Makhluk hidup merupakan suatu sistem yang terdiri dari organ-organ yang bekerja sama melakukan fungsinya dalam suatu koordinasi. Organ-organ ini sendiri tersusun atas beberapa macam jaringan yang saling bekerja sama melakukan suatu fungsi spesifik. Tiap jaringan merupakan sekumpulan sel-sel sejenis, dalam hal bentuk dan fungsi, yang berada pada tempat yang sama untuk melakukan fungsi tertentu. Di dalam sel terdapat organel-organel yang tersusun atas molekul-molekul. Di antara molekul-molekul seluler ini, dalam skala molekuler, berukuran sangat besar. Para ahli biologi menggunakan istilah makromolekul untuk menyebut molekul-molekul raksasa tersebut. Untuk lebih jelasnya akan ditunjukkan pada gambar di bawah berikut ini.
Berikut akan dibahas lebih lanjut mengenai makromolekul ini.
A. Struktur Makromolekul
Sebagian besar makromolekul adalah molekul yang menyerupai rantai yang disebut dengan polimer. Sebagaimana diungkapkan oleh Campbell;
Polimer adalah suatu molekul panjang yang terdiri atas banyak blok penyusun yang identik atau serupa yang dihubungkan dengan ikatan kovalen, mirip seperti kereta api yang terdiri atas rangkaian gerbong. Unit-unit yang disusun berulang-ulang yang berfungsi sebagai blok penyusun suatu polimer adalah molekul-molekul kecil yang disebut monomer.
Monomer-monomer tersebut dihubungkan melalui suatu reaksi dimana dua molekul berikatan secara kovalen satu sama lain melalui pelepasan satu molekul air; reaksi ini kita kenal dengan reaksi kondensasi atau reaksi dehidrasi. Polimer akan diuraikan menjadi monomernya melalui reaksi hidrolisis., suatu proses yang merupakan reaksi kebalikan dari reaksi hidrolisis. Ketika terjadi reaksi hidrolisis, ikatan monomernya akan diputus dengan penambahan air(H2O), Hidrogen dari molekul air terikat dengan satu monomer dan gugus hidroksil terikat dengan monomer di dekatnya. Contoh terjadinya reaksi hidrolisis dalam tubuh manusia adalah proses pencernaan. Sejumlah materi organik yang terlalu besar dalam makanan kita berbentuk polimer yang terlalu besar untuk masuk ke dalam sel. Dalam pencernaan berbagai enzim menghancurkan polimer itu, sehingga mempercepat reaksi hidrolisi. Monomer yang dibebaskan kemudian diserap dalam aliran darah untuk didistribusikan ke seluruh sel-sel tubuh.
Masing-masing sel memiliki ribuan jenis makromolekul yang berbeda dan memiliki variasi makromolekul yang berbeda meski itu dalam organisme yang sama. Variasi polimer yang sangat banyak ini dapat dibangun dari sekumpulan kecil monomer.
B. Macam-macam Polimer yang Ditemukan dalam Sel
Ada empat macam polimer utama yang ditemukan dalam sel, yaitu karbohidrat, lipid, protein dan asam nukleat. Berikut akan dijelaskan struktur dan fungsi masing-masing polimer tersebut.
1. Karbohidrat
Karbohidrat yang lazim dikenal sebagai gula, berdasarkan ukurannya dibagi menjadi empat kelas yang berbeda, yaitu: monosakarida, disakarida, oligosakarida, dan polisakarida. Monosakarida yang contohnya glukosa, galaktosa, dan fruktosa, adalah unit gula yang paling kecil. Monosakarida dapat digambarkan sebagai rantai lurus dari atom-atom karbon, yang salah satunya membentuk sebuah gugus karbonil melalui ikatan rangkap dengan oksigen. Karbon lain pada monosakarida biasanya mengandung gugus hidroksil. Apabila gugus karbonilnya adalah suatu aldehida, gula tersebut diberi nama aldosa. Gula dengan sebuah gugus keton dinamai dengan ketosa. Pada monosakarida yang paling sering dijumpai, jumlah karbon berkisar 3 (disebut triosa) sampai 7(heptosa). Gula dengan jumlah karbon 4, 5, 6 masing-masing disebut dengan tetrosa, pentosa, dan heksosa.
