The Molecules of Life

The Molecules of Life

Di terjemahkan dan di adopsi Oleh : Mega Sirnawati MPd 

dari buku Lehninger Principles of Biochemistry by David L. Nelson and Michael M. Cox   (5th edition)

Pengantar

Semua bentuk kehidupan, dari sel tunggal untuk organisme multisel, ketat menjaga mereka dalam lingkungan yang secara kimiawi berbeda dari lingkungan eksternal. Lingkungan batin adalah mampu melaksanakan fungsi yang paling dasar dari kehidupan: bangunan sel dan jaringan, menghasilkan energi, mengangkut zat terlarut dalam dan di luar sel, mengalikan, berkomunikasi dengan sel lain, dan seterusnya. Beberapa sel dan jaringan juga mampu melaksanakan tugas kurang umum, seperti gerak dan detoksifikasi unsur asing.

Apa yang membuat lingkungan dalam sel hidup dan jaringan sangat berbeda dari luar satu? Perbandingan antara dua lingkungan menunjukkan bahwa keduanya dibangun dari unsur-unsur kimia yang sama (Gambar 1)

Gambar 1

Namun, melihat lebih dekat mengungkapkan bahwa organisme hidup yang diperkaya dengan unsur-unsur karbon (C) dan hidrogen (H) dibandingkan untuk menghidupkan materi. Memang, unsur-unsur ini membentuk dasar dari semua molekul biologis. Apa pentingnya temuan ini? - Itu ada hubungannya dengan kemampuan karbon untuk membentuk empat ikatan kimia. Properti ini memungkinkan karbon untuk mencapai dua prestasi penting (Gambar 2). Yang pertama adalah untuk menciptakan rantai lurus atau bercabang dengan mengikat atom karbon lainnya (panah 1 pada Gambar. 2), dan yang kedua adalah untuk membuat kombinasi kimia beragam oleh oksigen mengikat (O), nitrogen (N) dan panah sulfur (S) (2 pada Gambar 2). Kedua prestasi memungkinkan berbasis karbon molekul menjadi kompleks dan beragam kimia.

Gambar 2

Banyak berbasis karbon molekul dalam organisme hidup, misalnya asam organik & basa, relatif kecil, tetapi masih memiliki beberapa fungsi. Sebagai contoh:
Asam organik dan basa menciptakan keseimbangan kimia yang menentukan pH sitoplasma dan organel.
Gula, asam amino dan asam lemak dipecah oleh sel untuk menghasilkan energi.
Adenosin trifosfat (ATP) berfungsi sebagai mata uang energi sel. Ini sementara menyimpan energi yang dihasilkan dari pemecahan gula, asam amino dan asam lemak, dan memberikan energi ini untuk setiap proses seluler yang membutuhkan itu.
Beberapa molekul kecil, misalnya sitrat, berfungsi sebagai regulator molekul yang memungkinkan sel untuk mengontrol laju berbagai proses yang sesuai dengan kondisi lingkungan.
Demikian pula, molekul seperti asam fosfat dan koenzim A melampirkan kovalen untuk metabolit dan mengaktifkan mereka untuk reaksi kimia berikutnya.

Beberapa berbasis karbon molekul kecil memiliki properti lain yang penting - kemampuan untuk merakit diri ke dalam struktur molekul yang lebih besar, disebut 'makromolekul'. Ada empat jenis makromolekul dalam organisme hidup: protein, asam nukleat, lipid dan polisakarida (karbohidrat atau gula alias). Masing-masing dibangun dari set sendiri dasar kecil blok bangunan molekul (Gambar 3):
Protein yang dibangun dari asam amino
Asam nukleat dibangun dari nukleotida
Lipid yang dibangun dari asam lemak dan / atau kolesterol
Polisakarida yang dibangun dari gula simples (monosakarida)

