Pendahuluan GENETIKA suatu proses hereditas dan variasi, merupakan titik awal dari semua macam alur , fungsi dan struktur selular. APA YG DIPELAJARI DALAM GENETIKA ? Kemampuan suatu mikroorganisme untuk memelihara viabilitas, beradaptasi, bermultiplikasi, dan menyebabkan penyakit
Pendahuluan ASPEK BESAR YG DIPELAJARI DALAM GENETIKA MIKROBA : struktur dan organisasi dari material genetik replikasi dan ekspresi dari informasi genetik mekanisme dimana informasi genetik mengalami perubahan.
Struktur & Organisasi Asam Nukleat Informasi herediter diberikan oleh asam nukleat deoxyribonucleic acid (DNA) & ribonucleic acid (RNA) Nukleotida tdd : gula (pentosa = deoksiribosa), basa, gugus fosfat Nukleotida terikat satu sama lain melalui ikatan fosfodiester DNA polimer linier panjang yg tdd nukleotida Komponen basanya : basa purin (adenin = A, guanin = G) & basa pirimidin (cytosin = C, timin = T), diikat oleh ikatan hidrogen pada bagian tengah molekul Tulang punggung (backbone) molekul DNA tdd : gugus fosfat dan gula yang letaknya bergantian, dan satu basa yang melekat pada molekul gula
Struktur DNA Molekul DNA biasanya untai ganda (double helix), di setiap untainya mempunyai terminus hidroksil 5 ‘ dan 3 ‘ Dua untai berjalan anti pararel terminus 5 ‘ berlawanan dengan terminus 3 ‘ pada untai yang lain Basa adenin selalu berikatan melalui dua ikatan hidrogen dengan basa timin pada untai yang lain Basa guanin selalu berikatan dengan tiga ikatan hidrogen dengan basa cytosin pada untai yang lain DNA mempunyai struktur unik yang disebut “tangga berpilin” (twisted ladder)
Struktur RNA RNA jarang berbentuk untai ganda Tipe RNA yang berperan penting dalam ekspresi gen : mRNA (messenger RNA) tRNA (transfer RNA) rRNA (ribosomal RNA)
Struktur DNA
Struktur molekuler asam nukleat (DNA & RNA )
Gen & Kode Genetik GEN Urutan DNA yang memberikan kode untuk produk spesifik (RNA atau protein) GENOM Keseluruhan gen pada suatu organisme Ukuran gen : dinyatakan dalam base pairs (bp) ; kilobase & megabases
Kromosom Kromosom organisasi dari suatu genom Sel eukariotik diploid : sepasang pada setiap kromosom shg mempunyai dua copy pada setiap gen (satu copy : gen (alel) sbg protein (dominan), copy lain tidak diekspresikan (resesif) Pada sel haploid (sel prokariot) kromosom tunggal & tidak berpasangan
Elemen Non Kromosomal Unik pd bakteri, terdapat gen di luar kromosom plasmid dan transposable elements Plasmid DNA double stranded kecil, sirkular, 1-2 kb - 1 megabase. banyak pd bakteri, yeast dan jamur. Jumlah plasmid macam-macam Gen pd plasmid mengkode transfer antara selsel bakteri, komponen resistensi terhadap antibiotika tertentu
Konjugasi : Transfer Gen Kromosom / Plasmid
Elemen Non Kromosomal Transposable elements (TE) DNA yang dapat jump (transpose) dari satu situs molekul DNA ke situs lain di dalam suatu sel insertion sequences jumping genes yg plg kecil & plg sederhana Transposon lebih besar & kompleks, mengkode gen yg multipel
Transposisi : Insertion sequences &
transposon
Aliran Informasi Genetik
Replikasi & Ekspresi dlm Informasi Genetik REPLIKASI 1 molekul DNA untai ganda menghasilkan 2 molekul DNA (1 untai lama & 1 untai baru) Pelepasan ikatan / relaksasi supercoiled kromosom Pemisahan kedua untai dari DNA induk masingmasing untai sbg templat untuk sintesis DNA baru Sintesis untai DNA baru Akhir / terminasi replikasi dengan pelepasan dua kromosom identik,masing-masing membawa untai baru untuk sel anak
Replikasi Bagian dimana proses replikasi dimulai ori (origin of replication) Bagian yang aktif bereplikasi garpu replikasi, bergerak dgn arah berlawanan (directional) dgn arah 5’ ke 3 ‘ Kofaktor & enzim : DNA polimerase, ligase dll
