SEL SEBAGAI WAHANA AKTIVITAS BIOTEKNOLOGI
advertisement
SEL SEBAGAI WAHANA AKTIVITAS BIOTEKNOLOGI Oleh : Dadang Sumardi, Ir.,MP. Fakultas Pertanian Universitas Winaya Mukti 2008 BIOTEKNOLOGI Penggunaan mahluk hidup atau bagian-bagiannya untuk menghasilkan barang atau jasa secara industri Mahluk Hidup (manusia, hewan dan tumbuhan) Pertumbuhan dan perkembangan Organ-organ Organisasi Jaringan Tubuh Mahluk hidup Sel Organel sel Biomolekul Senyawa dasar Produk Metabolisme Sel Bahan SEL Organisasi terkecil dalam tubuh mahluk hidup ? •Memiliki kelengkapan organel •Wahana proses metabolisme •Memiliki sifat otonom dan totipotensi SEL PROKARIOTIK SEL EUKARIOTIK Perbedaan sel prokariotik dan sel eukariotik Perbedaan Inti sel Jumlah kromosom Ukuran ribosom Organel sel Sel prokariotik Tidak ada membran Sel eukariotik Ada membran 1 lebih dari 1 70 S 80 S Tidak lengkap Lengkap: mitokondria,RE,Badan Golgi,lisosom dsb. Kelompok mikroorganisme 1. Bakteri: eubakteri, archaebakteri dan 2. 3. 4. 5. 6. 7. cyanobakteri Jamur: khamir, kapang dan cendawan Alga : alga bersel satu dan bersel banyak Protozoa :ciliata,flagellata,sporozoa,rhizopoda Ricketsia dan Clamydia Mycoplasma Virus PERBEDAAN SEL TUMBUHAN DAN HEWAN • Mempunyai • Tidak memiliki • • • • dinding sel Vakuola berukuran besar permanen Mempunyai plastida (kloroplas, kromoplas, dan leukoplas) Tidak mempunyai sentriol • dinding sel Vakuola berukuran kecil tak permanen Tidak mempunyai plastida • Mempunyai sentriol NUKLEUS ( INTI SEL ) • Pada eukariotik memiliki membran inti. • Mengandung anak inti (nukleolus) dan kromosom. • Fungsi inti sel adalah : - Mengendalikan metabolisme sel. - Menyimpan informasi genetik (gen). - Mengatur ekspresi gen. - Tempat terjadinya replikasi dan transkripsi. ASAM NUKLEAT •DNA •RNA FUNGSI ASAM NUKLEAT •Ekspresi karakter •Pewarisan karakter •Sintesa protein KROMOSOM DI DALAM INTI SEL Plant Biotechnolog Plant Biotechnology Techniqu DNA, gen & kromosom Protoplast Fusion (Plant tissue cultur MITOKONDRIA • • • • • 1.matriks 2. membran luar 3. membran dalam Fungsinya untuk respirasi sel (penghasil energi / ATP) Krista berfungsi untuk memperluas permukaan respirasi. MITOKONDRIA PLASTIDA • Terdiri dari : kloroplas, kromoplas, dan leukoplas. • Kloroplas : mengandung kloropil untuk fotosintesis. • Kromoplas : mengandung pigmen kuning jingga dan merah (karoten). • Leukoplas : tidak berwarna untuk menyimpan cadangan makanan. KLOROPLAS • • • • • 1.Membran luar 2.Grana/Granum 3.Membran dalam 4.Tilakoid 5.Lamela SENTRIOL • Hanya dimiliki oleh sel hewan . • Terdapat sepasang seperti selinder. • Berperan dalam proses pembelahan sel hewan yaitu mengatur pemisahan kromosom selama pembelahan sel. BADAN GOLGI / GOLGI KOMPLEKS • Pada sel tumbuhan • biasanya disebut diktiosom. Fungsinya untuk membentuk kantung kantung sekresi, membran plasma, dan dinding sel. BADAN GOLGI LISOSOM ( dibentuk oleh badan golgi) • Ukurannya sangat kecil • Dibentuk oleh badan golgi • Bentuk bulat berisi enzim pencernaan • Fungsinya untuk pencernaan intraseluler PEROKSISOM • Ukurannya seperti lisosom • Dibentuk oleh R E • Berisi enzim katalase yang berfungsi untuk menguraikan H2O2 . • H2O2 H2O + O2 • katalase VAKUOLA • • • • • • • • Merupakan bagian yang mati Pada sel hewan kurang berperanan Pada sel tumbuhan berperan penting Memiliki selaput yang memisahkan dengan sitoplasma (tonoplasma) Fungsinya menyimpan zat – zat makanan (glukosa, asam amino, protein) Menyimpan produksi ( alkaloid, atsiri ) Memblokir ampas metabolisme (NH3 ,CO2, dan kristal garam ) Mewarnai dengan kandungan pigmen. DNA PERANANNYA DALAM AKTIVITAS SEL DAN PEMANFAATANNYA