MANFAAT BIOKIMIA DALAM BIDANG PERTANIAN

TUGAS  TERSTRUKTUR

BIOKIMIA

MANFAAT BIOKIMIA DALAM BIDANG PERTANIAN

 

                                                                                                        

Disusun Oleh:

Nama              : Ahmad Arif Darmawan

NIM                : A1L013064

Dosen              : Dr. Ir. Sakhidin, M.P.

KEMENTERIAN PENDIDIKAN DAN KEBUDAYAAN

UNIVERSITAS JENDERAL SOEDIRMAN

FAKULTAS PERTANIAN

PURWOKERTO

2014

BAB I

PENDAHULUAN

A.                Latar Belakang

Zaman semakin berkembang dengan pesat, teknologi semakin berkembang begitu juga dengan ilmu pengetahuan. Ilmu biokimia saat ini sedang mengalami perkembangan khususnya di negara Indonesia. Peranan ilmu biokimia bagi kehidupan manusia sangat luar biasa bahkan hampir mencangkup berbagai aspek kehidupan. Contohnya dalam bidang pangan, sekarang sudah banyak produk pangan yang menggunakan enzim untuk mengkatalis proses pembuatan produk tersebut. Contoh lain, berkembangnya metode rekayasa genetika dan kultur jaringan yang dilakukan untuk meningkatkan hasil pertanian dan perkebunan dan masih banyak lagi yang lainnya mengenai ilmu biokimia. Pengembangan aplikasi ilmu biokimia di Indonesia dapat dipastikan  semakin lama akan menambah kemajuan teknologi di Indonesia dan dapat memanfaatkan sumber daya alam melalui ilmu biokimia.

B.                Tujuan

Makalah ini disusun dengan tujuan agar para mahasiswa khususnya lebih mampu  memahami, mengembangkan, serta mampu  menerapan ilmu biokimia dalam memecahkan permasalahan di segala bidang utamanya di bidang pertanian.

BAB II

PEMBAHASAN

A.                Pengertian Biokimia

Biokimia merupakan ilmu yang mempelajari tentang reaksi-reaksi kimia atau interaksi molekul dalam sel hidup. Jika dikaitkan dengan bidang pertanian, khususnya mengenai tanaman, berarti ilmu yang mempelajari tentang reaksi-reaksi kimia atau interaksi molekul yang terjadi pada tanaman.

Biokomia adalah ilmu yang berhubungan dengan  berbagai molekul di dalam sel atau organisme hidup sekaligus dengan reaksi kimianya. Biokimiawan mempelajari molekul dan reaksi kimia terkatalisis oleh enzim yang berlangsung dalam semua organisme. Lihat artikel biologi molekular untukdiagram dan deskripsi hubungan antara biokimia, biologi molekular, dan genetika. Biokimia merupakan ilmu yang mempelajari struktur dan fungsi komponen selular, seperti protein, karbohidrat, lipid, asam nukleat, dan biomolekul lainnya. Saat ini biokimia lebih terfokus secara khusus pada kimia reaksi termediasi enzim dan sifat-sifat protein. Saat ini, biokimia metabolisme sel telah banyak dipelajari. Bidang lain dalam biokimia di antaranya sandi genetik (DNA, RNA), sintesis protein, angkutan membran sel, dan transduksi sinyal (Saputri, 2012).

B.                 Sejarah Biokimia

Kebangkitan biokimia diawali dengan penemuan pertama molekul enzim, diastase, pada tahun 1833 oleh Anselme Payen. Kemudian pada pertenghan abad ke 18, Karl Wilhelm Scheele meneliti susunan kimia serta mengisolasi kebutuhan ester dan kasein dari bahan alam. Kemudian pada abad ke 19, Frederich Wohler menelti urea, senyawa dalam urin dapat dibuat dengan memanaskan alkali sianat dengan garam amonium pada tahun 1828. Pada abad ini pula Edward dan Hans Buchner meneliti tentang ekstrak dari sel ragi yang telah rusak atau mati, tetap dapat menyebabkan terjadinya proses peragian, yang merupakan pembuka kemungkinan dilakukannya analisis reaksi-reaksi biokimia dan proses biokimia. Dilanjutkan pada tahun 1903, Karl Nueberg mengemukakan istilah biokimia. Pada tahun 1926, J. B Summer membuktikan urease ( enzim dari biji kara pedang dapat dikristalkan seperti senyawa organik lainnya) bahwa enzim mempunyai struktur kompleks dan dapat dipelajari (Ahira, 2013).