Monosakarida khususnya glukosa, merupakan nutrien utama sel. Dalam proses yang dikenal sebagai respirasi seluler, sel-sel mengekstrasi energi yang tersimpan dalam molekul glukosa. Molekul yang tidak segera digunakan umumnya disimpan sebagai monomer yang bergabung membentuk disakarida atau polisakarida. Mereka dapat disatukan bersama-sama oleh ikatan glioksidat untuk membentuk kelas karbohidrat yang lain. Salah satu contohnya adalah disakarida. Sukrosa, maltosa, dan laktosa(golongan disakarida) masing-masing terdiri atas 2 monosakarida yang disatukan oleh ikatan glioksidat. Disakarida yang paling banyak ditemukan di alam adalah sukrosa, yaitu gula yang sehari-hari kita konsumsi. Kedua monomernya adalah glukosa dan fruktosa. Tumbuhan umumnya mengangkut karbohidrat dari daun ke akar dan ke organ nonfotosintetik lainnya dalam bentuk sukrosa. Contoh berikutnya adalah oligosakarida, glikolipid dan glikoprotein (golongan oligosakarida) mengandung 3 sampai 12 unit monosakarida. Contoh lainnya adalah polisakarida, misalnya kanji dan glikogen mengandung puluhan ribu unit monosakarida. Beberapa diantara polisakarida berfungsi sebagai materi simpanan atau cadangan, yang nantinya ketika diperlukan akan dihidrolisis untuk menyediakan gula bagi sel. Polisakarida lain berfungsi sebagai materi pembangun(penyusun) untuk struktur yang melindungi sel atau keseluruhan organisme. Arsitektur dan fungsi polisakarida ditentukan oleh monomer gulanya dan oleh posisi ikatan glioksidiknya.
Beberapa buah disakarida dan trisakarida membentuk polisakarida.
Semua polimer ini sangat penting dalam organisasi molekuler, khususnya sebagai substansi interseluler. Keberadaan polisakarida ini dalam sel bisa dalam keadaan bebas ataupun terikat dengan protein. Ada beberapa polisakarida komplek terpenting, antara lain: (1) Neutral polysaccharides, hanya terdiri atas acetylglucosamine. Contoh utamanya adalah chitin, suatu substansi pendukung yang ditemukan pada Insecta dan Crustacea. (2) Acidic mucopolysaccharides, tersusun atas sulfur atau asam lain dalam molekul. Molekul-molekul ini basophilic kuat. Yang termasuk dalam grup ini adalah heparin, suatu substansi anktikoagulan; chondroitin sulfate, ditemukan dalam cartilago, kulit, kornea, dan tali pusar; dan yang terakhir hyaluronic acid,ditemukan dalam kulit dan jaringan hewan lain. Berikutnya dihidrolisis oleh hyaluronidase.(3) Glycoproteins, tersusun atas suatu protein dan prostetik suatu grup karbohidrat. Glikoprotein dibedakan menjadi 2 kategori, yaitu: intraseluler dan sekretori. Glikoprotein intraseluler berada dalam membran sel dan memiliki fungsi penting dalam interaksi dan rekognisi membran.
Gambar struktur membran sel, yang menunjukkan keberadaan glikoprotein dalam strukturnya.
Ada bermacam gikoprotein yang disekresikan oleh bermacam sel, antara lain: glikoprotein plasma(contohnya seroalbumin), disekresikan oleh liver; thyroglobulin, diproduksi oleh kelenjar thyroid; immunoglobulin , disekresikan plasma sel; ovoalbumin, disekresikan oleh saluran oviduct; dan ribonuclease-B dan deoxyrybonuclease, diproduksi oleh pankreas. Fungsi glikoprotein sangat komplek khususnya dalam penyusunan membran sel, komplek Golgi, dan sekresi.