Gambar 3. Makromolekul yang dibangun dari molekul sederhana

Makromolekul sangat umum dalam sel dan jaringan (Gambar 4), dan untuk alasan yang baik, molekul-molekul kompleks, terutama protein dan asam nukleat, adalah apa yang membuat materi hidup begitu unik. Mereka kompleks dan beragam cukup untuk melaksanakan tugas-tugas yang rumit, dan integrasi tugas ini pada akhirnya diterjemahkan menjadi apa yang kita sebut 'hidup'. Peran mereka yang paling dasar adalah sebagai berikut (penjelasan lebih rinci diberikan dalam bagian berikutnya):
Banyak protein bertindak sebagai enzim - mesin molekuler yang mengkatalisis hampir semua proses seluler. Protein lain membangun struktur besar dalam sel (misalnya sitoskeleton) dan di luar mereka (misalnya matriks ekstra-seluler), yang memberi kekuatan fisik untuk sel, melindunginya, memfasilitasi gerakan organel, dan banyak lagi. Kelompok lain besar protein berfungsi sebagai reseptor. Ini berada pada permukaan sel dan mengikat kimia pembawa pesan yang dikirim dari sel-sel lain. Bentuk komunikasi yang mungkin memiliki hasil yang dramatis pada sel yang menerima pijat, seperti kematian pertumbuhan, perkalian dan bahkan. Namun, ada beberapa protein yang memenuhi peran yang lebih esoteris. Sebagai contoh, antibodi adalah protein disekresikan oleh sel-sel sistem kekebalan tubuh dan fungsi untuk mengidentifikasi dan kadang-kadang menetralisir unsur-unsur asing yang berpotensi berbahaya.
Asam nukleat, yaitu DNA dan RNA, bertanggung jawab atas coding dan pelaksanaan rencana genetik organisme.
Lipid membangun membran sel, struktur yang memisahkan sel dari lingkungan eksternal dan memfasilitasi transportasi zat terlarut dan komunikasi. Mereka juga berfungsi sebagai jangka panjang menyimpan energi pada hewan, dan sebagai sumber senyawa bioaktif banyak.
Polisakarida bertindak sebagai jangka pendek menyimpan energi pada hewan dan tumbuhan, dan juga membangun struktur kompleks yang melindungi sel-sel, seperti dinding sel bakteri / tanaman dan exoskeleton serangga.

Gambar 4

Protein

Protein adalah makromolekul beragam paling kompleks dan fungsional dalam semua organisme hidup. Mereka memenuhi peran banyak dalam setiap sel kita, dan sebagian besar bertanggung jawab atas fungsi-fungsi besar kehidupan. Sebuah penjelasan rinci tentang struktur protein dan fungsi yang diberikan pada halaman berikutnya. Sebuah penjelasan rinci tentang asam amino yang diberikan di sini.

Gambar 5. A large protein complex

polisakarida

Polisakarida, umumnya dikenal sebagai 'gula' atau 'karbohidrat', merupakan polimer dari gula sederhana yang disebut monosakarida:

                                                                   Gambar 6. Struktur polisakarida

Struktur dasar dari monosakarida meliputi kerangka karbon dengan beberapa hidroksil (OH) kelompok dan satu karbonil (C = O) kelompok. Jika yang terakhir adalah aldehida, gula disebut 'aldosa', dan jika itu adalah keton disebut 'ketose':

                                  Gambar 7. The basic chemistry of a monosaccharide

Monosakarida mungkin dengan panjang yang berbeda, meskipun yang paling umum mengandung 5 atau 6 atom karbon:

Gambar 8. Enam-karbon aldoses.

Dalam solusi berair (misalnya sitoplasma sel, lingkungan ekstra-seluler, darah, dll), monosakarida dari 5-6 karbon cenderung membentuk cincin 5 atau 6-beranggota. Proses ini mengubah kelompok keton / aldehida dari molekul ke dalam kelompok (OH) hidroksil, yang dapat menunjukkan atas atau bawah sehubungan dengan pesawat cincin:

                                 Gambar 9. Pembentukan struktur cincin glukosa.

Cincin yang terbentuk tidak planar, mungkin memiliki bentuk perahu atau kursi, dengan mantan yang lebih stabil:

                              Gambar 10. Dua dominan bentuk cincin monosakarida.

Sel dan jaringan juga mengandung turunan kimia monosakarida. Misalnya, N-asetilglukosamin, dibuat dengan melampirkan bagian acetamide menjadi glukosa (Gbr. 11), merupakan komponen penting dari dinding sel bakteri, serta kitin (bahan bangunan penutup luar serangga). Hal ini juga berpartisipasi dalam membangun penutup manis protein disekresikan banyak disebut 'glikoprotein'.

                                                                 Gambar 11.

Dua monosakarida dapat melekat satu sama lain melalui 'glikosidik ikatan', untuk membentuk sebuah 'disakarida':

                            Gambar 12. Penciptaan maltosa disakarida dari dua unit glukosa

Ketika monosakarida beberapa berinteraksi dengan cara ini, rantai polisakarida (linier atau bercabang) dibentuk.