C.                Perkembangan Biokimia

Pada abad ke-17, Robert Hook mengobservasi sel menggunakan mikroskop. Hal ini mengingatkan pemahaman atas struktur yang kompleks. Sejak saat itu, biokimia semakin berkembang, terutama sejak pertengahan abad ke-20, dengan ditemukannya teknik-teknik baru seperti kromatografi, difraksi sinar X, elektroforesis, RMI (nuclear magnetic resonance, NMR), pelabelan radioisotop, mikroskop elektron, dan simulasi dinamika molekular. Teknik-teknik ini memungkinkan penemuan dan analisis yang lebih mendalam berbagai molekul dan jalur metabolik sel, seperti glikolisis dan siklus Krebs. Perkembangan ilmu baru seperti bioinformatika juga banyak membantu dalam peramalan dan pemodelan struktur molekul raksasa (Ahira, 2013).

Saat ini, penemuan-penemuan biokimia digunakan di berbagai bidang, mulai dari genetika hingga biologi molekular dan dari pertanian hingga kedokteran. Penerapan biokimia yang pertama kali barangkali adalah dalam pembuatan roti menggunakan khamir, sekitar 5000 tahun yang lalu (Ahira, 2013).

D.                Manfaat Biokimia

1.        Peningkatan kualitas dan kuantitas produk pertanian.

2.        Pengetahuan tentang reaksi-reaksi yang terjadi dalam tanaman.

3.        Mengenal tumbuhan berdasarkan tipr fotosintesis

4.        Keterkaitan Biokimia dengan Ilmu Lain

5.        Pengetahuan tentang mekanisme resistensi organisme pengganggu tanaman.

E.                Peningkatan kualitas dan kuantitas produk pertanian.

Pada dasarnya penerapan biokimia banyak terdapat dalam bidang pertanian. Penggunaan pestisida di bidang pertanian telah kita kenal lama. Pada umumnya pestisida bekerja dengan jalan menghambat enzim yang bekerja pada hama atau organisme tertentu.

Dalam hal ini biokimia berperan dalam meneliti mekanisme kerja pestisida tersebut sehingga dapat meningkatkan selektivitasnya dan dengan demikian dapat dicegah dampak negatif terhadap lingkungan hidup yang dapat ditimbulkannya. Jadi biokimia juga merupakan komponeri penting dalam pengetahuan tentang lingkungan hidup.

Peningkatan kualitas produk dalam bidang pertanian dan peternakan telah dapat diwujudkan dengan menerapkan hasil-hasil penelitian dalam bidang genetika..

Ilmu biokimia mempunyai posisi yang kuat dalam bidang pertanian yaitu

1.        Dapat meningkatkan kualitas tumbuhan

2.        Memahami dan melakukan penanganan suatu penyakit secara efektif.

(Wati, 2011).

F.                 Reaksi-reaksi yang Terjadi pada Tumbuhan

Metabolisme adalah proses-proses kimia yang terjadi di dalam tubuh makhluk hidup/sel. Metabolisme disebut juga reaksi enzimatis, karena metabolisme terjadi selalu menggunakan katalisator enzim.

Metabolisme ada 2 macam yaitu anabolisme dan katabolisme

 Anabolisme

Anabolisme adalah proses sintesis molekul kompleks dari senyawa-senyawa kimia yang sederhana secara bertahap. Proses ini membutuhkan energi dari luar. Energi yang digunakan dalam reaksi ini dapat berupa energi cahaya ataupun energi kimia. Energi tersebut, selanjutnya digunakan untuk mengikat senyawa-senyawa sederhana tersebut menjadi senyawa yang lebih kompleks. Jadi, dalam proses ini energi yang diperlukan tersebut tidak hilang, tetapi tersimpan dalam bentuk ikatan-ikatan kimia pada senyawa kompleks yang terbentuk.

