BAHAN KULIAH BIOKIMIA DASARSEL

Biokimia adalah ilmu yang mempelajari reaksi-reaksi kimia atau interaksi molekul dalam sel hidup. Tujuan mempelajari biokimia adalah mempelajari dan mengetahui bagaimana sekumpulan benda-benda mati yang menyusun organisme hidup berinteraksi satu dengan lainnya untuk mempertahankan dan melangsungkan kedaan hidup. 

SELSel adalah bagian terkecil dari makluk hidup yang dapat melakukan aktivitas biologis. Kehidupan bermula dari terjadinya interaksi kimia seperti C, O, H, N, P, S. Senyawa diatas berinteraksi membentuk senyawa baru yang lebih kompleks sampai terjadinya beberapa kombinasi yang unik yang mempunyai kemampuan reproduksi sehingga menjadi suatu kehidupan seperti sekarang. Kehidupan yang paling sederhana terjadi pada ruang yang yang dikelilingi oleh membran yang disebut Sel. Sel merupakan kerangka alamiah dari hampir semua reaksi biokimia.Perbedaan antara reaksi kimia biasa dan reaksi biokimia dalam sel:Reaksi kimia biasa berlangsung dalam tabung reaksi yang terbuat dari bahan non biologik, membutuhkan suhu dan tekanan tinggi, pereaksi kuat atau penggunaan energi listrik, seringkali reaksi ini dilakukan dalam pelarut organik.Reaksi biokimia pada sel hidup berlangsung di dalam ukuran yang amat kecil dari sel atau bagiannya, berlangsung dalam media cair pada suhu tetap yang relatif rendah. Sel tidak dapat hidup pada suhu dan

keadaan asam yang terlalu tinggi, atau dengan adanya pereaksi kuat.  Struktur SelSel merupakan unit struktural dan fungsional organisme hidup. Organisme terkecil terdiri dari sel tunggal, sebaliknya tubuh manusia mengandung sedikitnya 1014 sel. Terdapat berbagai jenis sel yang amat bervariasi dalam ukuran, bentuk dan fungsi khususnya. Contoh dalam segenggam tanah atau segelas air kolam terdapat berbagai jenis organisme uniseluler. Dalam setiap organisme multiseluler yang lebih tinggi (tubuh manusia, atau tanaman) terdapat puluhan atau ratusan jenis sel yang berbeda, semuanya terancang secara khusus untuk bersama-sama berfungsi di dalam bentuk jaringan atau organ. Meskipun demikian, setiap jenis sel mempertahankan sifat khusus atau kebebasannya.Walaupun berbeda dalam penampilannya, setiap jenis sel menunjukkan kesamaan ciri struktur dasar yaitu:

1.  Membran plasma atau membran sitoplasma. Berfungsi: mengangkut garam dan nutrien ke dalam sel dan mengangkut produk buangan ke luar sel.  Pada semua sel, susunan molekuler membran plasmaumumnya serupa terdiri atas dua lapis molekul lipid yang mengandung proteinkhusus. Beberapa diantara protein membran merupakan enzim, sementara yang lain mengikat nutrien dari lingkungan dan mengangkutnya ke dalam sel.

2.  Sitoplasma: tempat berlangsungnya hampir semua reaksi ensimatis dari metabolisme sel. Sel menggunakan energi kimia untuk membangun dan mempertahankan strukturnya serta melakukan pergerakan sel atau kontraksi.

3.  Ribosom: terdapat di dalam sitoplasma dan merupakan granula kecil yang berfungsi untuk mensintesa protein.

4.  Inti sel atau suatu badan serupa inti: tempatnya terjadinya replikas senyawa genetik dan penyimpanan dalam bentukDNA.  Klasifikasi SelBerdasarkan perbedaan mikroskopik dan aspek biokimianya, sel hidup dapat diklasifikasikan atas:

a.  Sel Prokaryotis; termasuk bakteri, alga dan ricketsia atau mikroorganisme bersel tunggal yang biasa disebut bakteri. Pada sel prokaryotis, senyawa genetik ditempatkan di dalam suatu badan inti atau badan serupa inti yang acak dan tidak dikelilingi oleh membran.