2. Lipid
Lipid atau lemak memiliki struktur yang sangat heterogen. Ciri utamanya adalah hidrofobisitas; lemak tidak larut dalam air. Lemak berfungsi utama sebagai sumber bahan bakar bagi tubuh, dan juga berfungsi sebagai komponen membran sebagai prekusor untuk sintesis berbagai senyawa misalnya garam empedu dan eikosanoid. Lemak utama dalam tubuh manusia adalah asam lemak, yang sering dijumpai mengalami esterifikasi bersama gliserol, membentuk senyawa seperti triasilgliserol(trigliserida) atau fosfoasilgliserol (fosfogliserida). Pada spingolipid, yang menjadi prekusor tulang punggung tempat melekatnya asam lemak adalah serin, bukan gliserol. Asam lemak memiliki lebih dari satu ikatan rangkap dalam rantai hidrokarbonnya(polyunsaturated) adalah prekusor eikosanoid (prostaglandin, tromboksan, dan leukotrien). Meskipun lemak bukan merupakan polimer, senyawa ini adalah molekul besar dan terbentuk dari molekul yang lebih kecil melalui reaksi dehidrasi. Asam lemak yang merupakan salah satu penyusun lemak, memiliki kerangka karbon yang panjang, umumnya 16 sampai 18 atom karbon panjangnya. Salah satu ujung asam lemak itu adalah “kepala “ yang terdiri atas gugus karboksil, gugus fungsional yang menyebabkan molekul ini disebut asam lemak. Yang berikatan dengan gugus karboksil adalah hidrokarbon panjang yang disebut dengan “ekor”. Ikatan C-H nonpolar yangterdapat pada ekor asam lemak itu menyebabkan lemak bersifat hidrofobik. Berdasarkan struktur ekor hidrokarbon asam lemak, asam lemak dibedakan menjadi “lemak jenuh” dan “lemak tak jenuh”. Jika ada ikatan ganda di antara atom-atom karbon yang menyusun ekor itu, maka atom hidrogen akan sebanyak mungkin terikat pada kerangka karbon, membentuk asam lemak jenuh. Asam lemak tak jenuh memiliki satu atau lebih ikatan ganda, yang terbentuk melalui pengeluaran atom hidrogen dari kerangka karbon. Asam lemak akan memiliki bentuk yang kaku pada tempat di mana terdapat ikatan ganda. Sebagian besar lemak hewan adalah lemak jenuh. Sebaliknya lemak tumbuhan dan ikan umumnya tidak jenuh.
Lemak telah memiliki konotasi sedemikian negatif dalam kebudayaan kita sehingga mungkin timbul pertanyaan apa lemak bermanfaat bagi kita. Fungsi utama lemak adalah sebagai cadangan energi. Rantai hidrokarbon lemak mirip dengan molkeul bensin dan kandungan energinya juga hampir sama. Satu gram cadangan lemak memiliki kandungan energi dua kali lipat dibandingkan dengan satu gram polisakarida. Karena tumbuhan relatif diam, maka tumbuhan masih berfungsi baik dengan cadangan energi yang sebagian besar berupa pati. Hewan sebaliknya, harus membawa cadangan energi bersamanya kemanapun perginya, sehingga akan lebihmenguntungkan untuk mempunyai cadangan bahan bakar yang lebih padat- yaitu lemak. Manusia dan mamalia lain menumpuk cadangan makanannya dalam sel lemak atau adiposa yang membengkak atau mengkerut ketika lemak disimpan atau dibebaskan dari cadangan penyimpanan.
Fosfolipid adalah komponen utama membran sel. Dia punya kemiripan dengan lemak, namun molkeul ini hanya memiliki dua asam lemak, bukan tiga seperti lemak. Gugus karboksil ketiga pada molkeul gliserol itu berikan dengan suatu gugus fosfat, yang bermuatan negatif. Molekul kecil tambahan, umumnya bermuatan atau polar, dapat berikatan dengan gugus fosfat membentuk berbagai macam fosfolipid.