Contoh reaksi anabolisme yaitu terjadi pada saat asimilasi

6 CO₂ + 6 H₂O       _KLOROFIL^{CAHAYA MATAHARI}        C₆H₁₂O₆ + 6O₂

Beberapa faktor yang menentukan kecepatan fotosintesis:

1.        Cahaya
Komponen-komponen cahaya yang mempengaruhi kecepatan laju fotosintesis adalah intensitas, kualitas dan lama penyinaran. Intensitas adalah banyaknya cahaya matahari yang diterima sedangkan kualitas adalah panjang gelombang cahaya yang efektif untuk terjadinya fotosintesis.

2.         Konsentrasi karbondioksida
Semakin banyak karbondioksida di udara, makin banyak jumlah bahan yang dapat digunakan tumbuhan untuk melangsungkan fotosintesis.

3.         Suhu
Enzim-enzim yang bekerja dalam proses fotosintesis hanya dapat bekerja pada suhu optimalnya. Umumnya laju fotosintensis meningkat seiring dengan meningkatnya suhu hingga batas toleransi enzim.

4.         Kadar air
Kekurangan air atau kekeringan menyebabkan stomata menutup, menghambat penyerapan karbon dioksida sehingga mengurangi laju fotosintesis.

5.         Kadar fotosintat (hasil fotosintesis)
Jika kadar fotosintat seperti karbohidrat berkurang, laju fotosintesis akan naik. Bila kadar fotosintat bertambah atau bahkan sampai jenuh, laju fotosintesis akan berkurang.

6.         Tahap pertumbuhan
Penelitian menunjukkan bahwa laju fotosintesis jauh lebih tinggi pada tumbuhan yang sedang berkecambah ketimbang tumbuhan dewasa. Hal ini bisa saja dikarenakan tumbuhan berkecambah memerlukan lebih banyak energi dan makanan untuk tumbuh.

Katabolisme

Katabolisme merupakan reaksi pemecahan atau penguraian senyawa kompleks (organik) menjadi senyawa yang lebih sederhana (anorganik). Dalam reaksi penguraian tersebut dapat dihasilkan energi yang berasal dari terlepasnya ikatan-ikatan senyawa kimia yang mengalami penguraian. Tetapi energi yang dihasilkan itu tidak dapat langsung digunakan oleh sel, melainkan harus diubah dalam bentuk senyawa Adenosin Trifosfat (ATP) yang mengandung energi tinggi. Tujuan utama reaksi katabolisme adalah untuk membebaskan energi yang terkandung di dalam senyawa sumber, yaitu Adenosin Trifosfat (ATP). Reaksi penguraian energi pada katabolisme, secara umum dikenal dengan proses respirasi.

 Hasil Proses Respirasi
Respirasi merupakan proses pembebasan energi kimia dalam tubuh organisme melalui reaksi oksidasi (penambahan oksigen) pada molekul organik. Dari peristiwa tersebut akan dihasilkan energi dalam bentuk Adenosin Trifosfat (ATP) dan CO2 serta H2O (sebagai hasil sisa). 

C₆H₁₂O₆ + 6O_{2 —>}  6CO₂ + 6H₂O + 38 ATP

Jika molekul yang digunakan sebagai substrat untuk dioksidasi adalah gula yaitu glukosa, maka prosesnya terdiri atas tiga tahap, yaitu glikolisis, dekarboksilasi oksidatif (siklus Krebs) dan fosforilasi oksidatif (transpor elektron).

G.               Mengenal tumbuhan berdasarkan tipr fotosintesis

1.      Tumbuhan C3

Tanaman C3 lebih adaptif pada kondisi kandungan CO2 atmosfer tinggi. Sebagian besar tanaman pertanian, seperti gandum, kentang, kedelai, kacang-kacangan, dan kapas merupakan tanaman dari kelompok C3.

