BAB I. PENDAHULUAN

Bab  pendahuluan  ini  berisi  pokok  bahasan  mengenai  ruang  lingkup  dan

perkembangan  Biologi  Molekuler

 serta  hubungannya  dengan  ilmu-ilmu  lain,  tinjauan

sekilas  tentang  sel  yang  meliputi  perbedaan  antara  prokariot  dan  eukariot,  diferensiasi

dan  organel  subseluler  pada  eukariot.  Selain  itu,  sekilas  juga  dibahas  tiga  di  antara

makromolekul hayati, yaitu polisakarida, lemak, dan protein. Setelah mempelajari pokok

bahasan di dalam bab ini mahasiswa diharapkan mampu menjelaskan:

1.   ruang lingkup, perkembangan, dan hubungan Biologi Molekuler dengan disiplin ilmu

lainnya,

2.   ciri-ciri sel prokariot,

3.   ciri-ciri sel eukariot, 

4.   perbedaan antara sel prokariot dan eukariot,

5.   macam-macam organel subseluler pada sel eukariot, 

6.   struktur molekul polisakarida penting seperti amilum dan selulosa,

7.   struktur molekul lemak, 

8.   perbedaan antara lemak hewani dan lemak nabati,

9.   struktur molekul protein, dan

10. macam-macam asam amino penyusun protein

Agar dapat memahami pokok bahasan ini dengan lebih baik mahasiswa disarankan

untuk  mempelajari  kembali  klasifikasi  seluler  dan  makromolekul  hayati  seperti  yang

telah diberikan pada mata kuliah Biologi Sel dan Biokimia. Urutan bahasan di dalam bab

ini adalah ruang  lingkup, perkembangan, dan hubungan Biologi Molekuler  dengan ilmu

lain, tinjauan sekilas tentang sel, dan makromolekul hayati. 

Ruang Lingkup, Perkembangan, dan Hubungan dengan Ilmu Lain

Biologi  Molekuler  merupakan  cabang  ilmu  pengetahuan  yang  mempelajari

hubungan  antara  struktur  dan  fungsi  molekul-molekul  hayati  serta  kontribusi  hubungan

tersebut  terhadap  pelaksanaan dan  pengendalian berbagai proses biokimia.  Secara  lebih

ringkas  dapat  dikatakan  bahwa  Biologi  Molekuler  mempelajari  dasar-dasar  molekuler

setiap  fenomena  hayati.  Oleh  karena  itu,  materi  kajian  utama  di  dalam  ilmu  ini  adalah

2

makromolekul hayati, khususnya asam nukleat, serta proses pemeliharaan, transmisi, dan

ekspresi informasi hayati yang meliputi replikasi, transkripsi, dan translasi. 

Meskipun  sebagai  cabang  ilmu  pengetahuan  tergolong  relatif  masih  baru,  Biologi

Molekuler  telah  mengalami  perkembangan  yang  sangat  pesat  semenjak  tiga  dasawarsa

yang  lalu.  Perkembangan  ini  terjadi  ketika  berbagai  sistem  biologi,  khususnya

mekanisme alih informasi hayati, pada bakteri dan bakteriofag dapat diungkapkan. Begitu

pula,  berkembangnya  teknologi  DNA  rekombinan,  atau  dikenal  juga  sebagai  rekayasa

genetika,  pada  tahun  1970-an  telah  memberikan  kontribusi  yang  sangat  besar  bagi

perkembangan  Biologi  Molekuler.  Pada  kenyataannya  berbagai  teknik  eksperimental

baru yang terkait dengan manipulasi DNA memang menjadi landasan bagi perkembangan

ilmu ini.