b.  Sel Eukaryotis; berukuran lebih besar, lebih kompleks dan memperlihatkan kisaran ragam dan perbedaan yang lebih luas. Eukaryotis dilengkapi dengan inti sel yang amat kompleks dan jauh berkembang dan diselubungi oleh selubung inti.Prokaryotis dan eukaryotis berasal dari bahasa Yunani “ karyon “ yang berarti kacang, biji atau inti. Prokaryotis berarti “pra inti” dan eukaryotis berarti “ inti yang terbentuk secara baik.Prokaryotis:Merupakan sel terkecil dan paling sederhana dan memiliki berbagai ciri:

a.    Menyusun bagian yang penting dari keseluruhan biomassa bumi (3/4 dari semua senyawa hidup dibumi terdiri dari organisme mikroskopis terutama prokaryotis)

b.    Pertukaran biologi dari bahan dan energi di muka bumi (bakteri fotosintetik dalam air tawar dan air laut menangkap energi sinar matahari dan menggunakannya untuk manghasilkan karbohidrat dan bahan seluler

lainnya yang kemudian digunakan sebagai makanan untuk kehidupan lainnya).

c.     Melakukan aktifitas fiksasi molekulnitrogen (N2) untuk membentuk senyawa nitrogen.

d.    Berpartisipasi sebagai konsumen akhir karena mampu menguraikan struktur organik tanaman dan hewan yang telah mati dan mengembalikan pada atmosfir, tanah atau lautan sehingga dapat digunakan daur biologi unsur C, N, dan O.

e.    Penting dalam mempelajari biokimia dan biologi molekuler karena strukturnya yang sederhana, kecepatan dan kemudahan pertumbuhan sel dan mekanisme yang relatif sederhana dalam reproduksi dan transmisi informasi genetik. (Escherichia coli, membelah diri setiap 20-30 menit pada suhu 37o C dalam medium glukosa sederhana, garam amonium dan mineral)

f.      Bereproduksi secara aseksualSel Eukaryotis lebih besar dan kompleksUkuran sel eukaryotis > sel prokaryotis seperti sel hepatosit berdiameter 20-30 µm sedangkan diameter bakteri 1-2 µm. Volume sel eukaryotis 1000 – 10.000 kali > sel prokaryotis.  Eukaryotis mengandung sejumlah organel internal yang dikelilingi membran seperti mitokhondria, retikulum endoplasma dan badan golgi   yang memiliki fungsi yang spesifik dalam metabolisme dan aktivitas sel.        

       MitokhondriaFungsi: sebagai pabrik energi sel. Organel inimengandung berbagai enzim yang mengkatalisa oksidasi makanan organik oleh oksigen dan menghasilkan CO2 dan H2O dan membebaskan

energi dalam bentuk ATP & berdifusi ke seluruh bagian sel untuk kelangsungan kerja sel.

       Retikulum endoplasmaFungsi: sebagai saluran menembus sitoplasma. Ruangan di dalam RE disebut “sisterna” (cisternae) sebagai saluran mengangkut produk ke seluruh bagian sel dan sebagai tempat penyimpanan.

       Badan GolgiMerupakan organel untuk pembuangan ke luar membran plasma sel dan berdifusi dengan membran. Kantung badan golgi akan terbuka dan membebaskan isinya yang disebut dengan proses “Eksositosis”.

BIOKIMIA DASAR : KARBOHIDRATKARBOHIDRAT DALAM PAKAN

Karbohidrat banyak terdapat dalam bahan nabati, baik berupa gulasederhana, heksosa, pentosa, maupun karbohidrat dengan beratmolekul yang tinggi seperti pati, pektin, selulosa, dan lignin.

Selulosa berperan sebagai penyusun dinding sel tanaman

Buah-buahan mengandung monosakarida seperti glukosa dan fruktosa.

Disakarida seperti gula tebu (sukrosa atau sakarosa) banyakterkandung dalam batang tebu

Di dalam air susu terdapat laktosa

Beberapa oligosakarida banyak terdapat dalam sirup pati, roti dan bir.

Berbagai polisakarida seperti pati banyak terdapat umbi-umbian danserealia   

Selama proses pematangan, kandungan pati dalam buah-buahanberubah menjadi gula-gula pereduksi yang akan menimbulkanrasa manis.

