BIOSINTESIS MAKROMOLEKUL DAN REGULASI
Tujuan Tnstruksional dan kompetensi: Memberi pengetahuan dasar tentang arti penting reaksi biokimia yang terlibat di dalam biosintesis makromolekul dan bagaimana pengaturannya kepada mahasiswa, sehingga setelah selesai mengikuti kuliah ini mahasiswa mampu menjelaskan hubungan reaksi biokimia yang terjadi di dalam sel dengan produk yang dihasilkan sesuai dengan materi kuliah. Arti penting dan Mekanisme Sintesis Protein Sintesis protein merupakan pusat proses fisiologi yang terjadi di dalam sel mikrobia. Proses ini mempunyai arti penting yang perlu difahami, karena proses tersebut tidak hanya berlangsung pada jasad selular tetapi juga terjadi pada jasad nonselular (virus). Virus dapat mengalihkan fungsi normal sel yang diinfeksinya. Sintesis protein mempunyai arti penting, karena protein 1. sering dipakai sebagai berat sel 2. memperantarai semua aspek fisiologi selular 3. sebagal penghasil tenaga 4. Pembentuk bahan penyusun sel (building block) 5. Pembentuk makromolekul 6. Pembentukan struktur 7. Dapat disintesis melalui serangkaian lintasan yang unik Untuk mempelajari fisiologi mikrobia maka proses sintesis protein merupakan pengetahuan dasar yang harus difahami. Hampir 50% berat kering masa sel mikrobia terdiri dari protein dan karbohidrat yang merupakan suatu polimer. Pada sel mikrobia polimer diperlukan untuk berbagal fungsi. DNA berperan sebagai molekul penyimpan informasi Peptidoglikan (bakteri), selulosa, mannan, glukan dan khitin (algae dan fungi) sebagai struktur yang berperan untuk kekuatan mekanis dan resistensi terhadap tekanan osmose Glikogen, poli- -hidroksibutirat dan politbsfat berperan sebagai polimer cadangan Beberapa protein berfungsi: • Di dalam ribosom sebagai struktur
• Pada membran sitoplasma bakteri gram negatif sebagai komponen struktural • Ensim dengan aktivitas katalitik. • Dalam transport molekul melewati membran sitoplasma • Untuk gerakan internal atau lokomosi Protein merupakan polimer yang terdiri dan asam amino: • Asam amino mempunyai kerangkai rantai C pendek yang membawa gugus amino (-NT-i2) dan gugus karboksilat • Asam amino (meliputi 20 macam) dapat bergabung membentuk rantai melalui reaksi sintesis dehidrasi. Gabungan asam amino membentuk ikatan kovalen disebut ikatan peptida. Protein adalah polipeptida; • Urutan asam amino yang spesifik dikontrol oleh informasi genetik (DNA) • Hubungan asam amino dengan urutan yang spesifik diatur oleh gen Berjuta macam protein berdasarkan fungsinya di dalam sel di bagi menjadi • penting untuk mempertahankan bentuk sel, protein struktural • penting untuk mengatur atau membantu menentukan aktivitas yang dilakukan di dalam sel, protein regulator (ensim, hormon) • Keanekaragaman fungsi protein dapat digambarkan pada peran RNA, khususnya mRNA (sebagai perantara), tRNA (sebagai adaptor) dan rRNA (sebagai pemilin) di dalam sintesis protein. Pada kuliah ini ditekankan pada polimer (asam nukleat, protein, dan polisakanida) yang terlibat langsung di dalam penyimpanan dan ekspresi informasi genetik di dalam sel, karena: polimer tersebut mempunyai arti penting bagi sel sintesis polimer tersebut merupakan pengetahuan dasar untuk