Biologi  Molekuler  sebenarnya  merupakan  ilmu  multidisiplin  yang  melintasi

sejumlah  disiplin  ilmu  terutama  Biokimia,  Biologi  Sel,  dan  Genetika.  Akibatnya,

seringkali  terjadi  tumpang  tindih  di  antara  materi-materi  yang  dibahas  meskipun

seharusnya  ada  batas-batas  yang  memisahkannya.  Sebagai  contoh,  reaksi  metabolisme

yang diatur oleh pengaruh konsentrasi reaktan dan produk adalah materi kajian Biokimia.

Namun,  apabila  reaksi  ini  dikatalisis  oleh  sistem  enzim  yang  mengalami  perubahan

struktur,  maka  kajiannya  termasuk  dalam  lingkup  Biologi  Molekuler.  Demikian  juga,

struktur komponen intrasel dipelajari di dalam Biologi Sel, tetapi keterkaitannya dengan

struktur  dan  fungsi  molekul  kimia  di  dalam  sel  merupakan  cakupan  studi  Biologi

Molekuler.  Komponen  dan  proses  replikasi  DNA  dipelajari  di  dalam  Genetika,  tetapi

macam-macam  enzim  DNA  polimerase  beserta  fungsinya  masing-masing  dipelajari  di

dalam Biologi Molekuler.

Beberapa proses hayati  yang dibahas di dalam Biologi Molekuler bersifat sirkuler.

Untuk  mempelajari  replikasi  DNA,  misalnya,  kita  sebaiknya  perlu  memahami

mekanisme  pembelahan  sel.  Namun  sebaliknya,  alangkah  baiknya  apabila  pengetahuan

tentang  replikasi  DNA  telah  dikuasai  terlebih  dahulu  sebelum  kita  mempelajari

pembelahan sel. 

Tinjauan Sekilas tentang Sel

Oleh  karena  sebagian besar  makromolekul hayati  terdapat di dalam sel, maka  kita

perlu  melihat  kembali  sekilas  mengenai  sel,  terutama  dalam  kaitannya  sebagai  dasar

3

klasifikasi  organisme.  Berdasarkan  atas  struktur  selnya,  secara  garis  besar  organisme

dapat  dibagi  menjadi  dua  kelompok,  yaitu  prokariot  dan  eukariot.  Di  antara  kedua

kelompok  ini  terdapat  kelompok  peralihan  yang  dinamakan      Archaebacteria atau

Archaea. 

Prokariot

Prokariot merupakan bentuk sel organisme yang paling sederhana dengan diameter

dari  1 hingga 10 µm. Struktur selnya diselimuti oleh membran plasma (membran sel)

yang  tersusun  dari  lemak  lapis  ganda.  Di  sela-sela  lapisan  lemak  ini  terdapat  sejumlah

protein integral yang memungkinkan terjadinya lalu lintas molekul-molekul tertentu dari

dalam dan ke luar sel. Kebanyakan prokariot juga memiliki dinding sel yang kuat di luar

membran  plasma  untuk  melindungi  sel  dari  lisis,  terutama  ketika  sel  berada  di  dalam

lingkungan dengan osmolaritas rendah. 

Bagian  dalam  sel  secara  keseluruhan  dinamakan  sitoplasma  atau  sitosol.  Di

dalamya  terdapat  sebuah  kromosom  haploid  sirkuler  yang  dimampatkan  dalam  suatu

nukleoid  (nukleus  semu),  beberapa  ribosom  (tempat  berlangsungnya  sintesis  protein),

dan  molekul RNA. Kadang-kadang dapat  juga dijumpai adanya  plasmid (molekul  DNA

sirkuler  di  luar  kromosom).  Beberapa  di  antara  molekul  protein  yang  terlibat  dalam

berbagai  reaksi  metabolisme  sel  nampak  menempel pada  membran  plasma,  tetapi  tidak

ada  struktur organel  subseluler  yang  dengan  jelas  memisahkan berlangsungnya  masing-

masing proses metabolisme tersebut.