Polisakarida memiliki beberapa peran. Berikut adalah beberapa contoh:
Energi toko: glikogen dan pati (Gambar 13) adalah dua polimer yang berbeda dari glukosa, mantan muncul dalam jaringan hewan dan yang terakhir dalam jaringan tanaman. Seperti disebutkan di atas, glukosa secara teratur dipecah oleh sel untuk menghasilkan energi. Dengan demikian, baik glikogen dan pati berfungsi sebagai toko energi.
Perlindungan fisik: selulosa dan kitin (juga polimer glukosa) menciptakan struktur keras yang melindungi organisme. Selulosa menciptakan dinding sel tanaman, sedangkan kitin menciptakan lapisan luar (exoskeleton) serangga. Struktur lain berbasis gula, disebut peptidoglikan, membentuk dinding sel bakteri.
Lapisan protein: saccharides dapat membentuk lapisan di sekitar protein dan peptida. Ini protein-gula konjugasi disebut glikoprotein dan proteoglikan. Keduanya disekresikan oleh sel-sel dan membentuk matriks ekstra-selular. Glikoprotein juga berfungsi sebagai enzim ekstraseluler, antibodi, dan sebagai bagian dari membran plasma sel. Lapisan gula dari molekul-molekul membantu untuk melindungi mereka, serta untuk meningkatkan kelarutan air mereka. Selain itu, setidaknya dalam kasus glikoprotein, lapisan gula juga dipercaya dapat berfungsi sebagai 'kode molekul' membantu pengakuan spesifik dari protein dengan unsur-unsur lain.
Lapisan lipid: glikolipid adalah lipid-gula konjugat yang dapat ditemukan di membran sel. Seperti di glikoprotein, lapisan gula diyakini berfungsi sebagai kode molekul. Sebuah contoh yang terkenal adalah kelompok darah (A, B, O), yang merupakan bentuk yang berbeda dari glikolipid yang menonjol dari membran sel darah merah.

                                      Gambar 13. Pati di dalam sel tanaman.                       

                     Asam Nukleat (Nucleic Acids)
Asam nukleat termasuk deoksi-Ribo-nukleat asam (DNA) dan asam nukleat Ribo-(RNA).

DNA membentuk rencana genetik dari sel-sel hidup dan organisme, sedangkan RNA mengambil bagian dalam terjemahan dan pelaksanaan rencana ini. Baik DNA dan RNA yang terbuat dari nukleotida, yang masing-masing mencakup tiga bagian: gula, basa, dan gugus fosfat 1 sampai 3 (Gambar 14).

                                              Gambar 14. Struktur nukleotida.

Bagian dasar nukleotida mungkin menjadi salah satu dari lima jenis:

                                   Gambar 15. Jenis basa nukleotida.

Nukleotida, selain membangun asam nukleat, juga memiliki fungsi lain. Sebagai contoh:
Co-enzim - nukleotida seperti NADH, NADPH, dan FADH2 FMNH2 mengikat enzim dan membantu mereka untuk mengkatalisis reaksi kimia. Peran enzim co-adalah untuk melaksanakan fungsi tertentu yang asam amino protein yang baik mampu melakukan atau hanya tidak melakukannya cukup efisien.
Energi mata uang - ATP (lihat di atas)
Switch molekul - GTP adalah nukleotida yang secara teratur mengikat protein komunikasi seluler. Hal ini memungkinkan protein untuk melaksanakan fungsi spesifik. Sementara terikat pada protein, molekul GTP rusak setelah beberapa saat, yang mengubah protein kembali ke keadaan tidak aktif. Dengan demikian, GTP bertindak sebagai saklar yang mengontrol aktivitas protein.
Berarti untuk mengaktifkan metabolit selular - UDP adalah nukleotida yang mengikat glukosa, sehingga mengaktifkannya untuk produksi glikogen polisakarida.

Nukleotida membentuk asam nukleat dengan mengikat satu sama lain melalui OH dan gugus fosfat, untuk membentuk untaian panjang:

                 Gambar 16. Pengikatan kovalen nukleotida membentuk untai panjang.



Dalam kasus DNA, dua untai tersebut berkumpul bersama untuk membentuk struktur heliks ganda terkenal:

                                                    Gambar 17. DNA struktur

Dalam struktur ini,  (‘water-loving’) ) hidrofilik gula-fosfat tulang punggung dari dua untai DNA yang terkena air sekitarnya, dan basis yang terkubur di dalam. Dasar-dasar pada satu untai struktur DNA berinteraksi dengan orang-orang dalam untai lainnya dengan membentuk ikatan hidrogen. Adenin selalu berinteraksi dengan timin, sedangkan guanin selalu berinteraksi dengan sitosin (Gbr. 18). Dengan demikian, urutan nukleotida dalam satu untai selalu melengkapi urutan dalam untai lainnya, sehingga dapat menjaga pola ikatan hidrogen yang spesifik.