dapat memanipulasi genetik mikrobia dengan tujuan komersial. Polisakanida sebagai polimer selubung sel dan antigen permukaan sel mempunyai nilai ekonomi tinggi di bidang kesehatan. contoh: kapsula Huemophilus influezue mengandung dekstran dan xanthan. Keanekaragaman polimer menunjukkan mekanisme sintesis yang bermacam-macam, mengingat: 1. Sintesis makromolekul merupakan reaksi kimia yang endergonik 2. Memerlukan mekanisme inisiasi polimerisasi 3. Setelah diinisiasi, polimer perlu pemanjangan dengan penambahan sub unit 4. Memerlukan mekanisme menghentikan proses
5. Memerlukan template untuk menentukan urutan atau susunan monomer yang tepat. Karakteristik lain pada polimer mikrobia adalab mudah pecah atau juga mudah disintesis. Pertumbuhan mikrobia memerlukan mekanisme untuk mengendalikan dinding sel lisis dan yang memungkinkan untuk mengganti yang baru. Biosintesis mikromolekul (monomer) Senyawa mikromolekul (monomer) yang disintesis oleh mikrobia meliputi asam amino, asam lemak, monosakarida, purin, pirimidin dan lain sebagainya. Mikromolekul atau monomer sangat diperlukan untuk biosintesis makromolekul. Semua proses biosintesis tergantung pada ketersediaan tenaga dan hasil antara dan proses katabolik. Monomer sebagai bahan penyusun (building block) makromolekul Building block atau hasil antara diperlukan untuk biosintesis protein, asam nukleat dan lemak polisakarida serta senyawa organik penyusun protoplasma (gambar 5.1). Biosistesis asam amino Asam amino diperlukan untuk biosintesis protein. Beberapa mikrobia, khususnya Escherichia coli, memiliki ensim yang diperlukan untuk menggunakan suatu substansi (glukosa dan garam anorganik) untuk mensintesis semua asam amino yang diperlukan. Asam amino meliputi 20 macam. Dengan menggunakan 20 macam amino yang berbeda sebagai building block, protein dapat diproduksi dengan berjuta-juta kombinasi. Tipe protein yang dibentuknya ditentukan oleh urutan macam asam amino.(Gambar 5.2) Mikrobia dengan ensim yang dimiliki dapat mensintesis semua asam amino langsung atau tidak langsung dan hasil antara metabolisme karbohidrat (Gambar 5.1).
Gambar 5.1 Sintesa Monomer Mikrobia yang lain mendapatkan asam amino dan lingkungan •
Asam amino yang diperlukan bervariasi dan dikelompokkan menjadi 6 golongan yang berperan sebagai prekursor (Tabel 5.1)
•
Sumber prekursor untuk asam amino adalah Daur TCA.
Kelompok asam amino piruvat: alanin disintesis dan piruvat ditransaminasi dengan glutamat sebagai donor dan terbentuk pula -ketoglutarat. ketoglutarat.
Tabel abel 5.1 Famili sintesis asam amino Famili Asam amino aromatik
Prekursor Eiythrosa-4 Eiythrosa fosfat Triptofan dan piosphoeno1 Piruvat Piruvat
Piruvat Glutamat Aspartat Serin
-keto keto glutamat Oksaloasetat 3 - fosfogliserat
Triptofan Tirosin Fenilalanin Alanin Valin Isoleusin Glutamat
Asam Amino
Glutamin Prolin Arginin Lisin (fu (fungi) Lisin (bakteri) Methionin Isoleusin Sistein Glisin
Aspartat Threonin Serin
Gambar 5.2. Pola biosintesis 20 asam amino Valin dibuat oleh mikrobia melalui serangkaian reaksi yang berbeda. Proses diawali dengan terjadinya kondensasi dua molekul piruvat, dengan melepaskan C02, membentuk asam
-asetolaktat. asetolaktat.
