KRT-2011 2
What is Biochemistry ?
• Biokimia
kimia terapan yang
mempelajari proses2 biologis pada
taraf cellular dan molecular
• Ilmu ini muncul pada awal abad 20
ketika para ilmuwan menggabungkan
kimia, fisiologi dan biologi untuk
meneliti sistem kimia kehidupan
melalui:
– Studi struktur dan sifat molekul complex
yang ditemukan dalam material biologis
– Studi cara molekul2 ini berinteraksi untuk
membentuk sel, jaringan dan organisme
secara keseluruhan
Principles of Biochemistry
• Sel (unit struktur dasar dari organisme hidup)
sangat terorganisir dan sumber energi secara
rutin dibutuhkan untuk mempertahankan
keberadaannya
• Proses kehidupan mengandung beribu-ribu
chemical pathways (=jalur kimia). Pengaturan
yang tepat & terintegrasi dari chemical pathways
ini dibutuhkan untuk mempertahankan kehidupan)
• Jalur yang penting, misal: Glycolysis ditemukan
dalam semua organisme
• Semua organisme menggunakan tipe molekul
yang sama:
carbohydrates, proteins, lipids &
nucleic acids.
• Instruksi untuk pertumbuhan, reproduksi dan
perkembangan untuk setiap organisme di
KRT-2011 4
Cells
• Basic building blocks of life
• Unit kehidupan terkecil dari
suatu organisme
• Tumbuh, reproduksi
menggunakan energi, adaptasi,
respon terhadap lingkungannya
• Banyak yang tak terlihat
dengan mata telanjang
• Organisme bersel Satu atau
berjuta-juta sel yang menyusun
suatu organisme
Nucleoid region contains the DNA
KRT-2011 6
Characteristic Bio-membranes and Organelles
Mitochondrion
Surrounded by a double membrane with a series of folds
called cristae. Functions in energy production through metabolism. Contains its own DNA, and is believed to have originated as a
captured bacterium.
Plasma Membrane
A lipid/protein/carbohydrate complex, providing a barrier and containing transport and signaling systems.
Nucleus
Double membrane surrounding the chromosomes and the nucleolus. Pores allow specific communication with the cytoplasm. The
nucleolus is a site for synthesis of RNA making up the ribosome
Chloroplasts (plastids)
Surrounded by a double membrane, containing stacked thylakoid membranes. Responsible for photosynthesis, the trapping of light energy for the synthesis of sugars. Contains DNA, and like
mitochondria is believed to have originated as a captured bacterium.
.
Rough endoplasmic reticulum (RER)
A network of interconnected membranes forming channels within the cell. Covered with ribosomes (causing the "rough" appearance) which are in the process of synthesizing proteins for secretion or
localization in membranes.
Ribosomes
Protein and RNA complex responsible for protein synthesis
Smooth endoplasmic reticulum (SER)
A network of interconnected membranes forming channels within the cell. A site for synthesis and metabolism of lipids. Also contains enzymes for detoxifying chemicals including drugs and pesticides.
Golgi apparatus
A series of stacked membranes. Vesicles (small membrane surrounded bags) carry materials from the RER to the Golgi
apparatus. Vesicles move between the stacks while the proteins are "processed" to a mature form. Vesicles then carry newly formed membrane and secreted proteins to their final destinations including secretion or membrane localization.
KRT-2011 8
Vacuoles
Membrane surrounded "bags" that contain water and storage materials in plants.
Peroxisomes or Microbodies
Produce and degrade hydrogen peroxide, a toxic compound that can be produced during metabolism.
Cell wall
Plants have a rigid cell wall in addition to their cell membranes
Cytoplasm
enclosed by the plasma membrane, liquid portion called cytosol and it houses the membranous organelles.
Cytoskeleton
Arrays of protein filaments in the cytosol. Gives the cell its shape and provides basis for movement.
E.g. microtubules and microfilaments.
http://www.biology.arizona.edu copyright © 1997 - 2004..
