Oleh :
Dadang Sumardi, Ir.,MP.
Fakultas Pertanian
Universitas Winaya Mukti
2008

Organisasi
Tubuh
Mahluk hidup
Mahluk Hidup (manusia, hewan dan tumbuhan)
Organ-organ
Jaringan
Sel
Organel sel
Biomolekul
Senyawa dasar
Pertumbuhan dan perkembangan
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

Sel eukariotik Perbedaan Sel prokariotik
Inti sel Tidak ada membran
1 Jumlah kromosom
Ukuran ribosom 70 S
Ada membran lebih dari 1
80 S
Organel sel Tidak lengkap Lengkap: mitokondria,RE,Badan
Golgi,lisosom dsb.

1.
Bakteri: eubakteri, archaebakteri dan cyanobakteri
2.
Jamur: khamir, kapang dan cendawan
3.
Alga : alga bersel satu dan bersel banyak
4.
Protozoa :ciliata,flagellata,sporozoa,rhizopoda
5.
Ricketsia dan Clamydia
6.
Mycoplasma
7.
Virus

• Mempunyai dinding sel
• Vakuola berukuran besar permanen
• Mempunyai plastida
(kloroplas, kromoplas, dan leukoplas)
• Tidak mempunyai sentriol
• Tidak memiliki dinding sel
• Vakuola berukuran kecil tak permanen
• Tidak mempunyai plastida
• Mempunyai sentriol

• 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.

FUNGSI ASAM NUKLEAT
•Ekspresi karakter
•Pewarisan karakter
•Sintesa protein
ASAM NUKLEAT
• DNA
• RNA
KROMOSOM
DI DALAM
INTI SEL

Plant Biotechnology
Plant Biotechnology Techniques

• 1.matriks
• 2. membran luar
• 3. membran dalam
• Fungsinya untuk respirasi sel
(penghasil energi /
ATP)
• Krista berfungsi untuk memperluas permukaan respirasi.

• 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.

• 1.Membran luar
• 2.Grana/Granum
• 3.Membran dalam
• 4.Tilakoid
• 5.Lamela

• Hanya dimiliki oleh sel hewan .
• Terdapat sepasang seperti selinder.
• Berperan dalam proses pembelahan sel hewan yaitu mengatur pemisahan kromosom selama pembelahan sel.

• Pada sel tumbuhan biasanya disebut diktiosom.
• Fungsinya untuk membentuk kantung kantung sekresi, membran plasma, dan dinding sel.

• Ukurannya sangat kecil
• Dibentuk oleh badan golgi
• Bentuk bulat berisi enzim pencernaan
• Fungsinya untuk pencernaan intraseluler

• Ukurannya seperti lisosom
• Dibentuk oleh R E
• Berisi enzim katalase yang berfungsi untuk menguraikan H
2
O
2 .
• H
2
O
2
H
2
O + O
2
• katalase

• 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 (NH
3
,CO
2 dan kristal garam )
• Mewarnai dengan kandungan pigmen.
,

DNA
PERANANNYA DALAM AKTIVITAS SEL DAN
PEMANFAATANNYA DALAM
BIOTEKNOLOGI

• 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 : PO
4
3-

DNA
•Basa nitrogen terdiri dari sitosin, timin, adenin dan guanin
•Gula: D-deoksiribosa
•Terdiri dari dua rantai yang berikatan pada basa nitrogen dengan ikatan hidrogen
•Terdapat pada inti sel, mitokondria, plastida dan retikulum endoplasma
ASAM
NUKLEAT
RNA
•Basa nitrogen terdiri dari sitosin, urasil, adenin dan guanin
•Gula : D-ribosa
•Terdiri dari satu lembar rantai
•Terdapat pada inti sel, sitosol dan ribosom

Triplet kodon = gen ( mis TA-GC-CG)

STRUKTUR RNA
H
H
OH
Urasil
OH
OH
OH

EKSPRESI KARAKTER
REPLIKASI
DNA
FUNGSI ASAM NUKLEAT
SINTESA PROTEIN
TRANSKRIPSI
DNA OLEH mRNA
TRANSLASI
TRIPLET KODON
OLEH tRNA di ribosom
PEWARISAN KARAKTER
PROTEIN
ENZIM
PIGMEN
HORMON
DLL
META
BOLIS
ME
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
REPLIKASI DNA
TRANSKRIPSI DNA OLEH mRNA
TRANSLASI TRIPLET
KODON OLEH tRNA di ribosom
PROTEIN
ENZIM
HORMON
PIGMEN
DLL
GAMET FERTILISASI
KETURUNAN
REPLIKASI DNA
TRANSKRIPSI DNA OLEH mRNA
TRANSLASI TRIPLET
KODON OLEH tRNA di ribosom
PROTEIN
ENZI
M
HORMON
PIGMEN
DLL

