Ada empat kelas molekul utama dalam biokimia (sering disebut biomolekul), yaitu karbohidrat, lipid, protein, dan asam nukleat.[33] Banyak molekul biologis merupakan "polimer"; dalam terminologi ini, monomer merupakan makromolekul yang relatif kecil yang bergabung menjadi satu untuk membentuk makromolekul berukuran lebih besar, yang kemudian disebut sebagai polimer. Ketika banyak monomer bergabung untuk menyintesis sebuah polimer biologis, mereka melalui proses yang disebut dengan sintesis dehidrasi.
Dua fungsi utama karbohidrat adalah sebagai penyimpan energi dan penyedia struktur. Gula (contoh umumnya adalah glukosa) merupakan karbohidrat, tetapi tidak semua karbohidrat adalah gula. Jumlah karbohidrat di Bumi lebih banyak daripada jumlah biomolekul mana pun; mereka digunakan untuk menyimpan energi dan informasi genetik, serta berperan penting dalam interaksi dan komunikasi dari sel ke sel.
Monosakarida Tipe karbohidrat yang paling sederhana—sekaligus sebagai monomer—adalah monosakarida, yang antara lain mengandung atom karbon, hidrogen, dan oksigen, kebanyakan dengan perbandingan 1:2:1 (rumus umumnya CnH2nOn, dengan n paling kecil adalah 3). Contoh monosakarida adalah glukosa (C6H12O6), salah satu karbohidrat terpenting; contoh lainnya yaitu fruktosa (C6H12O6), gula yang diasosiasikan dengan rasa manis buah-buahan,[34][a] serta deoksiribosa (C5H10O4), yang menjadi komponen DNA. Monosakarida dapat beralih antara bentuk asiklik (rantai terbuka) dan bentuk siklik. Bentuk rantai terbuka dapat diubah menjadi cincin atom karbon yang dijembatani oleh atom oksigen yang dibuat dari gugus karbonil di satu ujung dan gugus hidroksil di ujung lainnya. Molekul siklik memiliki gugus hemiasetal atau hemiketal, bergantung pada apakah bentuk liniernya adalah aldosa (mempunyai grup aldehida di akhir rantainya, contohnya glukosa) dan ketosa (mempunyai grup keton di rantainya, contohnya fruktosa).[35] Beberapa karbohidrat (terutama setelah terkondensasi menjadi oligosakarida dan polisakarida) memiliki jumlah C yang relatif lebih rendah dibandingkan H dan O. Ketika dua monosakarida melalui proses sintesis dehidrasi, maka air akan terbentuk, karena dua atom hidrogen dan satu atom oksigen telepas dari dua gugus hidroksil monosakarida. Disakarida Dua monosakarida dapat digabungkan oleh ikatan glikosidik atau eter menjadi disakarida melalui sintesis dehidrasi. Dalam reaksi ini, satu atom hidrogen dan satu grup hidroksil (OH-) akan dilepaskan dan bergabung membentuk molekul air (H-OH atau H2O) sehingga proses ini disebut "reaksi dehidrasi". Reaksi kebalikannya (reaksi pemecahan), ketika satu molekul air digunakan dalam pemecahan ikatan glikosidik pada satu molekul disakarida menghasilkan dua molekul monosakarida, disebut dengan hidrolisis. Jenis disakarida yang terkenal adalah sukrosa, yang juga dikenal sebagai gula tebu. Satu molekul sukrosa terdiri dari satu molekul glukosa dan satu molekul fruktosa. Contoh disakarida yang lain adalah laktosa dalam susu, yang terdiri dari satu molekul glukosa dan satu molekul galaktosa. Laktosa dapat dihidrolisis oleh enzim laktase. Defisiensi enzim ini mengakibatkan gangguan pencernaan yang disebut intoleransi laktosa. Oligosakarida dan polisakarida Ketika beberapa (sekitar tiga sampai enam) monosakarida bergabung, molekul penggabungannya disebut sebagai oligosakarida (oligo- artinya "sedikit"). Molekul-molekul ini cenderung digunakan sebagai penanda dan sinyal, serta memiliki beberapa kegunaan lain.