Sumber karbohidrat utama bagi kita adalah serealia dan umbi-umbian.

Pada hasil ternak, khususnya daging, karbohidrat terdapat dalambentuk glikogen yang disimpan dalam jaringan otot dan dalamhati.

JENIS KARBOHIDRATPada umumnya karbohidrat dapat dikelompokkan menjadi monosakarida, oligosakarida, sertapolisakarida. Monosakarida merupakan suatu molekul yang dapat terdiri dari lima atau enam atom 

C, sedangkan oligosakarida merupakan polimer dari 2-10 monosakarida, pada pada umumnyapolisakarida merupakan polimer yang terdiri lebih dari 10 monomer monosakarida.

 

MONOSAKARIDA

Tata nama monosakarida tergantung dari gugus fungsional yang dimilikidan letak gugus hidroksilnya.

Monosakarida yang mengandung satu gugus aldehid disebut aldosa,ketosa mempunyai satu gugus keton.

Monosakarida dengan enam atam C disebut heksosa, misalnyaglukosa, fruktosa, dan galaktosa.

Monosakarida yang mempunyai lima atom C disebut pentosa misalnyaxilosa, arabinosa, dan ribosa.

OLIGOSAKASRIDA

Oligosakarida adalah polimer dengan derajat polimerasasi 2 sampai 10 danbiasanya bersifat larut dalam air.

Oligosakarida yang terdiri dari dua molekul disebut disakarida, bila tiga molekul disebuttriosa, bila sukrosa terdiri dari molekul glukosa dan fruktosa, laktosa terdiri darimolekul glukosa dan galaktosa. 

Ikatan antara dua molekul monosakarida disebut ikatan glikosidik. Ikatan initerbentuk antara gugus hidroksil dari atom C nomor satu yang juga disebutkarbon anomerik dengan gugus hidroksil dan atom C pada molekul gula yang lain.

Ikatan glikosidik biasanya terjadi antara atom C no. 1 dengan atom C no. 4 denganmelepaskan 1 mol air.

 

Ada tidaknya sifat pereduksi dari suatu molekul gula ditentukan oleh ada tidaknyagugus hidroksil (OH) bebas yang reaktif.

Sukrosa tidak mempunyai gugus OH bebas yang reaktif karena keduanya sudahsaling terikat, sedangkan laktosa mempunyai OH bebas pada atom C no. 1pada gugus glukosanya. Karena itu, laktosa bersifat pereduksi sedangkansukrosa bersifat non pereduksi.

Sukrosa adalah oligosakarida yang berperan penting dalam pengolahan makanandan banyak terdapat pada tebu, bit, siwalan, dan kelapa kopyor.

Pada pembuatan sirup, gula pasir (sukrosa) dilarutkan dalam air dan dipanaskan,sebagian sukrosa akan terurai menjadi glukosa dan fruktosa, yang disebutgula invert.

Gula invert tidak dapat berbentuk kristal karena kelarutan fruktosa dan glukosasangat besar. Oligosakarida dapat diperoleh dari hasil hidrolisis polisakaridadengan bantuan enzim tertentu atau hidrolisis dengan asam.

Pati dapat dihidrolisisi dengan enzim amilase menghasilkan maltosa,maltotriosa, dan isomaltosa. Bila pati dihidrolisis dengan enzimtransglukosidase akan dihasilkan suatu oligosakarida dengan derajatpolimerisasi yang lebih besar. Senyawa ini disebut dekstrin yangsangat larut dala

m air dan dapat mengikat zat-zat hidrofobik  sehinggadipergunakan sebagai food additive untuk memperbaiki tekstur bahanmakanan.

 

POLISAKARIDA

Polisakarida dalam bahan makanan berfungsi sebagai penguat tekstur(selulosa, hemiselulosa, pati, dan lignin) dan sebagai sumber energi(pati, dektrin, glikogen, dan fruktan). Polisakarida penguat tekstur initidak dapat dicerna tubuh, tetapi merupakan serat-serat (dietary fiber) yang dapat menstimulasi enzim-enzim pencernaan.