Permukaan  sel  prokariot  adakalanya  membawa  sejumlah  struktur  berupa  rambut-

rambut  pendek  yang  dinamakan   pili  dan  beberapa  struktur  rambut  panjang  yang

dinamakan  flagela.  Pili  memungkinkan  sel  untuk  menempel  pada  sel  atau  permukaan

lainnya, sedangkan flagela digunakan untuk berenang apabila sel berada di dalam media

cair.

Sebagian  besar  prokariot  bersifat  uniseluler  meskipun  ada  juga  beberapa  yang

mempunyai  bentuk  multiseluler  dengan  sel-sel  yang  melakukan  fungsi-fungsi  khusus.

Prokariot dapat dibagi menjadi dua subdivisi, yaitu  Eubacteria dan Archaebacteria atau

Archaea.  Namun,  di  atas  telah  disinggung  bahwa       Archaea  merupakan  kelompok

peralihan  antara  prokariot  dan  eukariot.  Dilihat  dari  struktur  selnya,  Archaea  termasuk

4

dalam  kelompok  prokariot,  tetapi  evolusi  molekul  rRNA-nya  memperlihatkan  bahwa

Archaea lebih mendekati eukariot. 

Perbedaan antara Eubacteria dan Archaea terutama terletak pada sifat biokimianya.

Misalnya,  Eubacteria  mempunyai  ikatan  ester  pada  lapisan  lemak  membran  plasma,

sedangkan pada Archaea ikatan tersebut berupa ikatan eter.

Salah  satu  contoh  Eubacteria  (bakteri),  Escherichia  coli,  mempunyai  ukuran

genom  (kandungan  DNA)  sebesar  4.600  kilobasa  (kb),  suatu  informasi  genetik  yang

mencukupi untuk sintesis sekitar 3.000 protein. Aspek biologi molekuler spesies bakteri

ini telah sangat banyak  dipelajari. Sementara  itu,  genom bakteri  yang paling  sederhana,

Mycoplasma genitalium, hanya terdiri atas 580 kb DNA, suatu jumlah yang hanya cukup 

untuk  menyandi  lebih  kurang  470  protein.  Dengan  protein  sesedikit  ini  spesies  bakteri

tersebut memiliki kemampuan metabolisme yang sangat terbatas. 

Kelompok Archaea  biasanya  menempati habitat ekstrim  seperti  suhu  dan salinitas

tinggi.  Salah  satu  contoh  Archaea,  Methanocococcus  jannaschii,  mempunyai  genom

sebesar  1.740  kb  yang  menyandi  1.738  protein.  Bagian  genom  yang  terlibat  dalam

produksi  energi  dan  metabolisme  cenderung  menyerupai  prokariot,  sedangkan  bagian

genom  yang  terlibat  dalam  replikasi,  transkripsi,  dan  translasi  cenderung  menyerupai

eukariot.

Gambar 1.1.  Diagram skematik sel prokariot

Eukariot

Secara taksonomi eukariot dikelompokkan menjadi empat kingdom, masing-masing

hewan (animalia), tumbuhan  (plantae), jamur (fungi), dan protista, yang terdiri atas

alga dan protozoa. Salah satu ciri sel eukariot adalah adanya organel-organel subseluler

dengan fungsi-fungsi metabolisme yang telah terspesialisasi. Tiap organel ini terbungkus

dalam  suatu  membran.  Sel  eukariot  pada  umumnya  lebih  besar  daripada  sel  prokariot.

Diameternya  berkisar  dari  10  hingga 100  µm.  Seperti  halnya  sel prokariot,  sel eukariot

5

diselimuti  oleh  membran  plasma.  Pada  tumbuhan  dan  kebanyakan  fungi  serta  protista

terdapat juga dinding sel yang kuat di sebelah luar membran plasma. Di dalam sitoplasma

sel  eukariot  selain  terdapat  organel  dan  ribosom,  juga  dijumpai  adanya  serabut-serabut

protein  yang  disebut    sitoskeleton.  Serabut-serabut  yang  terutama  berfungsi  untuk

mengatur  bentuk  dan  pergerakan  sel  ini  terdiri  atas  mikrotubul  (tersusun  dari  tubulin)

dan mikrofilamen (tersusun dari aktin). 