                         Gambar 18. Hidrogen ikatan antara dua untai DNA berinteraksi.

Pada sel eukariotik, DNA lipatan ke dirinya sendiri untuk membentuk struktur yang sangat kental disebut 'kromosom':

                      Gambar 19 The lipat dari DNA untuk membentuk kromosom.

Struktur DNA yang panjang kromosom terdiri dari unit-unit fungsional disebut gen. Setiap kode gen fungsi sel yang berbeda. Pada kenyataannya, sebagian besar gen memegang rencana memproduksi protein, masing-masing gen coding untuk protein tertentu yang memiliki peran khusus. Dengan demikian, jika sel dan protein yang banyak adalah 'hardware', DNA adalah 'software'. Gen lain menyimpan informasi untuk menghasilkan molekul RNA fungsional.

RNA berbeda dari DNA dalam beberapa cara:

1. Bagian gula adalah oxy-ribosa bukannya deoksi-ribosa.

2. Ini berisi urasil bukan timin.

3. Ini membentuk struktur yang lebih beragam daripada DNA (lihat dua contoh dalam Gambar. 20).

                                    Gambar 20. Dua bentuk RNA struktural beragam.

Keragaman struktural RNA memungkinkan untuk memenuhi fungsi yang lebih beragam dibandingkan DNA. Selanjutnya, kelompok OH pada karbon kedua komponen RNA gula membuat molekul lebih reaktif daripada DNA. Semua di atas memungkinkan RNA untuk memenuhi fungsi seluler yang berbeda, sedangkan DNA memenuhi hanya satu.

Lipid

Seperti dalam kasus saccharides, lipid juga dapat sederhana atau kompleks. Yang semua lipid memiliki kesamaan sedang hidrofobik ('air-membenci'). Artinya, semua lipid mengusir air dan 'lebih' berada di sekitar satu sama lain.

Dua lipid sederhana yang umum pada eukariota adalah asam lemak dan kolesterol. Asam lemak yang terdiri dari kerangka karbon hidrofobik panjang dengan kelompok hidrofilik tunggal karboksil (COOH) di atas (Gambar 21). Hal ini membuat asam lemak amphipathic. Artinya, mereka memiliki bagian hidrofobik di satu sisi dan bagian hidrofilik di sisi lain. Sebagaimana akan kita lihat di bawah ini, properti ini adalah apa yang memungkinkan asam lemak untuk membangun struktur lipid yang kompleks. Beberapa asam lemak memiliki semua atom karbon alifatik mereka terhubung oleh ikatan tunggal ('jenuh'), sedangkan yang lain memiliki satu atau lebih ikatan ganda ('jenuh').

                                         Gambar 21. Struktur kimia asam lemak.

Asam lemak jenuh lebih sering terjadi pada jaringan hewan, sedangkan asam lemak tak jenuh yang lebih sering terjadi pada tanaman. Menjadi hidrofobik keseluruhan, asam lemak cenderung mengelompok bersama-sama, di mana mereka bisa mengubur ekor alifatik mereka karbon jauh dari air sekitarnya. Asam lemak jenuh yang linear dan karena itu cenderung membentuk struktur berlapis kental disebut 'gemuk' (Gbr. 22). Sebaliknya, The Kinks dalam struktur asam lemak tak jenuh tidak memungkinkan kondensasi tersebut, dan sebagai akibatnya mereka membentuk struktur longgar disebut 'minyak'. Peningkatan konsumsi lemak jenuh berhubungan dengan terjadinya penyakit jantung, karena ketinggian LDL darah dan kadar trigliserida (lihat di bawah).

         Gambar 22. Struktur yang dibentuk oleh asam lemak jenuh dan tidak jenuh.

Beberapa asam lemak memiliki fungsi tertentu. Misalnya, asam arakidonat, asam lemak 16-karbon dengan empat ikatan rangkap, adalah sumber dari sekelompok senyawa biologis aktif yang disebut eikosanoid. Senyawa ini, yang meliputi prostaglandin, prostacyclins, tromboksan dan leukotriens, merupakan mediator lokal demam, nyeri inflamasi, dan koagulasi. Memang, enzim memproduksi eicosanoids dari asam arakidonat adalah target anti-inflamasi obat-obatan seperti steroid (misalnya kortison) dan non-steroid obat (misalnya aspirin, ibuprofen).