Polisakarida merupakan polimer molekul-molekul monosakarida yang dapatberantai lurus atau bercabang dan dapat dihidrolisis dengan enzim-enzim tertentu.

 

PATI

 

 Pati merupakan homopolimer glukosa dengan ikatan alfa-glikosidik. Berbagai macam patitidak sama sifatnya, tergantung dari panjang rantai C-nya, serta apakah  lurus ataubercabang rantai molekulnya.

Pati terdiri dari dua fraksi yang dapat dipisahkan dengan airpanas.Fraksi terlarut disebut amilosa dan fraksi tidak terlarut disebutamilopektin. Amilosa mempunyai struktur lurus sedang amilopektinmempunyai cabang.

 Pati dalam jaringan tanaman mempunyai bentuk granula yang berbeda-beda. Dengan mikroskop jenis pati dapat dibedakan karena mempunyaibentuk, ukuran, dan letak hilum yang unik.

Bila pati mentah dimasukkan ke dalam air dingin, granula patinyaakan menyerap air dan membengkak. Peningkatan volumegranula pati yang terjadi di dalam air pada suhu 55 0

C – 65 0Cmerupakan pembekakan yang sesungguhnya, dan setelahpembengkakan ini granula pati dapat kembali ke kondisi semula.

 Granula pati dapat dibuat membengkak luar biasa  dan bersifattidak dapat kembali lagi pada kondisi semula. Perubahan tersebutdinamakan gelatinisasi. 

Suhu  pada saat granula pati pecah disebut suhu gelatinisasi yang dapat dilakukandengan penambahan air panas.

Pati yang telah mengalami gelatinisasi dapat dikeringkan, tetapi molekul-molekul tersebuttidak dapat kembali lagi ke sifat-sifat semula. Bahan yang telah kering tersebutmasih mampu menyerap air dalam jumlah yang cukup besar. Sifat inilah yangdigunakan agar instant rice dan instant pudding dapat menyerap air dengan mudah,yaitu dengan menggunakan pati yang telah mengalami gelatinisasi.

 

 

SELULOSA

Selulosa merupakan serat-serat panjang yang bersama-sama hemiselulosa, pektin, danprotein membentuk struktur jaringan yang memperkuat dinding sel tanaman. Turunanselulosa yang dikenal dengan carboxymethyl cellulose (CMC) sering dipakai dalamindustri makanan untuk mendapatkan tekstur yang baik. Misalnya pada pembuatan eskrim, pemakaian CMC akan memperbaiki tekstur dan kristal laktosa yang terbentuk akanlebih halus.

PEKTIN

 Pektin secara umum terdapat dalam dinding sel primer tanaman, khususnya di sela-selaantara selulosa dan hemiselulosa. Senyawa pektin berfungsi sebagai perekat antaradinding sel satu dengan yang lain. Pada umumnya senyawa pektin dapat diklasifikasimenjadi tiga kelompok senyawa yaitu asam pektat, asam pektinat (pektin), danprotopektin. Kandungan pektin dalam tanaman sangat bervariasi baik berdasarkan jenistanamannya maupun bagian-bagian jaringannya. Komposisi kandungan protopektin,pektin, dan asam pektat di dalam buah sangat bervariasi tergantung pada derajatpematangan buah.

Pada umumnya protopektin yang tidak dapat larut itu terdapat dalam jaringan tanamanyang belum matang. Potensi pembentukan jeli dari pektin menjadi berkurang dalam buahyang terlalu matang. Buah-buahan yang dapat digunakan untuk membuat jeli adalahjambu biji, apel, lemon, plum, jeruk, serta anggur.

 GLIKOGEN

Glikogen merupakan “pati hewan”, banyak terdapat pada hati dan otot bersifat larut dalamair, serta bila bereaksi dengan iodin akan berwarna merah.

Glikogen juga telah berhasil diisolasi dari benih jagung (sweet corn).

Glikogen disimpan dalam hati hewan sebagai cadangan energi yang sewaktu-waktu dapatdiubah menjadi glukosa. 

POLISAKARIDA LAINNYA

 Gum Arabik yang dihasilkan dari batang pohon akasia. Agar-agar didapatkan dariganggang merah. Asam alginat  atau Na-alginat dihasilkan dari suatu ganggang laut yangbesar.

