ditambah. Meskipun, pengamatan lebih dalam tentang rekombinasi, proses perbaikan DNA atau regulasi gen dilakukan secara diam-diam.
Penekanan khusus yang akan diberikan pada bab ini adalah tentang enzim yang mengkatalisasi proses tersebut. Enzim-enzim tersebut sangat bernilai untuk diperkenalkan keseharian enzim ini digunakan sebagai bahan reaksi pada teknologi biokimia modern. Karena banyak penemuan tentang metabolisme DNA ditemukan pada E. coli, enzim yang terkenal disediakan oleh bakteri ini umumnya digunakan untuk menggambarkan aturan dasar. Pengamatan dangkal tentang gen-gen yang relevan pada pemetaan genetic E. coli (Gb. 24-1) hanya memberikan gambaran singkat tentang apa yang akan terjadi.
Sebelum berpindah pada replikasi, kita harus melihat dua penyimpangan kecil. Yang pertama mengenai penggunaan akronim untuk menamai gen dan protein. Genetic bakteri merupakan alat yang luarbiasa yang memudahkan banyak kegiatan pada bab ini. Gen bakteri yang mempengaruhi proses sel yang diujiseperti replikasi sering diidentifikasi sebelum peranan dari produk proteinnya dimengerti. Dengan persetujuan, akronim yang digunakan untuk memperkenalkan gen bakteri (dan terkadang eukrayotik) umumnya dengan tiga huruf kecil, huruf miring yag menggambarkan fungsinya, seperti dna, wvr, atau rec untuk gen yang mempengaruhi replikasi DNA, kekuatan melawan kerusakan akibat radiasi UV, atau rekombinasi. Pada kasus gen ganda yang mempengaruhi proses yang sama, penandaan A, B, C, dll ditambahkan, biasanya menggambarkan, susunan sementara gen yang ditemukan dari pada susunan reaksi. Sebagian besar kasus produk protein dari masing-masing gen akhirnya terisolasi dan tercirikan. Kadang produknya teridentifikasi seperti isolasi protein sebelumnya. Gen dnaE contohnya, ditemukan untuk mengkode polimerisasi subunit DNA polymerase III; akibatnya, gen dnaE diganti namanya menjadi polC untuk menggambarkan fungsinya lebih baik. Pada banyak kasus, produk protein ternyata menjadi baru, dengan aktivitas yang sulit digambarkan enzim sederhana. Pada prakteknya yang dapat membingungkan, protein-protein ini sering memakai nama gennya; sebagai contoh , produk gen dnaA dan recA secara sederhana dinamai protein DnaA dan RecA. Banyak contoh dari paktek ini ditemukan di bab ini. Kami menggunakan nama dalam tulis miring yang mengacu pada gen atau susunan DNA penting, dan tulisan romawi digunakan ketika nama mengacu pada protein*
Penyimpangan kedua dibutuhkan untuk memasukan enzim yang menurunkan DNA dari pada mensintesa DNA, karena penyimpangan DNA secara langsung memegang peranan penting pada semua proses yang akan dijelaskan dalam bab ini. Enzim ini disebut nukleoses atau Dnases jika enzim ini secara khusus untuk DNA. Setiap sel mengandung beberapa nukleases berbeda, dan dibedakan menjadi dua kelas; eksonuklease dan endonukleases. Exonuklease menurunkan DNA dari salah satu ujung molekul. Banyak exonukleases secara khusus untuk penyimpangan baik arah 5′→3′ dan 3′→5′; enzim ini menghilangkan nukleotida secara khusus dari ujung 5′ atau 3′ dari salah satu strand asam nukleik strand ganda (lihat Gb. 12-7). Endonukleases bekerja di dalam asam nukleik, menjadikan asam ini menjadi fragmen kecil. Sejumlah kecil exonuklease dan endonukleases hanya menurunkan DNA strand tunggal. Ada juga kelas endonuklease penting yang hanya membelah susunan nukleotida khusus (contohnya: restriksi endonuklease).