-asetolaktat asetolaktat direduksi NADK menghasilkan
hidroksi-isovalerat erat yang kemudian dideh didehidrasi menjadi
-ketovalerat. ketovalerat. Setelah
-
ketovalerat ditransaminasi dengan glutamat menjadi valin. Histidin disintesis diawali dengan reaksi fosforibosil-1-pirofosfat fosforibosil pirofosfat (PRPP) dengan ATP. • Pirofosfat lepas dan struktur cincin adenin menempel pada pa ribosa, menghasilkan mengh N1-5’-Fosforibosil-formimino formimino-5-amino-imidazol karboksamda
• N1-(5’-Fosforibosil-formimino-5-amino-imidazol karboksamida) bereaksi dengan glutamin menggantikan ribosa-5- yang mengikat cincin adenin dan menghasilkan imidazolegliserol. • Cincin imidazolegliserol didehidrasi menjadi bentuk imidazolelasetol fosfat • Transaminasi dengan glutamat menjadi histidinol fosfat. • Hidrasi histidinol fosfat menghasilkan histidinol yang kemudian dioksidasi melaui NAD menjadi histidinal yang akhirnya menjadi L-histidin. Contoh: Escherichia coli mampu mensintesis prolin dengan asam glutamat sebagai reaktan awal. Secara umum proses sintesis: • diawali dengan mereduksi gugus asam (-COOH) menjadi gugus aldehid (-CHO) yang memerlukan dua elektron dan NADPH2 dan ATP. • Gugus aldehid tersebut secara spontan bereaksi dengan gugus amina (-NH2) pada molekul yang sama, lalu terjadi reduksi cincin untuk membentuk prolin
Biosintesis Protein Dari sudut pandang fisiologi mikrobia, bahwa sintesis protein merupakan proses yang multi komponen, yaitu terdiri dari:beberapa perspektif, berdasarkan komponen penyusunya, transkripsi translasi Transkripsi : merupakan proses penyampaian pesan untuk protein yang dibuat. sangat essensial untuk sintesis protein. Meskipun terjadi pada genom, transkripsi mendikte sifat dan urutan asam amino yang saling terikat membentuk protein menyediakan molekul tRNA. tRNA berperan untuk mengenali asam amino yang telah teraktivasi dan menambahkannya menjadi rantai polipeptida. Menyediakan rRNA dan partikel ribosom. Berdasarkan interaksi antara genom, ribosom dan area lain pada sel, sintesis protein: merupakan contoh proses multikomponen yyang ang melibatkan berbagai komponen yang terkoordinasi fungsinya. Sangat tergantung pada ribosom Merupakan suatu mekanisme ekspresi genetk, karena dengan terbentuknya protein yang mengekspresikan potensi kemampuan set.
Gambar 5.2. Struktur polipeptida pol (protein)
Formasi pesan Sintesis mRNA melalui transkripsi. Pada bakteri, sintesis mRNA tergantung pada ensim polimerase RNA, yang mengandung lima sub unit Masing-masing molekul polimerase mengandung 2 subunit fungsinya; isubunit
, yang belum jelas
yang membuat ikatan fosfodiester; dan
’ yang berfungsi
mengikat template DNA; dan sigma yang berfungsi untuk mengenali sisi promoter, sepanjang DNA dimana polimerase berada. Bagaimana informasi yang dibawa oleh DNA dapat digunakan untuk sintesis protein yang mengontrol aktivitas sel? Proses tersebut melibatkan transkripsi, informasi genetik dalam DNA ditranskripkan kedalam urutan base yang komplementer pada RNA. Kemudian sel menggunakan informasi yang disandikan oleh RNA untuk mensintesis protein spesifik melalui proses translasi. Sintesis protein disebut translasi, karena menterjemahkan bahasa asam nukleat dan mengkonversikannya menjadi bahasa protein. Contoh: Untai DNA dengan kode 5’....- A – A – A – T – G – A – G – C – A - .. Transkrip mRNA Protein
……- U – U – U – A – C – U – C – G – U - Phe ------------Thr --------- Arg-------
Minimal tiga base diperlukan untuk menyandi 20 asam amino. Tiga kode tersebut dinamakan triplet atau kodon, yang menyandi asam amino tertentu. Ada 3 kodon terminasi, yaitu yang bertanggung jawab untuk menghentikan pembentukan rantai protein setelah mencapai panjang tertentu, yaitu UGA, UAG, UAA. Namun demikian kodon tersebut belum tentu sebagai kodon terminator. UGA tidak berperan sebagai kodon terminasi untuk genom mitokondria khamir, tetapi sebagai kodon trptofan UAA dan UAG menyandi untuk glutamin atau glutamat pada Paramaecium dan
Tetrahymena. UGA pada Mycoplasma menyandi untuk triptofan, sedangkan UAA sebagai kodon terminator.