Fosfolipid memiliki perilaku ambivalen terhadap air. Ekornya yang terdiri atas hidrokarbon, bersifat hidrofobik dan tidak dapat bercampur dengan air. Namun, gugus fosfat dan ikatannya membentuk sebuah kepala hidrofilik yang memiliki afinitas yang kuat terhadap air. Ketika fosfolipid ini ditambahkan ke dalam air, molekul-molekul tersebut mengumpul dengan sendirinya membentuk agregat yang melindungi bagian hidrofobiknya dari air. Kumpulan seperti ini adalah misel, suatu butiran fosfolipid dengan kepala fosfat bagian luar, yang berhubungan dengan air. Ekor hidrokarbon hanya dibatasi pada bagian dalam misel yang bebas terhadap air.
Gambar atas, sayatan melintang sebuah misel, gambar bawah simbol satu fosfolipid dengan kepala hidrofilik (bulatan) dengan ekor yang hidrofobik.
Pada permukaan suatu sel, fosfolipid tersusun dalam suatu lapisan bilayer atau lapisan ganda. Bilayer fosfolipid akan membentuk suatu perbatasan antara sel dengan lingkungan eksternalnya, pada kenyataannya fosfolipid merupakan komponen utama membran sel.
Gambar irisan membran sel yang menunjukkan adanya lapisan bilayer fosfolipid
Steroid adalah lipid yang ditandai dengan suatu kerangka karbon yang terdiri atas empat cincin yang menyatu. Salah satu steroid, kolesterol merupakan komponen umum membran sel hewan dan juga merupakan prekusor (senyawa pendahulu) yang mana dari prekusor ini steroid lain akan disintesis. Banyak hormon, termasuk hormon seks, merupakan steroid yang dihasilkan dari kolesterol. Dengan demikian, kolesterol merupakan molekul penting dalam tubuh hewan meskipun dalam konsentrasi tinggi akan menyebabkan ateroklerosis.
3. Protein
Protein merupakan molekul yang dikenal memiliki struktur paling rumit. Sesuai dengan fungsinya yang beragam, molekul protein sangat beragam strukturnya, setiap jenis protein memiliki dimensi atau konformasi yang unik. Meskipun protein beragam, semua molekul protein merupakan polimer yang dibangun dari kumpulan 20 asam amino yang sama. Polimer asam amino disebut dengan polipeptida.
Asam amino adalah unit monomerik yang membentuk suatu protein, dan asam amino adalah produk primer penguraian protein. Selama sintesis protein, yang berlangsung di ribosom, terdapat 20 asam amino yang sering digunakan. Α-karbon asam amino mengandung sebuah gugus asam karboksilat, sebuah gugus amino dan sebuah rantai sisi yang tersusun dalam konfigurasi L. Sebagian asam amino mengalami modifikasi secara kimia setelah bergabung membentuk protein. Secara kimia asam amino sangat beragam. Sifat kimia rantai sisi asam amino menentukan karakteristik spesifik dari protein tempat di mana asam amino berada. Rantai sisinya sebagian polar, dan sebagian rantai sisinya bersifat nonpolar. Sebagian rantai sisi hidrofobik bersifat aromatik, mengandung cincin dengan ikatan rangkap yang mengalami konjugasi. Dua asam amino memiliki rantai sisi yang mengandung sulfur, dua asam amino mengandung gugus amida, dan satu asam amino bersifat siklik( gugus aminonya bergabung ke dalam suatu cincin).