DALAM BIOTEKNOLOGI ASAM NUKLEAT • Polimer yang tersusun dari nukleotida (sebagai monomer) yang terdiri dari gula pentosa, basa nitrogen dan gugus posfat. • Gula pentosa : D-deoksiribosa (DNA) dan D-ribosa (RNA) • Basa nitrogen : * Purin – Adenin - Guanin * Pirimidin – Timin (DNA) - Sitosin (DNA+RNA) - Urasil (RNA) * Gugus posfat : PO43- ASAM NUKLEAT DNA RNA •Basa nitrogen terdiri dari sitosin, timin, adenin dan guanin •Basa nitrogen terdiri dari sitosin, urasil, adenin dan guanin •Gula: D-deoksiribosa •Gula : D-ribosa •Terdiri dari dua rantai yang berikatan pada basa nitrogen dengan ikatan hidrogen •Terdiri dari satu lembar rantai •Terdapat pada inti sel, mitokondria, plastida dan retikulum endoplasma •Terdapat pada inti sel, sitosol dan ribosom STRUKTUR DNA Triplet kodon = gen ( mis TA-GC-CG) DNA, gen & kromosom STRUKTUR RNA H H Urasil OH OH OH OH FUNGSI ASAM NUKLEAT SINTESA PROTEIN PEWARISAN KARAKTER EKSPRESI KARAKTER ENZIM REPLIKASI DNA TRANSKRIPSI DNA OLEH mRNA TRANSLASI TRIPLET KODON OLEH tRNA di ribosom PROTEIN PIGMEN HORMON META BOLIS ME DLL KODE GENETIK UNTUK PIGMEN MERAH PROSES TRANSKRIPSI DAN TRANSLASI KODE GENETIK PROTEIN YANG BERFUNSI SEBAGAI ENZIM UNTUK SINTESA PIGMEN MERAH SINTESA PIGMEN MERAH BUNGA BERWARNA MERAH INDUK KETURUNAN REPLIKASI DNA GAMET FERTILISASI REPLIKASI DNA TRANSKRIPSI DNA OLEH mRNA TRANSKRIPSI DNA OLEH mRNA TRANSLASI TRIPLET KODON OLEH tRNA di ribosom PROTEIN ENZIM HORMON PIGMEN DLL TRANSLASI TRIPLET KODON OLEH tRNA di ribosom PROTEIN PEWARISAN KARAKTER ENZI M HORMON PIGMEN DLL INDUK REPLIKASI DNA GAMET FERTILISASI DG KARAKTER YG BERBEDA TRANSKRIPSI DNA OLEH mRNA TRANSLASI TRIPLET KODON OLEH tRNA di ribosom KETURUNAN REKAYASA : •PERSILANGAN •MUTASI PROTEIN •POLIPLOIDI •FUSI PROTOPLAS ENZIM •TRANSFER GEN HORMON PIGMEN DLL PERUBAHAN KARAKTER Perkawinan Antarspesies dalam Pemuliaan Tanaman Wheat Rye X Triticale Spesies baru, tetapi BUKAN bioteknologi modern Mutagenesis: Sifat baru, tanpa gene asing Mutagenesis mengubah urutan DNA suatu gen Dapat diperoleh sifat baru yang menguntungkan Perlakuan mutagenesis Gen yang diarah ATTCGA Gen baru ATTGGA Traditional plant breeding DNA is a strand of genes, much like a strand of pearls. Traditional plant breeding combines many genes at once. Traditional donor Commercial variety New variety (many genes are transferred) X = (crosses) Desired Gene Desired gene Plant biotechnology Using plant biotechnology, a single gene may be added to the strand. Desired gene Commercial variety New variety (only desired gene is transferred) = (transfers) Desired gene What is plant biotechnology? Plant Cloning http://www.webschoolsolutions.com/biotech/transgen.htm The first GM food was the FLAVR SAVR tomato Introduced in 1994 it had delayed ripening characteristics http://resources.emb.gov.hk/envir-ed/globalissue/images/ModifiedTomato.jpg Generasi Organisme Tansgenik Berikutnya di bidang Pertanian Golden Rice Kandungan vitamin A meningkat Gen berasal dari bakteri Kekurangan: produksi vitamin A kurang banyak Bunga matahari Tahan jamur putih Gen ketahanan berasal dari gandum ENZIM DAN PERANANNYA DALAM BIOTEKNOLOGI Enzim protein yang bertindak sebagai biokatalisator Biokatalisator Mengatur kecepatan reaksi dalam sel Sel sebagai mesin kimia Bahan Proses Pengaturan kecepatan reaksi : * bioatalisator * suhu Produk Struktur Molekul Enzim Apoenzim (Protein) + Bagian bukan protein : koenzim, gugus prostetik, kofaktor = Holoenzim (enzim aktif) •Pada molekul apoenzim terdapat tapak aktif •Koenzim : molekul senyawa organik, pada umumnya vitamin •Kofaktor : ion-ion logam (Mg2+, Zn2+, Fe2+) •Gugus Prostetik : molekul