Asam lemak ini juga berfungsi sebagai komponen lipid yang kompleks. Salah satu lipid tersebut adalah triasilgliserol, biasa disebut 'trigliserida'. Struktur ini dibentuk oleh esterifikasi dari tiga asam lemak untuk sebuah molekul gliserol tunggal (Gambar 23). Blok esterifikasi kedua kelompok OH dari gliserol dan kelompok karboksil asam lemak '. Akibatnya, triasilgliserol benar-benar hidrofobik.

                                                      Gambar 23. Triasilgliserol

Triasilgliserol berfungsi sebagai bentuk jangka panjang penyimpanan energi pada hewan. Menjadi benar-benar hidrofobik, itu efisien disimpan jauh dari air dalam jaringan khusus yang disebut 'jaringan adiposa'. Ketika lipid memakan jaringan, seperti otot beristirahat, yang membutuhkan energi, triasilgliserol molekul dalam jaringan adiposa terdegradasi dan asam lemak bebas yang dihasilkan dimobilisasi untuk jaringan target mereka di mana mereka dipecah dan teroksidasi.

Struktur lain yang umumnya dibentuk oleh asam lemak fosfolipid. Sebagai triasilgliserol, molekul fosfolipid dibentuk juga oleh esterifikasi asam lemak ke molekul gliserol. Namun, hanya dua dari tiga karbon yang kedua yang diesterifikasi, sedangkan ketiga melekat kelompok phospho-alkohol (Gbr. 24). Hal ini membuat fosfolipid bahkan lebih amphipathic dibanding asam lemak.

                                                 Gambar 24. Fosfolipid struktur.

Berbeda dengan tryacylglycerol, fosfolipid tidak berfungsi sebagai penyimpanan energi. Menjadi amphipathic, mereka secara fisik didorong untuk merakit ke dalam struktur yang disebut 'lipid bilayer', yang memungkinkan mereka untuk menjaga ekor hidrofobik mereka bersama-sama, sementara mengekspos hanya kelompok hidrofilik mereka kepala ke air di sekitarnya (Gbr. 25).

                                         Gambar 25. Inti lipid-bilayer membran plasma.

Struktur ini adalah inti dari salah satu komponen membran seluler-yang paling penting plasma (Gbr. 26). Yang terakhir ini terbentuk ketika protein yang terintegrasi dalam lapisan ganda lipid. Protein ini berfungsi sebagai saluran ion, transporter terlarut, reseptor, dan dalam beberapa kasus bahkan antibodi

                           Gambar 26. Struktur lengkap dari membran plasma.

Lain lipid umum pada eukariota adalah kolesterol. Struktur molekul ini mencakup empat cincin menyatu, ekor hidrofobik dan gugus OH tunggal yang membuatnya lemah amphipathic (Gbr. 27).

                                              Gambar 27. Struktur kolesterol.

Meskipun reputasi yang buruk, kolesterol merupakan molekul penting dalam sel hewan dan jaringan. Secara khusus, ia memiliki dua peran utama:
Merupakan komponen integral dari membran plasma (lihat Gambar. 26). Ini hasil dari sifat amphipathic kolesterol.
Menjadi sumber beberapa kunci senyawa biologis aktif. Ini includebile asam, hormon steroid (misalnya kortisol, estrogen, progesteron, testosteron) dan vitamin D.

Dalam darah, kolesterol diangkut dalam bola lipid yang disebut 'lipoprotein' (seperti namanya, struktur ini juga mengandung unsur protein). Salah satu dari 3 bentuk kolesterol lipoprotein pembawa, yang disebut LDL, berhubungan dengan penyakit kardiovaskular. Bahkan, LDL sendiri tidak masalah, seperti yang diangkut ke dalam sel dengan cara yang sangat diatur. Namun, ketika kolesterol dikonsumsi dalam jumlah besar, LDL tetap dalam darah cukup lama untuk menjadi teroksidasi dan selanjutnya diambil oleh makrofag (sel darah putih yang membuang sampah dan bakteri asing dari tubuh). Sel-sel ini menyusup ke endotelium arteri dan mati di sana. Menginduksi suatu proses inflamasi yang pada akhirnya menghambat arteri dan menciptakan gumpalan darah. Ketika hal ini terjadi di arteri makan jantung ('arteri koroner'), akhirnya dapat mengakibatkan infark miokard, yaitu serangan jantung.

referensi :  Lehninger Principles of Biochemistry by David L. Nelson and Michael M. Cox   (5th edition)