[36] Jika banyak monosakarida bergabung menjadi satu, molekulnya akan disebut sebagai polisakarida. Monosakarida dapat bergabung membentuk satu rantai panjang yang linier atau mungkin bercabang-cabang. Dua jenis polisakarida yang paling dikenal adalah selulosa dan glikogen, keduanya terdiri dari monomer glukosa yang berulang. Selulosa merupakan komponen struktural penting yang membentuk dinding sel pada tumbuhan. Manusia tidak bisa membuat ataupun mencerna selulosa. Sementara itu, glikogen (nama lainnya adalah gula otot) digunakan oleh manusia dan hewan sebagai penyimpan energi. Lipid Struktur[pranala nonaktif permanen] Lipid terdiri dari beragam molekul dan sampai batas tertentu merupakan sebutan untuk semua senyawa yang relatif tidak larut dalam air atau nonpolar yang berasal dari materi biologis, termasuk lilin, asam lemak, fosfolipid, serta turunan asam lemak seperti sfingolipid, glikolipid, dan terpenoid (misalnya retinoid dan steroid). Beberapa lipid merupakan molekul alifatik rantai terbuka yang linier, sementara lipid yang lain memiliki struktur cincin. Beberapa lipid bersifat aromatik (dengan struktur siklik [cincin] dan planar [datar]) sementara yang lainnya tidak. Beberapa di antara mereka fleksibel, sementara yang lain kaku. Lipid biasanya terbentuk dari satu molekul gliserol yang bergabung dengan molekul lain. Pada trigliserida, kelompok utama sebagian besar lipid, ada satu molekul gliserol dan tiga molekul asam lemak. Dalam hal ini, asam lemak merupakan monomer dan bisa saja bersifat jenuh (tidak memiliki ikatan rangkap dalam rantai karbonnya) atau tak jenuh (memiliki satu ikatan rangkap atau lebih dalam rantai karbonnya). Meskipun secara umum bersifat nonpolar, mayoritas lipid juga memiliki beberapa sifat polar. Sebagian besar strukturnya bersifat nonpolar atau hidrofobik ("takut air"), sedangkan bagian lain dari strukturnya bersifat polar atau hidrofilik ("suka air"). Hal ini menjadikan lipid sebagai molekul amfifilik (memiliki bagian hidrofobik dan hidrofilik). Pada kolesterol, gugus polarnya hanyalah –OH (hidroksil atau alkohol). Pada fosfolipid, gugus polarnya jauh lebih besar dan lebih polar. Lipid merupakan bagian integral dari makanan sehari-hari. Sebagian besar minyak dan produk susu yang digunakan untuk memasak dan makan seperti mentega, keju, minyak samin, dan semacamnya terdiri dari lemak. Minyak nabati kaya akan berbagai asam lemak tak jenuh ganda (PUFA). Makanan yang mengandung lipid menjalani pencernaan di dalam tubuh dan dipecah menjadi asam lemak dan gliserol, yang merupakan produk degradasi akhir dari lemak dan lipid. Lipid, terutama fosfolipid, juga digunakan dalam berbagai produk farmasi, baik sebagai pelarut bersama (misalnya dalam infus parenteral) atau sebagai komponen pembawa obat (misalnya, dalam liposom atau transfersom). Protein Struktur umum dari asam α-amino, dengan grup amino di sebelah kiri dan grup karboksil di sebelah kanan.Protein merupakan molekul yang sangat besar (biopolimer makro) yang tersusun dari monomer yang disebut asam amino. Ada 20 asam amino standar, yang masing-masing terdiri dari atom karbon alfa yang berikatan dengan empat gugus, yaitu gugus amino (-NH2), gugus asam karboksilat (-COOH; meskipun gugus ini juga ada sebagai -NH3+ dan -COO - dalam kondisi fisiologis), atom hidrogen sederhana, dan rantai samping (biasanya dilambangkan sebagai "-R"). Gugus "R" inilah yang menjadikan setiap asam amino berbeda, dan sifat rantai samping akan sangat memengaruhi bentuk tiga dimensi suatu protein. Beberapa asam amino memiliki fungsi sendiri-sendiri, misalnya glutamat berfungsi sebagai neurotransmiter. Sejumlah asam amino dapat digabungkan oleh ikatan peptida melalui sintesis dehidrasi. Dalam proses ini, molekul air akan dilepaskan dan ikatan peptida menghubungkan nitrogen dari satu gugus amino pada suatu asam amino ke karbon dari gugus asam karboksilat pada asam amino lainnya. Molekul yang dihasilkan disebut dipeptida. Rangkaian pendek asam amino (biasanya kurang dari tiga puluh) disebut peptida atau polipeptida. Rangkaian yang lebih panjang disebut protein. Sebagai contoh, protein albumin pada plasma darah terdiri dari 585 residu asam amino.