Urutan DNA: tidak langsung ditranslasikan ke dalam urutan protein, tetapi secara tidak langsung melalui mRNA. ditranskripsikan pada mRNA sebagai cetakan (template) Beberapa alasan mengapa keberadaan perantara sangat vital di dalam sintesis protein, 1. Masing-masing gen dapat ditranskripsikan beberapa kali sehingga terjadi amplifikasi 2. Kontrol kecepatan sintesis protein tertentu dapat berlangsung 3. Degradasi mRNA juga merupakan bagian pengendalian 4. Pada mikrobia eukariotik, perantara sangat diperlukan, karena DNA terdapat di dalam nukleus sedangkan mesin translasi berada di dalam sitoplasma Seperti halnya sintesis polimer yang lain, sintesis protein memerlukan aktivasi prekursor. Masing-masing asam amino diaktivasi melalui dua langkah proses ensimatik: • memerlukan tenaga • memerlukan molekul tRNA spesifik Proses translasi keseluruhan adalah menghasilkan protein dengan menggunakan mRNA sebagai sumber informasi biologi, meliputi serangkaian langkah: 1. Perakitan komponen yang diperlukan translasi: 2 sub unit ribosom, tRNA dengan anti kodon UAC, dan molekul mRNA yang akan ditranslasi serta protein lain 2. Pada ribosom yang telah menyatu, tRNA (UAC) membawa asam amino pertama (metionin) yang berpasangan dengan kodon awal (AUG) pada mRNA 3. tRNA mengenali kodon kedua, bergerak masuk ke ribosom, asam amino pertama ditransfer ribosom 4. Ribosom merangkai dua asam amino dengan ikatan peptida, tRNA pertama meninggalkan ribosom 5. Ribosom kemudian bergerak sepanjang mRNA sampai ke kodon berikutnya 6. Asam amino dirangkai satu per satu sampai terbentuk rantai polipeptida 7. Translasi berhenti setelah anti kodon sampai mRNA 8. Ribosom sampai kodon tersebut, terpisah kembali menjadi dua unit, kemudian mRNA dan polipeptida baru lepas.
Translasi meliputi serangkaian proses 1. Insiasi: • Pada bakteri inisiasi terjadi dengan kodon spesifik AUG atau kadang-kadang GUG pada mRNA (urutan Shine-Dalgarno) • Kodon inisiasi pada bakteri: dua metionil-tRNA, salah satunya adalah tRNAMet sebagai metionin dan methionil tersebut kemudian diformilasi dengan N dan bergabung menjadi ujung -NH2. Methioni tRNA yang lain adalah berperan sebagai kodon internal pada gen struktural • Pada mikrobia eukariotik sangat berbeda, terjadi langsung di dalam ribosom dan tidak mempunyai rantai Shine Dalgarno. 2. Pemanjangan rantai polipeptida • Ribosom mempunyai dua sisi untuk mengikat aminoasil tRNA; yaitu peptida atau donor (P); dan sisi penerima (A). • Pada akhir inisiasi, N-formilatedmethionil tRNA menempati sisi P dilkuti dengan tiga tahap -
Mengikat aminoasil tRNA oleh kodon berikutnya pada sisisA, yang melibatkan faktor pemanjang protein dan hidrolisis GTP.
-
Transfer gugus peptidil dan tRNA di sisi P membentuk ikatan peptida dengan aminoasil tRNA di sisi A dan dikatalisis oleh suatu protein dan sub unit yang besar. tRNA kemudian lepas dan sisi P.