Karagenan didapat dengan mengekstraksi lumut Irlandia dengan air panas. Dipergunakansebagai stabilizer pada industri coklat dan hasil produksi sus

BIOKIMIA DASAR

PROTEINProtein adalah senyawa organik dengan berat molekul tinggi, mengandung unsur-unsurC, H, O dan N. Beberapa protein mengandung S dan P.  Protein ± mengandung C 51-55%; H 0,5-7,3%; O 21,5 – 23,5%; N 15,5 – 18,0%; S 0,5 – 2,0% dan P 0,0 – 1,5%.Sangat luar biasa bahwa semua protein didalam semua makhluk hidup, tanpamemandang      fungsi dan aktivitas biologinya, dibangun oleh susunan dasar yang samayaitu 20 asam amino baku, yang molekulnya sendiri tidak mempunyai aktivitas biologi .10 diantaranya tergolong asam amino esensial.   Molekul protein adalah sebuahpolimerdari asam- asam amino yang digabungkan dengan ikatan-ikatan peptide.

  Klasifikasi ProteinProtein dapat diklasifikasikan  atas dasar komposisi kimianya  yaitu :

 Protein sederhana (simple protein)

Protein konjugasi (conjugated protein)

Derivat protein

•Simple protein terdiri atas senyawa protein saja,    misalnya zein protein pada jagungdan albumin

protein pada telur.

•Protein konjugasi terdiri atas protein yang bergabung dengan zat non

protein misalnyabergabung dengan asam nukleat, gula dan haematin.

•Derivat protein tidak ada secara alami, tetapi dapat disusun/dipecah dari protein yangada.

Dapat pula protein dibagi menjadi tiga golongan atas dasar kelarutannya yaitu : protein globular, protein fibrosa dan protein konjugasi.

Protein Globular  Albumin  : terdpt dlm lactoalbumin, albumin dan serin.  Sifat : larut dlm air, dan mengental pd suhu panas.

Globulin terdpt dlm globulin serum dan miosin. Sifat larut dlm larutan garam, tdk larut dlm air.

Histon terdpt dlm nukleoprotein. sifat sangat larut dlm pelarut umum molekul kecil.

Protein Fibrosa    Collagen; terdpt pd tulang, otot dan kulit. Karekteristik : resisten terhdp pencernaan,  tidk larut dlm, air, dpt merubah protein menjadi gelatin pd saat pemasakan, asam atau basa. Mengandung hidroksiprolin dan hidroksiglisin, dan tidak mengandung sistein, sistin dan triptofan.

Elastin; terdpt pd pembuluh darah arteri, otot, dan jaringan elastik.  Sifat : resisten terhdp enzim pencernaan, mengandung sedikit hidroksiprolin.

Struktur ProteinAda  4 tingkat struktur dasar protein yaitu struktur primer, sekunder, tertier dan kwarter.Struktur protein menunjukkan jumlah, jenis dan urutan asam amino dalam molekulproteinUntuk mengetahui jumlah, jenis dan urutan asam amino dalam protein dilakukan analisisbeberapa tahap yaitu :

1.Penentuan rantai polipeptide yang berdiri sendiri

2.Pemecahan ikatan antara rantai polipeptide tersebut

3.Pemecahan masing-masing rantai polipeptida, dan

Analisis urutan asam amino pada rantai polipeptida 

Struktur Primer. Protein  merupakan polimer dari asam-asam amino yang digabungdengan ikatan-ikatan peptide, yaitu asam amino terikat gugus alfa karboksilnya dengangugus alfa amino dari asam amino lainStruktur Primer. Protein  merupakan polimer dari asam-asam amino yang digabungdengan ikatan-ikatan peptide, yaitu asam amino terikat gugus alfa karboksilnya dengangugus alfa amino dari asam amino lain   Struktur Sekunder. Aktivitas biologic dari protein tdk saja tergantung urutan kedudukan(struktur primer) AA tetapi juga dari jarak penataan rantai peptide yang panjang,sehingga struktur yg lebih kompleks terjadi dimana ikatan-ikatan rantai peptidemembentuk sebuah spiral “right hand alfa helix”.