[39] Asam amino: (1) dalam bentuk netral, (2) dalam bentuk fisiologis, dan (3) dalam bentuk gabungan bersama sebagai dipeptida. Skema dari hemoglobin. Pita warna merah dan biru adalah protein globin; sedangkan struktur hijau adalah grup heme.Protein memiliki peran struktural dan/atau fungsional. Contohnya, pergerakan dari protein aktin dan miosin sangat berperan dalam kontraksi otot rangka. Satu sifat yang dimiliki banyak protein adalah bahwa mereka mengikat molekul atau kelompok molekul tertentu secara khusus dan mungkin sangat selektif. Antibodi adalah contoh protein yang hanya dapat mengikat satu tipe molekul saja. Salah satu jenis protein yang paling penting adalah enzim. Molekul enzim hanya dapat mengenali satu jenis molekul reaktan saja, yang disebut sebagai substrat. Enzim akan mengkatalis reaksi sehingga energi aktivasi akan menurun dan kecepatan reaksi dapat berlangsung hingga 1011 kali lebih cepat atau lebih. Sebuah reaksi mungkin akan memakan waktu 3.000 tahun untuk betul-betul selesai, tetapi dengan enzim reaksinya mungkin menjadi kurang dari satu detik. Enzim sendiri tidak digunakan dalam proses reaksinya sehingga akan langsung mengkatalis substrat lainnya. Struktur protein bisa dijelaskan melalui empat tingkatan. Struktur primer protein terdiri dari rangkaian linier asam amino, misalnya, "alanin-glisin-triptofan-serin-glutamat-asparagin-glisin-lisin-…". Struktur sekunder lebih berkaitan dengan morfologi lokal (morfologi adalah studi tentang struktur). Beberapa kombinasi asam amino akan cenderung membentuk gulungan yang disebut dengan uliran alfa (α-helix) atau menjadi lembaran yang disebut dengan lembaran beta (β-sheet). Struktur tersier merupakan bentuk tiga dimensi protein secara keseluruhan. Bentuk ini ditentukan oleh urutan asam amino. Jika ada satu perubahan saja, keseluruhan struktur dapat berubah. Sebagai contoh, rantai alfa pada hemoglobin terdiri dari 146 residu asam amino; jika residu glutamat di posisi ke-6 digantikan dengan valin, sifat hemoglobin akan berubah dan mengakibatkan penyakit anemia sel sabit. Terakhir, struktur kuartener berkaitan dengan struktur protein dengan beberapa subunit peptida, misalnya hemoglobin dengan keempat subunitnya. Tidak semua protein memiliki lebih dari satu subunit.[40] Contoh[pranala nonaktif permanen] struktur protein dari Protein Data Bank Anggota[pranala nonaktif permanen] keluarga protein, sebagaimana diwakili oleh struktur domain isomeraseProtein yang masuk ke dalam tubuh akan dipecah menjadi asam amino atau dipeptida di dalam usus halus, baru kemudian bisa diserap oleh tubuh. Nantinya, asam amino ini dapat bergabung kembali untuk membentuk protein yang baru. Produk antara dari glikolisis, siklus asam sitrat, dan jalur fosfat pentosa dapat digunakan untuk membentuk kedua puluh macam asam amino. Sebagian besar bakteri dan tumbuhan memiliki semua enzim yang diperlukan untuk menyintesisnya. Manusia dan mamalia lainnya hanya dapat menyintesis sebagian dari ke-20 macam amino tersebut. Tubuh mereka tidak dapat menyintesis isoleusin, leusin, lisin, metionin, fenilalanin, treonin, triptofan, dan valin. Karena harus didapatkan dari luar tubuh, asam amino jenis ini merupakan asam amino esensial. Mamalia memiliki enzim untuk menyintesis asam amino nonesensial, yaitu alanin, asparagin, aspartat, sistein, glutamat, glutamin, glisin, prolin, serin, dan tirosin. Arginin dan histidin juga dapat disintesis oleh mamalia, tetapi hanya dapat diproduksi dalam jumlah terbatas sehingga terkadang juga disebut sebagai asam amino esensial. Jika