organik yang terikat pemanen pada apoenzim Catalytic site • = active site • Tempat pengikatan substrat atau proses katalisis berlangsung • Terbentuk ok struktur tersier • Dua gugus: – Gugus pengikat – Gugus reaktif • Memiliki struktur 3 dimensi, umumnya berbentuk celah Koenzim • Ikatan enzim-koenzim – Kovalen : koenzim = ggugus prostetik. Contoh: Biositin pada enzim asetil-KoA karboksilase – Nonkovalen: koenzim = kosubstrat • Contoh: – – – – – TPP (tiamin pirofofat = vitamin B1) FAD (flavin adenin dinukleotida = vitamin B2) NAD (nikotinamid adenin dinukleotida) Biositin (pembawa gugus CO2) Koenzim A (pembawa gugus asil R-COO-). Kofaktor • Senyawa lain bukan protein yang diperlukan oleh enzim agar dapat melaksanakan fungsi katalitiknya • Klasifikasi : – Logam = kofaktor logam – Senyawa organik non protein = Koenzim • Komplek enzim-koenzim = Holoenzim • Jika Koenzim lepas, enzim jadi inaktif = Apoenzim Lokasi Enzim • Lokasi berhubungan dengan fungsi : pada sel/organel sel dimana proses katalitik berlangsung • Contoh: – Enzim ribosom: berperan pada sintesis protein – Enzim mitokondrial: berperan pada pengadaan energi atau reaksi-reaksi oksidasi Cara Kerja Enzim • Mengatur kecepatan reaksi dengan menurunkan • • • energi aktivasi Pada akhir reaksi didapat kembali dalam bentuk semula. Bekerja dalam jumlah sedikit Berikatan dengan substrat dan memfasilitasi reaksi pada substrat Substrat + Enzim Komplek Enzim -Substrat Proses Katalisis Contoh : Fumarase Fumarat ----------- Malat Laktat dehidrogenase Piruvat --------------------------------- Laktat Produk + Enzim Spesifisitas Enzim • Absolut: hanya dapat bereaksi dengan satu substrat. – Contoh: glukokinase • Relatif: dapat bereaksi dengan beberapa senyawa yang sejenis – Contoh: heksokinase Kesesuaian Bentuk Enzim-Substrat • Fisher = lock and key theory: kesesuaian bentuk telah ada sebelumnya • Koshland = induced fit theory: kesesuaian bentuk awalnya belum ada. Pengikatan substrat menyebabkan perubahan konformasi enzim Katalisator • Organik – Spesifik – Tak tahan panas – Menurunkan Ea:lebih besar – Contoh: enzim • Inorganik – – – – Non spesifik Tahan panas Menurunkan Ea Contoh: logam, OH-, H+ Pemanfaatan Enzim Sel mikroorganisme, tumbuhan, hewan Peningkatan aktivitas Contoh : - Malat dehidrogenase resisten genangan pd kedelai Pemanfaatan aktivitas enzim dalam sel mikroorganisme Contoh : Penggunaan mikroba dalam prosesing makanan, pupuk alami, penguraian polutan Isolasi Aplikasi Enzim-enzim Penting Secara Komersial Aplikasi Enzim MO sumber Hidrolisis pati dekstran α-amilase Bacillus licheniformis B. amiylolliquefaciens Hirolisis dekstran glukosa Glukoamilase Aspergillus niger Prosesing karbohidrat Pemurnian glukosa campuran Xylosa glukosa-fruktosa Bacillus coagulans, Streptomyces olivaceus Hidolisis protein Pemecahan protein dalam formulasi detergen Protease alkali Bacillus subtilis, Bacillus licheniformis Koagulasi susu dan penghambatan aroma keju Protease asam Aspergillus niger, Mucor pusillus Pektinase, βglukanase, selulase Aspergillus niger, Bacillus subtilis Hidrolisis pektin Prosesing jus dan wine Metabolisme “segala proses reaksi yang terjadi di dalam makhluk hidup mulai dari makhluk hidup bersel satu sampai yang paling kompleks (manusia) untuk mendapat, mengubah , dan memakai senyawa kimia di sekitar untuk mempertahankan kelangsungan hidup” FUNGSI METABOLISME • Transformasi bentuk energi (energi tersimpanenergi kimia siap guna) • Pembentukan biomolekul pembangun sel • Penguraian biomolekul membentuk senyawa sederhana sebagai prekursor senyawa kompleks lain Metabolisme • Dalam organisme terjadi banyak reaksi kimia • • yang teratur dan terkontrol Metabolisme dibagi menjadi anabolisme dan katabolisme Metabolisme perantara: • Menggabungkan semua reaksi pembentukan dan penyimpanan dan penggunaan energi untuk pembentukan molekul kecil dan molekul penyimpan energi • Metabolisme energi: • Bagian metabolisme perantara yang berisi jalur pembentukan dan penyipanan energi • Jalur pusat: • Jalur utama yang sama untuk hampir semua organisme (oksidasi) ANABOLISME Polimer : Protein, Asam Nukleat, Polisakarida, Lipid KATABOLISME Monomer : Asam amino, Nukleotida, Monosakarida, Asam lemak, Gliserol Metabolit intermediet : Piruvat, Asetil CoA, Intermediat siklusTCA Energ i Energ i Molekul sederhana : H2O, CO2, NH3 Perbedaan jalur biosintesis & degradasi • Merupakan kebalikan satu sama lain • Menggunakan intermediet atau reaksi yang sama • Terjadi ditempat berbeda: – Oksidasi asam lemak di mitokondria – Sintesis asam lemak di sitoplasma • Pengendalian: mis level ATP Metabolisme • Hampir semua organisme menggunakan molekul • organik sebagi sumber energi dan biosintesis Autotrof • Mampu membuat molekul organik dari anorganik • Heterotrof • “Feeding on others” • Aerobik: organisme tergantung pada respirasi • Anaerob: mampu melakukan metabolisme energi tanpa adnaya oksigen Metabolisme Perantara Peranan Glikolisis Dalam Menghasilkan Metabolit sekunder pati Heksosa posfat Dinding Sel Gliserol lemak, minyak fosfolipid Triosa posfat Serin sistein protein Asam Posfoenolpiruvat Senyawa fenol (tirosin, fenilalanin, antosianin, dll) Etanol Asam Piruvat Asam laktat Alanin Asam lemak, kutikula Isoprenoid (karotenoid, giberelin, terpen) Senyawa aromatik Asetil Co A Siklus Kreb’s PERTUMBUHAN DAN PERKEMBANGAN MAHLUK HIDUP ENERGI SEL BAHAN •UNSUR HARA •SENYAWA ORGANIK •AIR PRODUK PROSES METABOLISME •METABOLIT PRIMER •METABOLIT SEKUNDER SEL BAHAN •UNSUR HARA •SENYAWA ORGANIK PRODUK •METABOLIT PRIMER PROSES METABOLISME •METABOLIT SEKUNDER •AIR PEMANFAATAN MODIFIKASI PENGGUNAAN LANGSUNG PENINGKATAN KUANTITAS PENINGKATAN KUALITAS Pemanfaatan Sel dan Aktivitas Metabolisme • Penggunaan langsung (bioteknologi konvensional) : - Ekstraksi senyawa bahan alam (contoh alkaloid : opium, nikotin, quinin, minyak atsiri, dll) - Pemanfaatan mikroba indigenous untuk pembuatan kompos, fungi untuk pembuatan tempe dan tapai ALKALOID • Nicotin • • • • • • • Morfin Atropin Cafein Camelin / tein Teobromin Piperin Kinin • • • • • • • • Nicotiana tobacum Papaver somniferum Datura metel Cofea sp Camelia sp Teobroma cacao Piper ningrum Chincona alba Pemanfaatan Sel dan Aktivitas Metabolisme • Modifikasi - Manipulasi genetis mikroba untuk produksi senyawa bahan obat (antibiotik, insulin, dll) - Tanaman transgenik - Formulasi mikroba dekomposer dan mikroba parasit bagi hama - Kultur Jaringan More food • Bt corn – 3.5 billion pound yield increase and $125 million in additional income • Bt cotton – 185 million pound yield increase and $102 million in additional income • Biotech soybeans – $1 billion in additional income through production cost savings Source: National Center for Food and Agricultural Policy Benefits of biotechnology – More food Protoplast Fusion (Plant tissue culture) Plant Cloning http://www.webschoolsolutions.com/biotech/transgen.htm Micropropagation Seedlings, each from an individual cell Callus, undifferentiated mass of plant cells http://catf.bcresearch.com/biotechnology/tissueculture_research.htm Products in the pipeline Agronomic benefits • Oranges resistant to citrus canker • Disease-resistant sweet potatoes • Pest- and diseaseresistant cassava • Disease-resistant bananas Benefits of biotechnology – More food
