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.