gugus amino dilepaskan dari sebuah asam amino, maka akan menyisakan kerangka karbon yang disebut asam keto-α. Enzim transaminase dapat dengan mudah memindahkan gugus amino dari satu asam amino (menjadikannya sebuah asam keto-α) ke asam keto-α lainnya (menjadikannya sebuah asam amino). Hal ini penting dalam biosintesis asam amino, seperti dalam banyak jalur, zat antara dari lintasan biokimia lainnya akan diubah menjadi kerangka asam keto-α, lalu sebuah gugus amino ditambahkan lewat transaminasi. Maka, asam amino dapat digabung-gabungkan untuk membentuk protein. Proses yang mirip digunakan untuk memecah protein. Pertama-tama, protein akan dihidrolisis menjadi komponen-komponennya, yaitu asam amino. Amonia bebas (NH3) yang ada dalam bentuk ion amonium (NH4+) di dalam darah, akan berbahaya bagi tubuh sehingga harus dikeluarkan. Organisme uniseluler hanya tinggal melepaskan amonia ini keluar tubuh. Demikian pula ikan bertulang sejati yang dapat melepaskan amonia ke dalam air yang diencerkan dengan cepat. Secara umum, mamalia mengubah amonia menjadi urea, lewat siklus urea. Untuk menentukan apakah dua protein saling terkait, atau dengan kata lain untuk memutuskan apakah mereka homolog atau tidak, para ilmuwan menggunakan metode perbandingan urutan. Metode seperti penjajaran urutan dan penjajaran struktural merupakan cara ampuh yang membantu ilmuwan mengidentifikasi homologi di antara molekul terkait. Selain untuk mengetahui pola evolusi keluarga protein, penemuan homologi protein juga untuk mengetahui kemiripan dua protein beserta struktur dan fungsinya. Asam nukleatBagian[pranala nonaktif permanen] atas: struktur asam deoksiribonukleat (DNA); bagian bawah: sebuah monomer asam nukleat, yaitu nukleotida, yang terdiri atas gugus fosfat, gula pentosa, dan basa nitrogenAsam nukleat merupakan makromolekul biokimia yang kompleks dan memiliki berat molekul tinggi, yang dapat menyampaikan informasi genetik di semua sel hidup dan virus.[41] Penamaan asam nukleat diberikan karena awalnya ditemukan di nukleus (meskipun juga ditemukan di mitokondria dan kloroplas). Monomernya disebut nukleotida dan masing-masing terdiri dari tiga komponen: basa heterosiklik nitrogen (baik purin ataupun pirimidin), gula pentosa (gula dengan lima atom karbon), dan gugus fosfat.[42] Unsur-unsur[pranala nonaktif permanen] struktur penyusun asam nukleat secara umum. Nukleosida adalah molekul gula pentosa dan basa nitrogen. Jumlah gugus fosfat yang terikat menentukan nama molekul ini: nukleosida monofosfat, nukleosida difosfat, dan nukleosida trifosfat; semuanya adalah nukleotida.Asam nukleat yang paling umum adalah asam deoksiribonukleat (DNA) dan asam ribonukleat (RNA). Gugus fosfat dan gula dari masing-masing nukleotida saling terikat dan terhubung untuk membentuk "tulang punggung" asam nukleat yang sering disebut dengan "unting", sedangkan urutan basa nitrogen menentukan informasi genetik yang disimpannya. Basa nitrogen yang paling umum adalah adenin, sitosin, guanin, timin, dan urasil. Basa nitrogen dari setiap unting asam nukleat akan membentuk ikatan hidrogen dengan basa nitrogen pada unting lainnya secara berpasangan (mirip dengan ritsleting). Adenin berpasangan dengan timin dan urasil, timin hanya berpasangan dengan adenin, sementara sitosin dan guanin hanya dapat berpasangan satu sama lain. Selain materi genetik sel, asam nukleat juga sering berperan sebagai pembawa pesan kedua, serta menjadi penyusun dasar adenosin trifosfat (ATP), sebuah molekul pembawa energi primer yang ditemukan di semua organisme hidup. Jenis basa nitrogen yang ada dalam DNA dan RNA berbeda: adenin, sitosin, dan guanin terdapat baik pada DNA maupun RNA, timin hanya ada pada DNA, dan urasil hanya ada pada RNA.
|