gambar struktur umum protein
Fungsi protein bergantung pada bentuk spesifiknya. Banyak protein globuler( secara kasar agak bulat), sementara yang lain berbentuk serat. Konformasi sepesifik suatu protein akan menentukan bagaimana protein tersebut bekerja. Dalam hampir kasus, fungsi protein bergantung pada kemampuannya mengenali dan berikatan dengan molekul lain. Dalam arsitektur kompleks suatu protein, kita dapat mengenali tiga tingkatan struktur yang saling berimpitan, yang dikenal sebagai struktur primer, struktur sekunder, dan tersier. Tingkatan ke empat, struktur kuartener, terjadi ketika suatu protein terdiri atas dua atau lebih rantai polipeptida. Struktur primer suatu protein semata-mata adalah urutan linear asam amino yang disatukan oleh ikatan peptida. Tidak terjadi percabangan rantai. Daerah di dalam rantai peptida dapat membentuk struktur reguler, berulang, dan lokal yang terjadi akibat adanya ikatan hidrogen antara atom-atom ikatan peptida. Daerah tersebut yang dikenal dengan struktur sekunder, mencakup heliks-α dan lembar β. Struktur tersier suatu protein adalah konfomasi keseluruhannya. Bentuk protein globular melibatkan interaksi antara residu amino yang mungkin terletak sangat jauh satu sama lain pada urutan primer polipeptida dan melibatkan heliks-α dan lembar β. Interaksi non kovalen antara sisi residu asam amino penting untuk menstabilkan struktur tersier dan terdiri dari hidrofobik dan elektrostatik serta ikatan hidrogen. Struktur kuartener adalah struktur tiga dimensi suatu protein yang terdiri dari subunit. Subunit disatukan oleh jenis interaksi nonkovalen yang sama yang berperan pada struktur tersier, yaitu interaksi elektrostatik dan hidrofobik serta ikatan hidrogen.
Struktur protein primer, sekunder, tersier dan kuartener.
Struktur protein menentukan fungsi yang dilakukannya di dalam tubuh. Beberapa contoh protein dengan fungsi yang berbeda adalah: (a) hemob\globin, yang mengangkut oksigen dalam darah, (b) antibodi, yang beraksi dengan antigen untuk melawan infeksi,(c) kolagen, yang menghasilkan daya regang bagi banyak struktur dalam tubuh, (d) insulin, yang berfungsi sebagai hormon dengan berikatan ke reseptor di membran sel, menyalurkan sinyal ke bagian dalam sel, dan (e) heksikinase, yaitu suatu enzim yang mengkatalisis fosforilasi glukosa, mengubahnya menjadi suatu bentuk yang dapat dimetabolis oleh sel untuk menghasilkan energi.protein dapat mengalami denaturasi jika mengalami perubahan pH, konsentrasi garam, susuh atau aspek lain lingkungannya.
4. Asam nukleat
Asam nukleat adalah makromolekul adalah makromolekul terpenting dalam organisme. Terdapat dua jenis asam nukleat: asam deoksiribonukleat (DNA) dan asam ribonukleat(RNA). Asam-asam nukleat ini adalah molekul-molekul yang membuat organisme hidup dapat memproduksi komponen-komponen kompleksnya dari satu generasi ke generasi berikutnya. DNA merupakan sesuatu yang unik diantara molekul-molekul, karena mengarahkan replikasinya sendiri. DNA juga mengarahkan replikasi RNA, dan mengontrol sintesis protein melalui RNA. DNA adalah materi genetik yang diwarisi organisme dari orangtuanya. Suatu molekul DNA sangat panjang dan umunya terdiri atas ratusan bahkan ribuan gen. Ketika suatu sel membelah diri, DNAnya akan disalin dan diteruskan ke generasi sel berikutnya. Setiap gen disepanjang rentang molekul DNA mengarahkan sintesis mRNA. Molekul mRNA itu kemudian berinteraksi dengan peralatan pensintesis protein dalam sel untuk mengarahkan produksi polipeptida.