Pada tanaman C3, enzim yang menyatukan CO2 dengan RuBP (RuBP merupakan substrat untuk pembentukan karbohidrat dalam proses fotosintesis) dalam proses awal assimilasi, juga dapat mengikat O2 pada saat yang bersamaan untuk proses fotorespirasi ( fotorespirasi adalah respirasi,proses pembongkaran karbohidrat untuk menghasilkan energi dan hasil samping, yang terjadi pada siang hari) . Jika konsentrasi CO2 di atmosfir ditingkatkan, hasil dari kompetisi antara CO2 dan O2 akan lebih menguntungkan CO2, sehingga fotorespirasi terhambat dan assimilasi akan bertambah besar.

2.      Tumbuhan C4

Tumbuhan C4 dan CAM lebih adaptif di daerah panas dan kering. Pada tanaman C4, CO2 diikat oleh PEP (enzympengikat CO2 pada tanaman C4) yang tidak dapat mengikat O2 sehingga tidak terjadi kompetisi antara CO2 dan O2. Lokasi terjadinya assosiasi awal ini adalah di sel-sel mesofil (sekelompok sel-sel yang mempunyai klorofil yang terletak di bawah sel-sel epidermis daun). CO2 yang sudah terikat oleh PEP kemudian ditransfer ke sel-sel “bundle sheath” (sekelompok sel-sel di sekitar xylem dan phloem) dimana kemudian pengikatan dengan RuBP terjadi. Karena tingginya konsentasi CO2 pada sel-sel bundle sheath ini, maka O2 tidak mendapat kesempatan untuk bereaksi dengan RuBP, sehingga fotorespirasi sangat kecil and G sangat rendah, PEP mempunyai daya ikat yang tinggi terhadap CO2, sehingga reaksi fotosintesis terhadap CO2 di bawah 100 m mol m-2 s-1 sangat tinggi. , laju assimilasi tanaman C4 hanya bertambah sedikit dengan meningkatnyaCO2. Sehingga, dengan meningkatnya CO2 di atmosfir, tanaman C3 akan lebih beruntung dari tanaman C4 dalam hal pemanfaatan CO2 yang berlebihan. Contoh tanaman C4 adalah jagung, sorgum dan tebu.

3.          Tumbuhan CAM

Tumbuhan C4 dan CAM lebih adaptif di daerah panas dan kering. Crassulacean acid metabolism ( CAM), tanaman ini mengambil CO2 pada malam hari, dan mengunakannya untuk fotosistensis pada siang harinya. Meski tidak mengularkan oksigen dimalam hari, namun dengan memakan CO2 yang beredar, tanaman ini sudah membantu kita semua menghirup udara bersih, lebih sehat, menyejukkan dan menyegarkan bumi, tempat tinggal dan ruangan. Jadi, cocok buat taruh di ruang tidur misalnya. Sayang, hanya sekitar 5% tanaman jenis ini. Tumbuhan CAM yang dapat mudah ditemukan adalah nanas, kaktus, dan bunga lili ( Kristanto, 2011).

H.        Keterkaitan Biokimia dengan Ilmu Lain

Kimia organik pertama kali dikenal dengan nama kimia zat alam, dan biokimia satu sama lain saling jalin menjalani tanpa terlihat adanya garis pembatasan yang tegas. Senyawa yang ternyata merupakan hasil samping metabolisme, misalnya pencernaan, pada hakekatnya telah lama diketahui orang dan sebenarnya adalah zat-zat organik. Senyawa organik yang dikenal sebagai karbohidrat dalam biokimia adalah sumber energi metabolisme, selain itu juga merupakan hasil  dari proses fotosintesis yang terjadi pada tumbuhan.

Meskipun biokimia yang pada hakekatnya merupakan spesialisasi dari kimia organik, namun dalam perkembangannya terdapat perbedaan yang tajam dalam penekanannya yaitu sebagai brikut:

1.         Kimia organik terutama mempelajari struktur, sifat-sifat, dan fisika secara sintesisnya baik secara alami atau rekayasa dari zat-zat kimia, bahan alam misalnya cara pembentukan dan peran biologisnya.