Gambar 1.2. Diagram skematik sel eukariot (hewan)

Sebagian  besar  organisme  eukariot  bersifat  multiseluler  dengan  kelompok-

kelompok sel yang mengalami diferensiasi selama perkembangan individu. Peristiwa ini

terjadi  karena  pembelahan  mitosis  akan  menghasilkan  sejumlah  sel  dengan  perubahan

pola ekspresi gen sehingga mempunyai fungsi yang berbeda dengan sel asalnya. Dengan

demikian, kandungan DNA pada sel-sel yang mengalami diferensiasi sebenarnya hampir

selalu sama, tetapi gen-gen yang diekspresikan berbeda antara satu dan lainnya. 

Diferensiasi diatur oleh gen-gen pengatur perkembangan. Mutasi yang terjadi pada

gen-gen  ini  dapat  mengakibatkan  abnormalitas  fenotipe  individu,  misalnya  tumbuhnya

kaki di  tempat  yang seharusnya digunakan untuk antena pada  lalat  Drosophila. Namun,

justru  dengan  mempelajari  mutasi  pada  gen-gen  pengatur  perkembangan,  kita  dapat

memahami berlangsungnya proses perkembangan embrionik.

Pada organisme multiseluler koordinasi aktivitas sel di antara berbagai jaringan dan

organ  diatur  oleh  adanya  komunikasi  di  antara  sel-sel  tersebut.  Hal  ini  melibatkan

molekul-molekul  sinyal  seperti  neurotransmiter,  hormon,  dan  faktor  pertumbuhan  yang

6

disekresikan oleh suatu jaringan dan diteruskan kepada jaringan lainnya melalui reseptor

yang terdapat pada permukaan sel.

Organel subseluler

Pada  eukariot  terdapat sejumlah organel  subseluler  seperti  nukleus, mitokondria,

kloroplas, retikulum endoplasmik, dan mikrobodi. Masing-masing akan kita bicarakan

sepintas berikut ini.

Nukleus  mengandung  sekumpulan  DNA  seluler  yang  dikemas  dalam  beberapa

kromosom. Di dalam nukleus terjadi transkripsi DNA menjadi RNA dan prosesing RNA.

Selain  DNA,  di  dalam  nukleus  juga  terdapat  nukleolus  yang  merupakan  tempat

berlangsungnya sintesis rRNA dan perakitan ribosom secara parsial.

Mitokondria  merupakan  tempat berlangsungnya  respirasi seluler,  yang  melibatkan

oksidasi nutrien menjadi CO₂ dan air dengan membebaskan molekul ATP. Secara evolusi

organel  ini  berasal  dari  simbion-simbion  prokariotik  yang  tetap  mempertahankan

beberapa DNA, RNA, dan mesin sintesis proteinnya. Meskipun demikian, sebagian besar

proteinnya  disandi  oleh  DNA  di  dalam  nukleus.  Sementara  itu,  kloroplas  merupakan

tempat  berlangsungnya  proses  fotosintesis  pada  tumbuhan    dan  alga.  Pada  dasarnya

kloroplas  memiliki  struktur  yang  menyerupai  mitokondria  dengan  sistem  membran

tilakoid yang berisi klorofil. Seperti halnya mitokondria, kloroplas juga mempunyai DNA

sendiri sehingga kedua organel ini sering dinamakan organel otonom. 