Gambar sintesis protein yang melibatkan mRNA
Asam nukleat merupakan polimer dari monomer-monomer yang disebut dengan nukleotida. Masing-masing nukleotida itu terdiri atas tiga bagian, yaitu: basa nitrogen, pentosa, dan gugus fosfat. Basa nitrogen memiliki dua keluarga besar, yaitu pirimidin dan purin. Pirimidin memiliki cincin enam anggota yang terdiri atas atom karbon dan nitrogen. Anggota keluarga pirimidin adalah sitosin,(C), timin(T), dan urasil (U). Purin lebih besar, dengan cincin enam-anggota yang menyatu dengan suatu cincin lima anggota. Yang termasuk anggota keluarga purin adalah Adenin(A) dan guanin(G). Adenin, guanin, dan sitosin ditemukan pada kedua jenis asam nukleat. Timin hanya ditemukan dalam DNA dan urasil hanya ditemukan pada RNA.
Pentosa yang berikatan dengan basa nitrogen adalah ribosa pada nukleotida RNA dan deoksiribosa pada molekul DNA. Dalam polimer asam nukleat atau polinukleotida, nukleotida dihubungkan dengan ikatan kovalen yang disebut dengan ikatan fosfodiester antara fosfat dari suatu nukleotida dan gula dari nukleotida berikutnya. Pengikatan ini menghasilkan suatu tulang belakang dengan suatu pola gula-fosfat-gula-fosfat yang berulang. Disepanjang tulang ini terdapat tempelan tambahan yang terdiri atas basa nitrogen.
Molekul DNA sebenarnya terdiri atas dua polinukleotida yang membnetuk spiral di sekitar sumbu imajiner membentuk sebuah helix ganda. James Watson dan Francis Crick yang bekerja di Cambridge University, pertama kali mengungkapkan helix ganda sebagai struktur DNA tiga dimensi tahun 1953. Kedua tulang belakang gula fosfatnya berada di luar heliks dan basa nitrogen dipasangkan di bagian dalam heliks. Kedua polinukleotida, atau untaian(strand) diikat oleh ikatan hidrogen antara basa-basa berpasangan dan diikat oleh ikatan van der Waals antara tumpukan basa-basa itu. Sebaian besar molekul DNA sangat panjang dengan ribuan bahkan jutaan pasangan basa yang menghubungkan kedua rantai itu. Hanya basa tertentu yang cocok satu sama lain. Adenin selalu berpasangan dengan timin, dan Guanin selalu berpasangan dengan sitosin. Kedua untaian bersifat komplementer satu sama lain. Masing-masing merupakan pasangan yang dapat diprediksi. Inilah ciri DNA yang memungkinkan dilakukannnya penyalinan secara tepat oleh gen-gen yang bertanggung jawab atas penurunan sifat genetik. Dalam persiapan untuk pembelahan sel, kedua untai molekul DNA akan memisah dan masing-masing untai itu berfungsi sebagai cetakan untuk mengurutkan nukleotida-nukleotida dalam suatu untaian komplementer baru. Salinan identik itu kemudian didistribusikan ke kedua sel anak. Dengan demikian DNA itu menyebabkan berfungsinya DNA itu dalam penghantaran (transmisi) informasi genetik.
gambar struktur DNA
gambar replikasi DNA
Kita dapat menggunakan DNA dan protein sebagai pita ukur evolusi. Perbandingan molekuler akan membantu oara ahli biologi untuk menyortir hubungan evolusioner diantara spesies-spesies.
Struktur RNA pada dasarnya sama dengan DNA, hanya perbedaannya pada keberadaan ribosa dan urasil pada tempat timin di DNAnya.
DAFTAR PUSTAKA
Marks, DB. Marks, AD. Smith, CM. 1996. Biokimia Kedokteran Dasar Sebuah Pendekatan Klinis. Jakarta: EGC.
Derobertis, EDP. Saez, FA. Derobertis.Jr, EMF. 1975. Cell Biology. 6th ed. Tokyo: W>B> Saunders Company inc.
Anna Poedjiadi, 1994. Dasar-dasar Biokimia. Jakarta: UI Press.
Campbell NA, Reece JB, Mitchell LG. 2002. Biologi, Edisi Kelima, Jilid I. Jakarta: Erlangga.
mksih ya
BalasHapus