3. Ekstrakromosomal DNA
Plasmid
Plasmid merupakan molekul DNA pada sel bakteri, berbentuk bulat kecil yang berbeda dan merupakan tambahan dari molekul DNA utama pada khromosom bakteri. Plasmid dapat mereplikasi DNAnya sendiri terlepas dari DNA pada kromosom. Berbagai tipe plasmid telah ditemukan pada sel bakteri. Distribusi plasmid pada bakteri bersifat sporadis karena ada bakteri yang mengandung plasmid tetapi ada juga yang tidak. Pada sel E.coli terdapat plasmid F yang menyebabkan bakteri ini mempunyai sifat konjugatif tertentu. Plasmid F bias digunakan sebagai vector untuk membawa DNA yang akan disisipkan pada genom sel target. Akan tetapi plasmid yang secara rutin digunakan sebagai vector adalah yang mengandung gen ketahanan terhadap antibiotika. Fenotipe dari gen ketahanan terhadap antibiotika sangat baik digunakan untuk menseleksi sel-sel yang ditransformasi dengan plasmid tersebut dan juga menseleksi vektornya sendiri yang mengandung DNA rekombinasi. Plasmid juga merupakan alat yang efisien untuk mengamplifikasi klon DNA karena memiliki kopi yang sangat banyak per selnya.
Lamda phage
Lamda phage merupakan vector yang bagus dengan beberapa alasannya. Pertama, kepala dari lamda phage secara selektif akan mengemas sebuah kromosom berukuran panjang kurang lebih 50 kb dan hal ini sekaligus digunakan untuk menseleksi molekul-molekul lamda yang mengandung DNA donor. Bagian sentral dari genom phage tidak diperlukan untuk replikasi atau mengemas molekul lamda DNA dalam sel E.coli sehingga bagian sentral ini bisa dipotong menggunakan enzyme pemotong dan dihilangkan. Bagian ujung yang terpotong ini dapat disambung dengan DNA donor mengunakan enzim penyambung. Molekul kimera ini bisa dimasukkan ke dalam sel E.coli secara langsung dengan transformasi atau memasukkannya dalam kepala phage secara in vitro. Pada system in vitro, DNA dan komponen kepala phage dicampur dan secara spontan akan membentuk infektif lamda phage. Pada kedua metode tersebut, molekul rekombinan yang mengandung sisipan sebesar 10 sampai 15 kb yang akan dikemas dengan efektif dalam kepala phage karena ukuran ini tepat menggantikan bagian sentral dari genom phage yang dihilangkan sehingga kembali berukuran 50 kb. Oleh karena itu keberadaan plak phage pada koloni bakteri secara otomatis member singnal keberadaan phage rekombinan untuk menduga materi sisipan. Sifat bagus lainnya dari lamda vector ini adalah molekul rekombinan secara otomatis dapat dikemas kedalam kepala phage sehingga mudah disimpan dan ditangani dalam kegiatan eksperimen.
Genom virus
Sebuah virus dikatakan sebuah partikel yang tidak hidup yang dapat mereproduksi dirinya sendiri dengan cara menginfeksi sel hidup dan mengubah mekanisme selular sel inangnya hanyak untuk memproduksi progeny daril partikel virus tersebut. Virus yang menyerang bakteri juga dikenal dengan nama bakteriophage yang secara arfiah berarti memakan bakteri. Virus disusun dari selubung terbuat dari protein dan inti yang mengandung genom virus. Selama infeksi, genom virus memasuki sel dengan dimediasi oleh penggabungan selubung virus dengan membrane plasma sel atau dengan proses seperti injeksi syringe.
Melihat penjelasan diatas maka terdapat phase intraseluler pada siklus genom virus, sebagaimana dengan dikemasnya genom virus menjadi suatu infektif partikel virus juga bersifat intraseluler. Mengingat lebih mudah memurnikan genom virus ketika terkandung didalam sel inangnya maka genom virus biasanya diuraikan strukturnya sebagai partikel virus yang diketemukan secara ekstraseluler. Genom virus sangat bervariasi sifatnya. Kebanyakan virus genomnya disusun oleh DNA. Ketika dikemas menjadi partikel virus, pada beberapa virus DNAnya dalam bentuk untai ganda, pada beberapa lainnya dalam bentuk untai tunggal. Ada juga virus lain seperti retrovirus (virus HIV sebagai contoh) memiliki sejumlah RNA genom pada partikel virusnya. Kembali, kadang-kadang genom RNA ini dalam bentuk untai tunggal, lainnya untai ganda.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar