BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Peradaban manusia semakin lama semakin berkembang. Dengan berkembangnya
pemikiran manusia maka manusia berusaha bagaimana caranya agar apa yang saat ini kita
inginkan terbatas untuk diperbaharui kedepannya. Nah, dari pemikiran inilah manusia mulai
melakukan eksperimen tentang hal-hal yang mereka inginkan termasuk dalam hal
bioteknologi. Dahulu, sebelum ditemukannya sintesis insulin (hasil bioteknologi teknik
plasmid) bagi mereka yang terkena penyakit kencing manis (diabetes militus) pupus harapan
untuk hidupnya. Namun dengan ditemukannya teknik plasmid untuk memperoleh insulin
yang berfungsi untuk mengatur gula darah pada manusia, mereka yang terkena penyakit
diabetes tetap punya harapan hidup meskipun harus memanfaatkan insulin buatan secara
rutin.
Sebelum ditemukan teknik sintesis insulin, hormon ini hanya bisa diperoleh dari
ekstraksi pankreas babi atau sapi, dan sangat sedikit insulin bisa diperoleh. Setelah ditemukan
teknik sintesis insulin di bidang bioteknologi inilah, harga insulin bisa ditekan dengan sangat
drastis sehingga bisa membantu para penderita diabetes melitus.
Sintesis insulin dapat diperoleh dengan bantuan bakteri yang biasa terdapat di usus
besar, yaitu Escherichia coli. Teknologi dasar proses ini disebut dengan teknologi plasmid.
Kekurangan insulin disebabkan karena cacat genetik pada pankreas, menyebabkan seseorang
menderita diabetes melitus (kencing manis) yang berdampak sangat luas terhadap kesehatan,
mulai kebutaan hingga impotensi. Insulin sendiri merupakan hormon yang mengubah
glukosa menjadi glikogen, dan berfungsi mengatur kadar gula darah bersama hormone
glukagon.
1.2
Rumusan Masalah
1.
Bagaimana sejarah dan pengertian dari insulin?
2.
Apa fungsi insulin?
3.
Bagaimana pembuatan insulin manusia oleh bakteri?
1.3 Tujuan
Adapun tujuan dari pembuatan makalah ini antara lain adalah :
1.
Untuk mengetahui sejarah dan pengertian dari insulin tersebut.
2.
Untuk mengetahui fungsi dari insulin tersebut.
3.
Untuk mengetahui pembuatan insulin manusia oleh bakteri.
Adapun manfaat dari pembuatan karya tulis ini adalah sebagai suatu media informasi bagi
siswa untuk mengetahui sejarah, pengertian, dan fungsi insulin, serta pembuatan insulin
manusia oleh bakteri.
BAB II
PEMBAHASAN
2.1 Sejarah dan Pengertian Insulin
2.1.1 Sejarah Insulin
Sejak insulin ditemukan pada tahun 1921, telah menjadi salah satu yang paling menyeluruh dipelajari molekul dalam sejarah ilmu pengetahuan.
Diabetes telah diakui sebagai kondisi medis yang berbeda untuk setidaknya 3.500 tahun, tapi penyebabnya adalah misteri sampai awal abad ini. Pada awal 1920-an, peneliti diduga kuat bahwa diabetes disebabkan oleh kerusakan dalam sistem pencernaan yang berhubungan dengan kelenjar pankreas, organ kecil yang duduk di atas hati.
Pada saat itu, satu-satunya cara untuk diabetes "kontrol" adalah melalui diet rendah karbohidrat dan gula, dan tinggi lemak dan protein. Alih-alih mati tak lama setelah diagnosis, diet ini memungkinkan penderita diabetes untuk hidup -tapi hanya selama sekitar satu tahun.
Persis apa yang salah, atau hilang, dalam metabolisme jalur gula penderita diabetes tidak diketahui sampai sekelompok peneliti Kanada dimurnikan insulin pada tahun 1921 dan membuktikan bahwa diabetes merupakan penyakit kekurangan insulin.
Seperti kebanyakan penemuan ilmiah utama, dasar bagi penemuan insulin, telah diletakkan oleh beberapa orang lain sebelum peneliti Kanada terisolasi. Pada tahun 1889, dua peneliti Eropa, Minkowski dan von Mering, menemukan bahwa ketika kelenjar pankreas telah dihapus dari anjing, mereka mengembangkan semua gejala diabetes dan meninggal segera setelah itu. Minkowski dan von Mering mengusulkan bahwa pankreas sangat penting untuk metabolisme gula.
Kemudian peneliti mempersempit pencarian ke pulau Langerhans-kelompok sel khusus dalam pankreas. Pada tahun 1910, Sharpey-Shafer dari Edinburgh menyarankan kimia tunggal hilang dari pankreas pada orang diabetes. Ia mengusulkan memanggil kimia ini "insulin," dan kemudian peneliti Kanada berhasil membawanya atas saran.
Terobosan terbesar datang pada tahun 1921 ketika Frederick Banting dan Charles Best melakukan serangkaian percobaan satu musim panas di laboratorium JJ R. Macleod di Universitas Toronto. Seperti Minkowski dan von Mering, mereka menunjukkan bahwa menghapus pankreas dari anjing membuat mereka diabetes.
Kemudian mereka pergi langkah lebih lanjut dan susah payah mengambil cairan dari Islets anjing sehat 'Langerhans, disuntikkan ke anjing diabetes dan dikembalikan ke normal - selama mereka memiliki extract.With bantuan rekan ahli biokimia bernama JB Collip, mereka kemudian mampu mengekstrak formula cukup murni insulin dari pankreas sapi dari rumah pemotongan hewan.
Pada bulan Januari 1922, seorang remaja diabetes di rumah sakit Toronto bernama Leonard Thompson menjadi orang pertama yang menerima suntikan insulin. Dia meningkat secara dramatis, dan berita tentang insulin menyebar ke seluruh dunia seperti api. Untuk pekerjaan mereka, Banting dan Macleod menerima Hadiah Nobel dalam Kedokteran pada tahun berikutnya, pada tahun 1923. Banting berbagi bagiannya dari hadiah uang dengan Best, dan Macleod berbagi dengan Collip.
The University of Toronto segera memberi perusahaan farmasi lisensi untuk memproduksi insulin bebas royalti. Pada awal 1923, sekitar satu tahun setelah injeksi tes pertama, insulin menjadi tersedia secara luas, dan menyelamatkan hidup orang banyak.
Insulin adalah salah satu protein pertama yang mengkristal dalam bentuk murni, pada tahun 1926. Bentuk kristal memungkinkan peneliti untuk mempelajari struktur dengan teknik yang disebut x-ray kristalografi dan perkiraan bentuk tiga dimensi. Mengetahui bentuk molekul membantu memahami cara kerjanya dalam tubuh dan sejak itu para ilmuwan telah mencoba untuk memilah-milah bagaimana insulin bertindak dan apa molekul lain mungkin berinteraksi dengan.
Pada tahun 1955, insulin menjadi protein pertama yang sepenuhnya diurutkan. Pekerjaan yang menghasilkan Hadiah Nobel 1959 untuk Frederick Sanger. Melalui kerja Sanger kita sekarang tahu bahwa semua protein manusia memiliki urutan yang unik dari salah satu atau semua dari 20 jenis asam amino. Asam-asam amino dirangkai menjadi rantai yang disebut peptida, agak seperti huruf menggabungkan ke dalam kata-kata panjang.
Setelah urutan protein yang dikenal, adalah mungkin, dalam teori, untuk menciptakan itu sintetis. Bahkan, insulin adalah protein pertama yang secara kimia disintesis di laboratorium, pada tahun 1963. Namun para peneliti tidak dapat menghasilkan banyak. Selama 60 tahun setelah kelompok insulin terisolasi Banting, penderita diabetes mengandalkan hormon dimurnikan dari hewan, terutama sapi dan babi. Hewan insulin bekerja dengan baik secara keseluruhan, namun tidak sama persis dengan hormon manusia dan kadang-kadang menyebabkan reaksi yang merugikan, misalnya, ruam kulit. Pada tahun 1978 insulin menjadi protein manusia pertama yang diproduksi melalui bioteknologi. Sebuah tim peneliti dari City of Hope National Medical Center dan perusahaan bioteknologi Genentech masih muda berhasil mensintesis insulin manusia di laboratorium menggunakan proses yang bisa menghasilkan jumlah besar.
Tim dimasukkan gen untuk insulin manusia ke dalam DNA bakteri, dan menggunakan bakteri sebagai miniatur pabrik untuk membuat rantai A dan B protein secara terpisah. Pada tahap kedua, proses kimia menggabungkannya. Hasilnya adalah insulin manusia, tanpa masalah insulin hewan kadang-kadang menyebabkan. Humulin, sebagai produk komersial disebut, merevolusi pengobatan diabetes ketika menjadi tersedia secara luas pada awal tahun 1980. Hari ini, hampir semua orang diabetes menggunakan insulin rekombinan manusia bukan hewan insulin.
Para peneliti diabetes awal tidak tahu betapa beruntungnya mereka. Ternyata urutan asam amino insulin hampir persis sama pada spesies hewan yang berbeda, sehingga insulin dari sapi dan babi juga bekerja pada manusia. Struktur dasar insulin dua rantai peptida dengan tiga jembatan disulfida -dikonservasi dalam semua hampir 100 spesies yang berbeda diselidiki sejauh ini.
Melihat enzim secara lebih rinci, urutan babi (babi) insulin dan insulin manusia hampir identik, tetapi tidak benar - itu berbeda dengan satu asam amino. Bovine (sapi) insulin yang berbeda dengan tiga asam amino dari manusia. Inilah sebabnya mengapa orang mampu menggunakan insulin dari sapi di tahun 1920, meskipun mereka tidak tahu pada saat itu.
Pada tahun 1996 Food and Drug Administration telah menyetujui insulin manusia diubah disebut Humalog, yang khusus dikembangkan untuk menjadi aktif sangat cepat setelah injeksi.
Apa yang berikutnya untuk insulin? Para ilmuwan tidak yakin, tapi satu hal yang pasti: Beyond nilai terkenal untuk penderita diabetes, insulin juga telah berada di garis depan ilmu pengetahuan selama lebih dari 60 tahun.
2.1.2 Pengertian Insulin
Sebagian besar karbohidrat dalam makanan akan diubah dalam waktu beberapa jam ke dalam bentuk gula monosakarida yang merupakan karbohidrat utama yang ditemukan dalam darah dan digunakan oleh tubuh sebagai bahan bakar. Insulin dilepaskan ke dalam darah oleh sel beta (β-sel) yang berada di pankreas, sebagai respons atas kenaikan tingkat gula darah, biasanya setelah makan. Insulin digunakan oleh sekitar dua pertiga dari sel-sel tubuh yang menyerap glukosa dari darah untuk digunakan sel-sel sebagai bahan bakar, untuk konversi ke molekul lain yang diperlukan, atau untuk penyimpanan.
Insulin juga merupakan sinyal kontrol utama untuk konversi dari glukosa ke glycogen untuk penyimpanan internal dalam hati dan sel otot.
Tingkatan insulin yang lebih tinggi menaikkan anabolic (rangkaian jalur metabolisme untuk membangun molekul dari unit yang lebih kecil), seperti proses pertumbuhan sel dan duplikasi, sintesa protein, lemak dan penyimpanan. Insulin adalah sinyal utama dalam mengkonversi banyak bidirectional proses metabolisme dari catabolic (rangkaian jalur metabolisme untuk membongkar molekul-molekul ke dalam bentuk unit yang lebih kecil dan melepaskan energi) ke anabolic, dan sebaliknya. Secara khusus, tingkatan insulin yang lebih rendah berguna sebagai pemicu masuk keluarnya ketosis (fase metabolik pembakaran lemak).
Jika jumlah insulin yang tersedia tidak cukup, jika sel buruk untuk merespon efek dari insulin (kekurangpekaan atau perlawanan terhadap insulin), atau jika insulin cacat/defective, maka gula tidak akan diserap dengan baik oleh orang-orang sel-sel tubuh yang memerlukannya dan tidak akan disimpan dengan baik di hati dan otot. Efek selanjutnya adalah tingkat gula darah yang tetap tinggi , miskin sintesis protein, dan lainnya kekacauan metabolisme lainnya, seperti acidosis yaitu meningkatnya keasaman (konsentrasi ion hidrogen) dalam darah.
2.2 Fungsi Insulin
Insulin berperan dalam penggunaan glukosa oleh sel tubuh untuk pembentukan energi. Apabila tidak ada insulin maka sel tidak dapat menggunakan glukosa sehingga proses metabolisme menjadi terganggu.
Proses yang terjadi yaitu karbohidrat dimetabolisme oleh tubuh untuk menghasilkan glukosa, glukosa tersebut selanjutnya diabsorbsi di saluran pencernaan menuju ke aliran darah untuk dioksidasi di otot skelet sehingga menghasilkan energi.
Insulin termasuk hormon polipeptida yang awalnya diekstraksi dari pankreas babi maupun sapi, tetapi kini telah dapat disintesis dengan teknologi rekombinan DNA menggunakan E.coli. Susunan asam amino insulin manusia berbeda dengan susunan insulin hewani. Insulin rekombinan dibuat sesuai dengan susunan insulin manusia sehingga disebut sebagai human insulin.
Insulin diproduksi oleh sel beta di dalam pankreas dan digunakan untuk mengontrol kadar glukosa dalam darah. Sekresi insulin terdiri dari 2 komponen. Komponen pertama yaitu: sekresi insulin basal kira-kira 1 unit/jam dan terjadi diantara waktu makan, waktu malam hari dan keadaan puasa. Komponen kedua yaitu: sekresi insulin prandial yang menghasilkan kadar insulin 5-10 kali lebih besar dari kadar insulin basal dan diproduksi secara pulsatif dalam waktu 0,5-1 jam sesudah makan dan mencapai puncak dalam 30-45 menit, kemudian menurun dengan cepat mengikuti penurunan kadar glukosa basal. Kemampuan sekresi insulin prandial berkaitan erat dengan kemampuan ambilan glukosa oleh jaringan perifer.
Fungsi insulin:
Membantu pembakaran dan penyerapan glukosa oleh sel badan
Mengimbangkan paras glukosa didalam darah dan mencegah kencing manis.
Membantu sel menyimpan tenaga dalam bentuk glukosa didalam hati
Membantu proses penyimpanan glukosa berlebihan dalam bentuk lemak didalam hati.
Insulin sampai saat ini dikelompokkan menjadi beberapa jenis antara lain:
1. Kerja cepat (rapid acting)
Contoh: Actrapid, Humulin R,Reguler Insulin (Crystal Zinc Insulin) Bentuknya larutan jernih, efek puncak 2-4 jam setelah penyuntikan, durasi kerja sampai 6 jam. Merupakan satu-satunya insulin yang dapat dipergunakan secara intra vena. Bisa dicampur dengan insulin kerja menengah atau insulin kerja panjang.
2. Kerja menengah (intermediate acting)
Contoh: Insulatard, Monotard, Humulin N, NPH, Insulin Lente Dengan menambah protamin (NPH / Neutral Protamin Hagedom) atau zinc (pada insulin lente), maka bentuknya menjadi suspensi yang akan memperlambat absorpsi sehingga efek menjadi lebih panjang. Bentuk NPH tidak imunogenik karena protamin bukanlah protein.
3. Kerja panjang (long acting)
Cara pemberian insulin ada beberapa macam: a) intra vena: bekerja sangat cepat yakni dalam 2-5 menit akan terjadi penurunan glukosa darah, b) intramuskuler: penyerapannya lebih cepat 2 kali lipat daripada subkutan, c) subkutan: penyerapanya tergantung lokasi penyuntikan, pemijatan, kedalaman, konsentrasi. Lokasi abdomen lebih cepat dari paha maupun lengan. Jenis insulin human lebih cepat dari insulin animal, insulin analog lebih cepat dari insulin human.
Insulin diberikan subkutan dengan tujuan mempertahankan kadar gula darah dalam batas normal sepanjang hari yakni 80-120 mg% saat puasa dan 80-160 mg% setelah makan. Untuk pasien usia diatas 60 tahun batas ini lebih tinggi yaitu puasa kurang dari 150 mg% dan kurang dari 200 mg% setelah makan. Karena kadar gula darah memang naik turun sepanjang hari, maka sesekali kadar ini mungkin lebih dari 180 mg% (10 mmol/liter), tetapi kadar lembah (through) dalam sehari harus diusahakan tidak lebih rendah dari 70 mg% (4 mmol/liter). Insulin sebaiknya disuntikkan di tempat yang berbeda, tetapi paling baik dibawah kulit perut.
Dosis dan frekuensi penyuntikan ditentukan berdasarkan kebutuhan setiap pasien akan insulin. Untuk tujuan pengobatan, dosis insulin dinyatakan dalam unit (U). Setiap unit merupakan jumlah yang diperlukan untuk menurunkan kadar gula darah kelinci sebanyak 45 mg% dalam bioassay. Sediaan homogen human insulin mengandung 25-30 IU/mg.(netdoctor.co.uk/bun)
2.3 Pembuatan Insulin Manusia Oleh Bakteri
Pembuatan insulin secara komersial sangat bermanfaat dalam pengobatan penyakit diabetes melitus yang disebabkan oleh gangguan produksi insulin. Proses pembuatan insulin ini memanfaatkan teknik DNA rekombinan. Berikut tahapan dalam proses pembuatan tersebut:
1. Pengisolasian Vektor (plasmid E.coli) dan DNA Pengkode Insulin.
Kode genetik insulin terdapat dalam DNA di bagian atas lengan pendek dari kromosom ke-11 yang berisi 153 basa nitrogen (63 dalam rantai A dan 90 dalam rantai B). DNA pengkode insulin dapat diisolasi dari gen manusia yang ditumbuhkan dalam kultur di laboratorium. Selain itu, dapat pula disintesis rantai DNA yang membawa sekuens nukleotida spesifik yang sesuai karakteristik rantai polipeptida A dan B dari insulin. Urutan DNA yang diperlukan dapat ditentukan karena komposisi asam amino dari kedua rantai telah dipetakan. Enam puluh tiga nukleotida yang diperlukan untuk mensintesis rantai A dan sembilan puluh untuk rantai B, ditambah kodon pada akhir setiap rantai yang menandakan pengakhiran sintesis protein.
Vektor yang digunakan adalah plasmid E.coli yang mengandung amp-R sehingga sel inang akan resistan terhadap amphisilin serta mengandung lac-Z yang menghasilkan β-galactosidase sehingga dapat menghidrolisis laktosa.
Masing-masing DNA insulin dan plasmid E.Coli dipotong dengan enzim restriksi yang sama. Kemudian DNA insulin A dan B secara terpisah diselipkan ke dalam plasmid berbeda dengan menggunakan enzim ligase.
3. Pemasukan Plasmid Rekombinan ke dalam Sel E.Coli
Plasmid yang telah diselipkan DNA insulin (plasmid rekombinan) dicampurkan dalam kultur bakteri E.Coli. Bakteri-bakteri tersebut akan mengambil plasmid rekombinan melalui proses transformasi. Akan tetapi, tidak semua bakteri mengambil plasmid tersebut.
4. Pengklonan Sel yang Mengandung Plasmid Rekombinan
Sel yang mengandung plasmid rekombinan dapat diseleksi dari sel yang tidak mengandung plasmid rekombinan. Medium nutrien bakteri yang digunakan mengandung amphisilin dan X-gal. Sebagaimana telah disebutkan sebelumnya, plasmid yang digunakan sebagai vektor ini mengandung amp-R dan lac-Z sehingga sel bakteri yang mengandung plasmid rekombinan akan tumbuh dalam medium tersebut karena resisten terhadap amphisilin serta akan berwarna putih karena plasmid yang mengandung gen asing (gen insulin manusia) dalam gen lac-Z tidak dapat memproduksi β-galactosidase sehingga tidak dapat menghidrolisis laktosa.
Proses ini dilakukan melalui hibridisasi asam nukleat. Pada proses ini, disintesis probe asam nukleat yang mengandung komplementer dari gen insulin, probe dilengkapi dengan isotop radioaktif atau fluorosen.
6. Pomproduksian dalam Sekala Besar
Klon sel yang telah diidentifikasi diproduksi dalam skala besar dengan cara ditumbuhkan dalam tangki yang mengandung medium cair. Gen insulin diekspresikan bersama dengan sel bakteri yang mengalami mitosis. Rantai insulin A dan rantai B yang dihasilkan kemudian dicampurkan dan dihubungkan dalam reaksi yang membentuk jembatan silang disulfida.
Pada saat ini, peneliti mulai menggunakan vektor plasmid dari sel eukariotik yaitu ragi bersel tunggal karena ragi merupakan sel eukariotik yang memiliki plasmid, dapat tumbuh dengan cepat, serta hasil akhir proses pembuatan insulin dengan ragi akan menghasilkan molekul insulin yang lebih lengkap dengan struktur tiga dimensi yang sempurna sehingga lebih identik dengan insulin manusia.
Perbedaan susunan asam amino pada insulin manusia, babi (pork), dan sapi (beef)
Spesies
A8
A10
B28
B29
B30
Manusia
Thr
Ile
Pro
Lys
Thr
Babi
Thr
Ile
Pro
Lys
Ala
Sapi
Ala
Val
Pro
Lys
Ala
Insulin manusia dan insulin babi hanya beda 1 asam amino yaitu pada B30, sedangkan
insulin manusia dan insulin sapi beda 3 asam amino yaitu pada A8, A10, dan B30 sehingga
pemakaian insulin babi kurang imunogenik dibandingkan insulin sapi. Tapi masalahnya, 1
babi yang diekstraksi insulinnya hanya cukup untuk 1 orang selama 3 hari padahal saat ini
ada ± 60 juta orang di dunia yang menderita diabetes tergantung insulin dan diduga
meningkat 5-6 % per tahunnya. Maka dari itu sekarang banyak dikembangkan teknologi
rekombinan untuk mendapatkan insulin.
BAB III
PENUTUP
3.1 Kesimpulan
Dari pembahasan pada pembahasan diatas dapat disimpulkan hal-hal sebagai berikut.
1. Insulin ditemukan pada tahun 1921, dan telah menjadi salah satu yang paling menyeluruh dipelajari molekul dalam sejarah ilmu pengetahuan. 2. Insulin adalah hormon utama yang mengendalikan glukosa dari darah ke
dalam sebagian besar sel (terutama sel otot dan lemak, tetapi tidak pada sel sistem saraf pusat).
3. Fungsi insulin:
Membantu pembakaran dan penyerapan glukosa oleh sel badan
Mengimbangkan paras glukosa didalam darah dan mencegah kencing manis.
Membantu sel menyimpan tenaga dalam bentuk glukosa didalam hati
Membantu proses penyimpanan glukosa berlebihan dalam bentuk lemak didlm hati.
4. Tahapan dalam proses pembuatan Insulin, yaitu:
Pengisolasian Vektor (plasmid E.coli) dan DNA Pengkode Insulin.
Penyelipan DNA Insulin ke dalam Vektor (plasmid E.Coli)
Pemasukan Plasmid Rekombinan ke dalam Sel E.Coli
Pengklonan Sel yang Mengandung Plasmid Rekombinan
Identifikasi Klon Sel yang Membawa Gen Insulin
Pomproduksian dalam Sekala Besar
3.2 Saran
DAFTAR PUSTAKA
http://id.wikipedia.org/wiki/Insulin
http://www.artikelkesehatan.info/sejarah-diabetes/ https://prezi.com/vxqzsw0yeup0/insulin-rekombinan/ http://www.jevuska.com/2014/03/07/insulin/
http://www.sridianti.com/apa-pengertian-hormon-insulin.html
http://biologimediacentre.com/bioteknologi-5-membuat-insulin-dengan-bantuan-e-coli/
https://sites.google.com/site/emodulbiologi/materi/bab-iii---bioteknologi-dalam- bidang-kedokteran-dan-farmasi/3-4-rekayasa-genetika-untuk-produksi-hormon-insulin