Terbentuknya spiral dimungkinkan krn terikatnya gugus amino (NH) dengan karboksil(CO). Ikatan Hidrogen dapat terjadi karena atom hydrogen membagi bersama-samaelectron dengan atom O2. Sebagai tambahan adanya ikatan hydrogen struktursekunder mempunyai ikatan disulfide.

Struktur Tertier. Struktur tersier menunjukkan kecenderungan polipeptida membentuklipatan atau gulungan, Struktur ini dimantapkan oleh adanya bbrp ikatan antara gugus Rpada molekul AA yang membentuk protein.

Struktur Kuarter. Struktur kuarter menunjukkan derajat persekutuan unit-unit protein.Sebagian besar protein globular  terdiri atas beberapa rantai polipeptida yang terpisah.Rantai polipeptida ini saling berinteraksi membentuk persekutuan. Fungsi Biologi Protein

Beberapa golongan utama protein berdasarkan peranan biologisnya, masing-masing  :

1.Enzim

2.Protein Transport

3.Protein nutrien dan penyimpan

4.Protein kontraktil atau motil

5.Protein Struktural

6.Protein Pertahanan

7.Protein pengatur

EnzimProtein yang paling bervariasi dan mempunyai kekhususan yaitu protein yangmempunyai aktivitas katalisa (contoh ribonuklease, tripsin). Hampir semua reaksi kimiabiomolekul organic didalam sel dikatalisa oleh enzim Protein TransportProtein transport dalam plasma darah mengikat dan membawa molekul dari satu organke organ yang lain. Hb pada eritrosit mengikat O2 ketika darah melalui paru-paru danmembawa O2 ini ke jaringan periferi. O2 dilepaskan untuk melangsungkan oksidasinutrient yang mengahsilkan energy.

Protein Nutrien dan PenyimpanBiji berbagai tumbuhan menyimpan protein nutrient untuk pertumbuhan embrio tanaman.Contoh : protein biji dari gandum, jagung dan beras. Ovalbumin protein utama putih telurdan casein protein utama susu contoh lain dari protein nutrien.

Protein Kontraktil atau MotilProtein memberikan kemampuan kepada sel dan organisme untuk berkontraksi,mengubah bentuk atau bergerak. Aktin dan myosin adalah protein filament yangberfungsi di dalam system kontraktil otot kerangka dan juga di dalam banyak sel bukanotot.

Protein Struktural

Banyak protein yang berperanan sebagai filament, kabel atau lembaran penyanggahuntuk memberikan struktur biologi kekuatan atau proteksi. Komponen utama dari uratdan tulang rawan adalah protein serabut kolagen yang mempunyai daya tenggang yangamat tinggi. Protein PertahananBanyak protein mempertahankan organism dalam melawan serangan oleh spesies lainatau melindungi organism tersebut dari luka. Immunoglobulin atau antibody padavertebrata adalah protein khusus yang dibuat oleh limfosit yang dapat mengenali danmengendapkan atau menetralkan serangan bakteri, virus atau protein asing darispesies lain. Fibrinogen dan thrombin merupakan protein penggumpal darah

 Protein PengaturBeberapa protein membantu mengatur aktivitas seluler atau fisologi. Diantara jenis initerdapat sejumlah hormone seperti insulin yang mengatur metabolism gula dankekurangannya menyebabkan penyakit diabetes.

Protein LainTerdapat banyak protein lainnya yang fungsinya agak eksotik dan tidak mudahdiklasifikasikan. Contoh : Monelin suatu protein tanaman dari Afrika mempunyai rasa yang amat manis.Merupakan hal yang luar biasa bahwa semua protein ini dengan sifat dan fungsinyayang amat berbeda terbuat dari 20 asam amino yang sama. 

Pustaka Lehninger. A. L. 1990. Dasar-Dasar Biokimia. Jilid 1.    Terjemahan Maggy Thenawijaya.                      Penerbit Erlangga.Hartono, A. 1995. Harper Boikimia. Edisi 22. Penerbit Buku Kedokteran, Jakarta.Harper, H.A.  1979. Review of Physiological Chemestry, Los Alto  California.