Retikulum  endoplasmik  merupakan  sistem  membran  sitoplasmik  yang  meluas  dan

menyambung dengan  membran nukleus.  Ada  dua  macam  retikulum  endoplasmik,  yaitu

retikulum  endoplasmik  halus  yang  membawa  banyak  enzim  untuk  reaksi  biosintesis

lemak  dan  metabolisme  xenobiotik  dan  retikulum  endoplasmik  kasar  yang  membawa

sejumlah  ribosom  untuk  sintesis  protein  membran.  Protein-protein  ini  diangkut  melalui

vesikula  transpor menuju kompleks Golgi untuk prosesing  lebih lanjut dan pemilahan

sesuai dengan tujuan akhirnya masing-masing.

Mikrobodi terdiri atas lisosom, peroksisom, dan glioksisom. Lisosom berisi enzim-

enzim  hidrolitik  yang  dapat  memecah  karbohidrat,  lemak,  protein,  dan  asam  nukleat.

Organel  ini bekerja  sebagai  pusat pendaurulangan  makromolekul  yang  berasal  dari  luar

sel atau organel-organel lain  yang  rusak. Sementara itu, peroksisom berisi enzim-enzim

yang  dapat  mendegradasi  hidrogen  peroksida  dan  radikal  bebas  yang  sangat  reaktif.

7

Glioksisom  adalah  peroksisom  pada  tumbuhan  yang  mengalami  spesialisasi  menjadi

tempat berlangsungnya reaksi daur glioksilat. 

Makromolekul

Secara  garis  besar  makromolekul hayati  meliputi polisakarida,  lemak,  protein,  dan

asam  nukleat.  Selain  itu,  terdapat  pula  makromolekul  kompleks,  yang  merupakan

gabungan dua atau lebih di antara makromolekul tersebut.

Polisakarida

Polisakarida  merupakan  polimer  beberapa  gula  sederhana  yang  satu  sama  lain

secara  kovalen  dihubungkan  melalui  ikatan  glikosidik.  Makromolekul  ini  terutama

berfungsi sebagai cadangan makanan dan materi struktural. 

Selulosa  dan  pati  (amilum)  sangat  banyak  dijumpai  pada  tumbuhan.  Kedua-

duanya  adalah  polimer  glukosa,  tetapi  berbeda  macam  ikatan  glikosidiknya.  Pada

selulosa monomer-monomer glukosa satu sama lain dihubungkan secara linier oleh ikatan

1,4    glikosidik,  sedangkan  pada  amilum  ada  dua  macam  ikatan  glikosidik  karena

amilum  mempunyai  dua  komponen,  yaitu     -amilosa  dan  amilopektin.  Monomer-

monomer glukosa pada  -amilosa dihubungkan oleh  ikatan 1,4   glikosidik,  sedangkan

pada  amilopektin,  yang  merupakan  rantai  cabang  amilum,  ikatannya  adalah  1,6  

glikosidik.

Pada  tumbuhan  selulosa  merupakan  komponen  utama  penyusun  struktur  dinding

sel.   Sekitar  40 rantai  molekul  selulosa tersusun paralel membentuk lembaran-lembaran

horizontal  yang  dihubungkan  oleh  ikatan  hidrogen  sehingga  menghasilkan  serabut-

serabut  tak  larut  yang  sangat  kuat.    Sementara  itu,  amilum  berguna  sebagai  cadangan

makanan  yang  dapat dijumpai dalam bentuk butiran-butiran  besar  di dalam sel. Adanya

dua  macam ikatan  glikosidik pada  amilum menjadikan  molekul  ini  tidak dapat dikemas

dengan konformasi yang kompak. Oleh karena itu, amilum mudah larut di dalam air.

Fungi dan beberapa jaringan hewan menyimpan cadangan makanan glukosa dalam

bentuk   glikogen,  yang  mempunyai  ikatan  glikosidik  seperti  pada  amilopektin.

Polisakarida lainnya,  kitin merupakan komponen utama penyusun dinding sel fungi dan

eksoskeleton  pada  serangga  dan       Crustacea.  Kitin  mempunyai  struktur  molekul

menyerupai     selulosa,     hanya     saja     monomernya     berupa     N-asetilglukosamin.