INDUK
REPLIKASI DNA
TRANSKRIPSI DNA OLEH mRNA
TRANSLASI TRIPLET
KODON OLEH tRNA di ribosom
PROTEIN
ENZIM
HORMON
PIGMEN
DLL
GAMET
PERUBAHAN KARAKTER
FERTILISASI
KETURUNAN
DG KARAKTER
YG BERBEDA
REKAYASA : •PERSILANGAN
•MUTASI
•POLIPLOIDI
•FUSI PROTOPLAS
•TRANSFER GEN

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
Gen yang diarah
Perlakuan mutagenesis
ATTCGA
Gen baru
ATT G GA

Traditional donor Commercial variety New variety
(many genes are transferred) DNA is a strand of genes, much like a strand of pearls. Traditional plant breeding combines many genes at once.
Desired Gene
X
(crosses)
=
Desired gene
Desired gene Commercial variety New variety
(only desired gene is transferred) Using plant biotechnology, a single gene may be added to the strand.
=
(transfers)
Desired gene
What is plant biotechnology?

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

DAN
PERANANNYA DALAM BIOTEKNOLOGI

Enzim protein yang bertindak sebagai biokatalisator
Biokatalisator
Mengatur kecepatan reaksi dalam sel
Bahan
Sel sebagai mesin kimia
Proses Produk
Pengaturan kecepatan reaksi :
* bioatalisator
* suhu

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 (Mg 2+ , Zn 2+ , Fe 2+ )
•Gugus Prostetik : molekul organik yang terikat pemanen pada apoenzim

• = 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

• 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 CO
2
)
– Koenzim A (pembawa gugus asil R-COO ).

• 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 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
Produk + Enzim
Proses Katalisis
Contoh :
Fumarase
Fumarat ---------- Malat
Laktat dehidrogenase
Piruvat -------------------------------- Laktat

• Absolut: hanya dapat bereaksi dengan satu substrat.
– Contoh: glukokinase
• Relatif: dapat bereaksi dengan beberapa senyawa yang sejenis
– Contoh: heksokinase

• 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

• Organik
– Spesifik
– Tak tahan panas
– Menurunkan Ea:lebih besar
– Contoh: enzim
• Inorganik
– Non spesifik
– Tahan panas
– Menurunkan Ea
– Contoh: logam, OH ,
H +

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
Prosesing karbohidrat
Hidrolisis pati  dekstran
Enzim
α-amilase
Hirolisis dekstran  glukosa
Pemurnian glukosa  campuran glukosa-fruktosa
Hidolisis protein
Pemecahan protein dalam formulasi detergen
Koagulasi susu dan penghambatan aroma keju
Hidrolisis pektin
Prosesing jus dan wine
Glukoamilase
Xylosa
Protease alkali
Protease asam
Pektinase, βglukanase, selulase
MO sumber
Bacillus licheniformis
B. amiylolliquefaciens
Aspergillus niger
Bacillus coagulans,
Streptomyces olivaceus
Bacillus subtilis, Bacillus licheniformis
Aspergillus niger, Mucor pusillus
Aspergillus niger, Bacillus subtilis

“ 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 ”

• Transformasi bentuk energi (energi tersimpan  energi kimia siap guna)
• Pembentukan biomolekul pembangun sel
• Penguraian biomolekul membentuk senyawa sederhana sebagai prekursor senyawa kompleks lain

• 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
Monomer : Asam amino,
Nukleotida, Monosakarida,
Asam lemak, Gliserol
KATABOLISME
Metabolit intermediet :
Piruvat, Asetil CoA,
Intermediat siklusTCA i
Energ i
Energ
Molekul sederhana
: H
2
O, CO
2,
NH
3

• 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

• 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
Triosa posfat
Asam Posfoenolpiruvat
Asam Piruvat
Dinding Sel
Gliserol lemak, minyak fosfolipid
Serin  sistein  protein
Senyawa fenol (tirosin, fenilalanin, antosianin, dll)
Etanol
Asam laktat
Alanin
Asetil Co A
Asam lemak, kutikula
Isoprenoid (karotenoid, giberelin, terpen)
Senyawa aromatik
Siklus Kreb’s

BAHAN
•UNSUR
HARA
•SENYAWA
ORGANIK
•AIR
PERTUMBUHAN DAN
PERKEMBANGAN MAHLUK
HIDUP
ENERGI
SEL
PROSES
METABOLISME
PRODUK
•METABOLIT
PRIMER
•METABOLIT
SEKUNDER

BAHAN
•UNSUR
HARA
•SENYAWA
ORGANIK
•AIR
PROSES
METABOLISME
SEL
PRODUK
•METABOLIT
PRIMER
•METABOLIT
SEKUNDER
PENGGUNAAN
LANGSUNG
PEMANFAATAN
MODIFIKASI
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

• 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

• 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)

http://www.webschoolsolutions.com/biotech/transgen.htm

Seedlings, each from an individual cell
Callus, undifferentiated mass of plant cells http://catf.bcresearch.com/biotechnology/tissueculture_research.htm

Agronomic benefits
• Oranges resistant to citrus canker
• Disease-resistant sweet potatoes
• Pest- and diseaseresistant cassava
• Disease-resistant bananas
Benefits of biotechnology – More food