2.         Biokimia terutama menekankan pada proses metabolisme primer, yang terdiri dari anabolisme (Reaksi pembentukan) dan katabolisme (Reaksi pemecahan). Metabolisme primer yaitu keseluruhan proses sintesis dan perombakan zat-zat penyusun utama makhluk hidup seperti polisakarida, protein, lemak dan asam nukleat, yang dilakukan oleh organisme untuk kelangsungan hidupnya. Biokimia meliputi sebagian proses-proses kimia organik, bukan saja pada tumbuhan, melainkan juga pada hewan dan makhluk hidup lainnya.

3.         Biosintesa terutama mempelajari pembentukan molekul alam dari molekul lain yang rumit strukturnya yang merupakan ciri khas pada proses-proses anabolik dalam metabolisme.

I.                   Biokimia Dalam Mekanisme Resistensi OPT

Resistensi merupakan rintangan tunggal paling besar dalam keberhasilan pengendalian serangga, secara kimia dan bersifat diwariskan (diturunkan). Seringnya kontak antara serangga dengan insektisida yang digunakan untuk pengendaliannya dapat mengakibatkan terjadinya resistensi fisiologis ini. Secara biokimia proses terjadinya resistensi melalui tiga mekanisme dasar yang berperan antara lain :

1.        Penurunan penetrasi insektisida pada tempat aktif (saraf dan AChE),

2.        Peningkatan metabolisme insektisida dengan enzim esterase, mixed function oxidase, hidrolase, dan glutathione-s-transferase

3.        Perubahan sensitivitas tempat sasaran dalam tubuh serangga, berupa insensitivitas saraf dan insensitivitas enzim asetilkholin esterase.

Tinjauan Biokimia Terhadap Penyebab Bakteri Dapat Resisten

Resistensi adalah suatu sifat tidak terganggunya kehidupan sel mikroorganisme oleh antibiotika Resistensi atau kepekaan sebenarnya bukanlah sifat yang mutlak tetapi bisa juga perubahan pada penggunaan konsentrasi antibiotika. Sifat ini merupakan mekanisme yang alamiah untuk bertahan hidup. Sifat resistensi bakteri terhadap antibiotika yang terdapat pada gen maka dikenal dengan resistensi yang disebabkan non-genetik atau disebabkan genetik. Penyebab resistensi secara umum adalah sebagai berikut :

a. Resistensi kromosal

Bakteri sferoplas yang telah kehilangan dinding selnya maka akan resisten terhadap antibiotik yang merusak dinding sel seperti penisilin dan sefalosporin. Ini terjadi karena bakteri telah berubah strukturnya sehingga bakteri sebagai target antibiotik menjadi tidak cocok.

Contoh : Bakteri Streptococcus pneumoniae merubah struktur ribosomnya sehingga tidak dicocok lagi sebagai target antibiotik eritromisin

b. Resistensi ekstrakromosomal

Resistensi ekstrakromosomal sering disebut plasmid. Plasmid adalah molekul DNA yang bulat/ sirkuler. Ciri-ciri plasmid :

1.         Kira-kira memepunyai berat 1-3% dari kromosom bakteri

2.         Berada bebas dalam sitoplasma bakteri

3.         Adakalanya dapat bersatu ke dalam kromosom bakteri

4.         Dapat melakukan replikasi sendiri secara otonom

5.         Dapat pula berpindah atau dapat dipindahkan dari spesies ke spesies lain

Beberapa contoh dari plasmid adalah :

A.       Faktor R (Gen Resisten)à

Faktor R adalah satu golongan plasmid yang membawa gen-gen resisten terhadap satu atau lebih antibiotik. Gen dalam plasmid yang sering kali menyebabkan resistensi obat dengan memproduksi enzim-enzim yang dapat merusak daya kerja obat.

Contoh : Bakteri Staphylococcus aureus pada gennya mengandung faktor R yang terdapat gen untuk replikasi mengatur sintesis protein yang mengkode enzim enzim β-laktamase yang dapat merusak struktur β-laktam pada penisilin.