• Translokasi peptidil tRNA yang diperpanjang dan sisi A ke P sehingga memungkinkan urutan lain mengikuti. Tahap ini melibatkan protein khusus (GTP). 3. Terminasi • Pemanjangan polipeptida terhenti setelah sampai pada kodon terminator (UAG, UAA, UGA) pada Mrna. 4. Modifikasi protein. Selama sintesis, polipeptida melipat menjadi konfigurasi fungsional tertentu (Gambar 5.3). Pada saat itu sering terjadi secara spontan menjadi termodinamik. Mikrobia dapat melakukan adaptasi dengan cepat terhadap perubahan lingkungan, terutama pada saat kelaparan. Sel memecah beberapa komplemen protein untuk mendapatkan asam ammo yang akan digunakan untuk mensintesis ensim baru, untuk mendapatkan substrat alternatif, mendapatkan tenaga melalui metabolisme asam amino. Proses ini disebut protein turnover. Pada bakteri, degradasi protein jarang terjadi pada fase pertumbuhan eksponensial. Hanya
beberapa macam protein yang dapat didegradasi, yaitu protease. ,Pada mikrobia eukariota, selama pertumbuhan vegetatif sering teiadi protein turnover, dan protese mempunyai peran penting dalam fisiologi sel, karena mutasi mempengaruhi aktivitas protease yang dapat menggagalakan sporulasi. Regulasi ekspresi gen pada bakteri Sel mikrobia khususnya bakteri melangsungkan beberapa reaksi metabolik, sehingga sel berfungsi sebagai mesin genetik dan mesin metabolik. Semua reaksi biokimia di katalisis oleh ensim. Beberapa mekanisme pengaturan reaksi biokimia, antara lain: 1. Hambatan umpan balik menghentikan sel dan reaksi kimia yang tidak diperlukan 2. Repressi dan induksi Mengatur transkripsi mRNA dan sintesis protein Mekanisme yang mengontrol pembentukan dan jumlah ensim di dalam sel, dan bukan untuk aktivitas ensim 3. Represi: menghambat ekspresi gen dan menurunkan sintesis protein merupakan respon terhadap hasil akhir metabolisme yang berlebihan yang menyebabkan penurunan kecepatan sintesis protein. Diperantarai oleh protein regulator disebut repressor yang mampu memblokade kemampuan polimerase RNA pada inisiasi transkripsi dan gen repressed. 4. Induksi: Proses yang menghidupkan kembali transkripsi gen. Substansi yang dapat menginduksi transkripsi gen disebut induser dan ensim yang dihasilkan disebut ensim indusibel Contoh: Escherichia coli memerlukan gen yang menghasilkan ensim
untuk
metabolisme laktosa. Gen tersebut menyandi -galaktosidase. Laktosa dikonversikan di dalam sel menjadi senyawa allolaktosa, sebagai induser untuk gen tersebut.
Ringkasan 1.
Asam amino dibutuhkan untuk biosintesis protein.
2.
Semua asam amino dapat disintesis baik secara langsung maupun tidak Iangsung dan hasil antara metabolisme karbohidrat dan dari daur TCA.
3.
Selama transkripsi, polimerase RNA mensintesis rantai RNA dan untaian DNA sebagai template
4.
Titik awal transkripsi, dimana polimerase RNA mengikat pada ujung DNA, promoter, bagian ujung transkripsi disebut terminator
5.
Translasi adalah proses sintesis protein, proses dimana informasi dan urutan base N pada mRNA digunakan untuk diterjemahkan menjadi urutan asam amino suatu protein
6.
MRNA bergabung dengan ribosom yang terdiri dan rRNA dan protein.
7.
Kode genetik adalah sandi atau kode untuk asam amino yang terdiri dari kodon.
8.
Kodon inisiasi sintesis protein AUG, kodon untuk metionin
9.
Ribosom bergerak sepanjang rantai mRNA untuk merangkai asam amino yang terbentuk membentuk polipeptida yang tumbuh memanjang, mRNA membaca dan arah 5’ ke 3’
10. Translasi berhenti ketika ribosom mencapai kodon penghenti di mRNA. Pada prokariota translasi dapat berlangsung sebelum transkripsi selesai 11. Regulasi sintesis protein pada tingkat gen merupakan efisien tenaga, karena protein disintesis bila diperlukan. 12. Beberapa mekanisme regulasi sintesis protein: penghambatan umpan balik, repressi dan induksi. 13. Repressi mengontrol sintesis satu atau beberapa ensim. Induksi menginduksi sintesis protein dengan menambahkan substrat tertentu. Latihan soal 1.
Jelaskan mekanisme sintesis asam amino?
2.
Apa arti pentingnya sintesis protein dikaitkan dengan fisiologi mikrobia
3.
Buatlah deskripsi singkat tentang komponen yang terlibat di dalam sintesis protein!
4.
Apa yang anda ketahui dengan transkripsi dan translasi?
5.
Deskripsikan tentang translasi termasuk istilah berikut ini beserta hubungannya dengan translasi.