KRT-2011 10
Biochemical Evolution
?
CH
4, H
2O, NH
3, HCN
How did organic complex molecules evolved from
more simple molecules?
How did organic complex molecules evolved
from more simple molecules?
• Urea disintesis melalui pemanasan senyawa anorganik
ammonium cyanate (1828)
• Hal ini menunjukkan bahwa senyawa yang banyak
ditemukan dalam organisme hidup adapat disintesis dari
substansi anorganik
KRT-2011 12
The Urey-Miller experiment (1950)
Some amino acids could be produced:
Many Important Biomolecules
are Polymers
• Biopolymers
- macromolecules terbentuk melalui
penggabungan beberapa molekul organik yang lebih kecil
(
monomers
)
• Condensation reactions
penggabungan beberapa
monomer (H
2O dihilangkan dalam proses ini)
KRT-2011 1616
Water
•Sekitar 60-90
percent dari organisme
berupa air
Air digunakan
dalam banyak
reaksi dalam
tubuh
Air disebut
pelarut universal
Bio-molecules
• Sel merupakan building blocks dari jaringan, demikian juga molecules merupakan building blocks dari sel
• Sel hewan dan tanaman mengandung sekitar 10, 000 macam molecules (bio-molecules)
• Air menyusun 50-95% dari berat cells • Ion seperti Na+, K+ dan Ca+ sekitar 1%
• Hampir semua jenis dari bio-molecules adalah organic (C, H, N, O, P, S)
• Umumnya berbagai molecules mengandung C.
• Kebanyakan bio-molecules merupakan turunan dari hydrocarbons. • Sifat kimia dari organic bio-molecules ditentukan oleh functional
KRT-2011 1818
Biomolecules – Structure
•
Building block
• Simple sugar
• Amino acid
• Nucleotide
• Fatty acid
•
Macromolecule
• Polysaccharide
• Protein (peptide)
• RNA or DNA
• Lipid
Anabolic
Catabolic
Linking Monomers
Cells link monomers by a process
called dehydration synthesis
(removing a molecule of water)
This process joins two sugar monomers
Remove H
Remove OH
KRT-2011 2020
Breaking Down Polymers
• Cells memecah
macromolecules
melalui suatu
proses yang
disebut hydrolysis
(penambahan satu
molekul air)
Sugars
• Carbohydrates merupakan molekul organik yang ditemukan berlimpah di alam
• Awalnya disintesis dalam tanaman dari serangkaian reaksi complex yang melibatkan photosynthesis.
• Basic unit –nya adalah monosaccharides.
• Monosaccharides dapat membentuk molecules molekul yang lebih besar, misal: glycogen, plant starch or cellulose.
Fungsi:
• Penyimpanan energi dalam bentuk starch (photosynthesis in plants) or glycogen (in animals and humans).
• Penyediaan energy melalui metabolism pathways and cycles. • Supply carbon untuk sintesis senyawa lain
KRT-2011 2222
Monosaccharides -Polysaccharides
Glycosidic bonds connecting glucose residues are in red
Fatty acids - Lipids
• Merupakan monocarboxylic acid yang mengandung sejumlah atom C • Dua type: saturated (C-C sb) and unsaturated (C-C db)
• Fatty acids merupakan komponen dari beberapa lipid molecules. • E,g. of lipids are triacylglycerol, steriods (cholestrol, sex
hormones), fat soluble vitamins. Fungsi:
• Energi cadangan dalam bentuk fat • Membrane structures
• Insulation (thermal blanket)
KRT-2011 2424
Structure of a biological membrane
• A lipid bilayer with associated proteins
Nucleic Acids
•Store hereditary information
Mengandung informasi untuk membuat semua
protein tubuh
KRT-2011 26
Amino acids - Proteins:
• Amino acids:
• Building blocks dari protein.• R Group (side chains) menentukan sifat-sifat kimia dari masing-masing amino
acids.
• Juga menentukan bagaimana protein folds dan fungsi biologisnya
• Berfungsi sebagai transport proteins, structural proteins, enzymes,
antibodies, cell receptors.
Proteins as Enzymes
• Banyak protein yang berperan sebagai biological
catalysts or enzymes
Ada ribuan enzim yang berbeda dalam tubuh
Enzymes mengendalikan
rate of chemical reactions
dengan cara melemahkan ikatan, sehingga
lowering
the amount of activation energy
yang diperlukan
untuk reaksi Catalysator
-> No not interfere with the equilibrium of reaction
KRT-2011 2828
Enzymes:
• Active site - a cleft or groove in an enzyme that binds the substrates of a reaction
Egg white lysozyme
The nature and arrangement of amino acids in the active site make it specific for only one type of substrate. (accepts just one enaniomer)
KRT-2011 3030
Concepts of Life
Kehidupan dicirikan oleh:
•
Biological diversity
: lichen, microbes,
jellyfish, sequoias, hummingbirds, manta
rays, gila monsters, & you
•
Chemical unity
: living systems (on earth)
obey the rules of physical and organic
chemistry – there are no
new
principles
KRT-2011 3232
Life needs 3 things
:
(1)
ENERGY
,
yang harus
diketahui bagaimana:
Extract
• Transform
• Utilize
The Energetics of Life
• Photosynthetic organisms
menangkap energi cahaya
matahari dan
menggunakannya untuk
mensintesis senyawa
organik
• Senyawa organik
menyediakan energi untuk
semua organisme
KRT-2011 34
Using toxic O
2
to generate energy
2 H
2O O
2+ 4e
-+ 4H
+(photosynthesis)
Glucose + 6O
2
6CO
2+ 6H
2O + Energy
Glycolysis: the preferred way for the
KRT-2011 3636
Life needs (2)
SIMPLE MOLECULES
,
yang harus diketahui bagaimana:
•
Convert
• Polymerize
• Degrade
Life needs (3)
CHEMICAL
MECHANISMS
, to:
•
Memanfaatkan energy
• Mengendalikan serangkaian reaksi kimia
• Mensisntesis & mendegradasi macromolecules
• Mempertahankan suatu keadaan yang
terus-menerus dinamis
• Self-assemble complex structures
• Replicate secara akurat dan efisien
KRT-2011 3838
Trick #1: Life uses chemical coupling to
drive otherwise unfavorable reactions
Trick #2: Life uses enzymes to speed up
otherwise slow reactions
KRT-2011 4040
How does an enzyme do it,
thermodynamically?
How does an enzyme do it,
mechanistically?
KRT-2011 42
Chemical reaction types encountered in
biochemical processes
1. Nucleophilic Substitution
• Satu atom dari group disubstitusi untuk yang lain 2. Elimination Reactions
• Double bond terbentuk ketika atom dalam satu molecule dihilangkan 3. Addition Reactions:
• Dua molecules bergabung untuk membetuk satu produk tunggal A. Hydration Reactions
• Air ditambahkan pada alkene alcohol (common addition pathway)
4. Isomerization Reactions.
• Melibatkan intramolecular shift dari atoms atau
groups
5. Oxidation-Reduction (redox) Reactions
• Terjadi bila ada transfer e- dari donor ke electron
acceptor
6. Hydrolysis reactions
KRT-2011 44
44
Summary of Key Concepts
Biochemical Reactions
• Metabolism: total sum of the chemical reaction happening in a living organism (highly coordinated and purposeful activity)
a. Anabolism- energy requiring biosynthetic pathways
b. Catabolism- degradation of fuel molecules and the production of energy for cellular function
• Semua reaksi dikatalisis oleh enzymes
• Fungsi utama dari metabolisme adalah:
a. Perolehan dan pemanfaatan energy
b. Synthesis of molecules diperlukan untuk struktur dan fungsi sel (spt: protein, nucleic acid, lipid dan CHO)
KRT-2011 46