B.       Faktor F (Fili Sex)à

Bakteri Gram negatif umumunya memiliki fili pada struktur tubuhnya. Fili merupakan rambut pendek dan keras di sekililing bada sel bakteri Fili terdiri dari subunit-subunit protein. Terdapat dua jenis fili :

1.      Fili yang memegang peranan dalam adhesi kuman dengan tubuh hospes

2.      Fili seks, yaitu fili yang berfungsi dalam konjugasi 2 sel bakteri.Fili seks inilah yang berperan dalam konjugasi terhadap bakteri lain dan memberikan gen resisten pada suatu antibiotik.

Resistensi genetik yaitu suatu keadaan mikroorganisme yang semula peka terhadap suatu antibiotik pada suatu saat dapat berubah sifat genetiknya menjadi tidak peka atau memerlukan konsentrasi yang lebih besar. Perubahan ini karena gen bakteri mendapatkan elemen genetik yang terbawa sifat resistensi. Yaitu resistensi bakteri yang terjadi karena perubahan genetik meliputi kromosom maupun ekstra kromosom. Perubahan genetik dapat ditransfer atau dipindahkan dari satu spesies bakteri ke spesies lainnya melalui berbagai mekanisme. Resistensi non-genetik adalah suatu keadaan bakteri pada stadium istirahat, sehingga bakteri tidak peka terhadap antibiotik. Atau dengan kata lain, antibiotik yang bekerja untuk membunuh bakteri pada saat aktif pembelahan maka populasi bakteri yang tidak berada pada fase pembelahan akan relatif resisten terhadap antibiotik tersebut. Resistensi non-genetik umumnya terjadi karena perubahan pada pertahanan tubuh bakteri itu sendiri atau perubahan struktur bakteri sehingga tidak sesuai lagi sebagai target antibiotik (Kurnia, 2012).

BAB III

PENUTUP

Biokimia merupakan ilmu yang mempelaajari tentang reaksi-reaksi atau interaksi molekul yang terjadi dalam sel hidup. Sejarah kebangkitan biokimia diawali dengan penemuan pertama molekul enzim, diastase, pada tahun 1833 oleh Anselme Payen  hingga dibuktikannya urease oleh J. B Summer pada tahun 1926 bahwa enzim mempunyai struktur kompleks dan dapat dipelajari.

Biokimia sangat berperan dalam pelestarian lingkungan maupun peningkatan hasil pertanian. Dalam hal ini biokimia berperan dalam meneliti mekanisme kerja pestisida sehingga dapat meningkatkan selektivitasnya. Dengan demikian, dapat dicegah dampak negatif terhadap lingkungan hidup yang dapat ditimbulkannya.

Pada tumbuhan terjadi metabolisme yaitu proses anabolisme dan katabolisme. Anabolisme contohnya fotosintesis, di mana glukosa terbentuk dari reaksi antara CO₂ dan H₂O dengan bantuan klorofil dan cahaya matahari. Sedangkan katabolisme contohnya respirasi, di mana terjadi proses penguraian glukosa menjadi CO₂ dan H₂O.

Meskipun biokimia yang pada hakekatnya merupakan spesialisasi dari kimia organik, namun dalam perkembangannya terdapat perbedaannya yang tajam dalam penekanannya yaitu sebagai brikut :

1.        Biokimia organik

2.        Biokimia terutama menekankan pada proses metabolisme primer

3.        Biosintesa

Resistensi merupakan rintangan tunggal paling besar dalam keberhasilan pengendalian serangga, secara kimia dan bersifat diwariskan (diturunkan). Seringnya kontak antara serangga dengan insektisida yang digunakan untuk pengendaliannya dapat mengakibatkan terjadinya resistensi fisiologis ini. Secara biokimia proses terjadinya resistensi melalui tiga mekanisme dasar yang berperan antara lain :

1.        Penurunan penetrasi insektisida pada tempat aktif (saraf dan AChE),

2.        Peningkatan metabolisme insektisida dengan enzim esterase, mixed function oxidase, hidrolase, dan glutathione-s-transferase

3.        Perubahan sensitivitas tempat sasaran dalam tubuh serangga, berupa insensitivitas saraf dan insensitivitas enzim asetilkholin esterase.