Replikasi
Replikasi Sintesis untai DNA baru hanya dari arah 5 ‘ ke 3’, tetapi DNA anti pararel 1 kali sintesis primer , dilanjutkan polimerisasi DNA leading strand Sintesis primer berkalikali, polimerisasi DNA shg dihasilkan fragmen DNA (Fragmen Okazaki) yg akan disambungkan oleh enzim ligase lagging
strand
Replikasi
Ekspresi Informasi Genetik Ekspresi gen proses mengkode informasi pada elemen genetik (kromosom, plasmid, transposon) menghasilkan produk biokimia Proses ini dibentuk oleh transkripsi dan translasi
Transkripsi Transkripsi merubah urutan basa DNA pada gen (kode genetik) ke molekul RNA messenger (mRNA) yang komplementer dengan urutan DNA RNA polimerase enzim untuk mengkatalisis proses transkripsi RNA polimerase bersama-sama dengan faktor sigma (holoenzim) berjalan sepanjang molekul DNA sampai menemukan lokasi awal transkripsi Fungsi faktor sigma membantu RNA polimerase untuk mengenali suatu urutan tertentu pada molekul DNA yang menandai tempat awal transkripsi yang dikenal sebagai promoter Inisiasi transkripsi faktor sigma terlepas dari RNA polimerase transkripsi berlangsung terus sampai mencapai suatu daerah pada akhir gen (terminator)
Transkripsi
Transkripsi pada Eukariot
Translasi Proses translasi berlangsung di ribosom, proses sintesis protein berdasarkan informasi pada mRNA Ribosom tdd 2 subunit, yaitu subunit besar (large subunit) dan subunit kecil (small subunit) Ribosom prokariot terdiri atas subunit 30S dan 50S Ribosom eukariot terdiri dari subunit 40S dan 60S
Translasi
Inisiasi, elongasi, dan terminasi Inisiasi komponen prokariot : kodon inisiasi (AUG), formylmethionine tRNA (fMET-tRNA), subunit 30S dan 50S, dan GTP . tRNA inisiator yang membawa anti kodon CAU akan menempati situs P pada ribosom Elongasi tRNA kedua membawa anti kodon untuk kodon kedua memasuki situs A pada ribosom Asam amino yang dibawa oleh tRNA kedua membentuk ikatan peptida dengan asam amino pertama tRNA bertranslokasi dari situs A ke situs P, lalu dilepaskan melalui situs E situs A kosong situs A terisi kodon untuk asam amino berikutnya dst Terminasi Akhir proses elongasi, dicapainya suatu kodon (UAG, UAA, UGA) yang tidak dikenali oleh anti kodon yang dibawa oleh tRNA sinyal penghentian translasi Kedua subunit ribosom akan berdisosiasi polipeptida dibebaskan dari tRNAnya
Translasi
Translasi
Translasi
Dogma Sentral Mula2 oleh Crick (1957) : Informasi genetik yg dibawa DNA (kode genetik) ditranskripsikan ke “bahasa” RNA mRNA + Ribosom translasi protein Amandemen Dogma Sentral Tidak 1 arah : Virus : Info genetik pd RNA konversi ke DNA oleh enzim reverse transcriptase. Contoh pd retrovirus yg tdd Human T-lymphotropic virus (HTLV) dan Human immunodeficiency virus type 1 & 2 (HIV 1-2) Transposable genetic elements Eukariot dikenal Splicing RNA : pd mRNA dikenal exon (mengkode protein) dan intron (tidak mengkode protein)
Perubahan Genetik Eukariot reproduksi seksual yang menyebabkan pencampuran genom pada perubahan genetik Prokariot (Bakteri) Multiplikasi dg pembelahan sel sederhana (setiap sel anak menerima seluruh komplemen genetik yang identik dengan sel induk) shg tidak dpt tjd pencampuran Bakteri sejak dulu selalu melakukan evolusi Mekanisme : mutasi, genetika rekombinan, & pergantian gen antara bakteri dengan atau tanpa proses rekombinasi.
Mutasi Mutan : organisme yang berbeda secara genetik dari tipe yang sering ditemukan di alam (wild type). Urutan dapat berbeda pd genotipenya (urutan DNA) atau fenotipe Mutasi dapat terjadi secara spontan Tipe mutasi : Wild Type GAA GGU UAC AUU ACU Glu gly tyr ile thr - Subtitusi basa GAA GGU AAC AUU ACU Glu gly asp ile thr U mjd A mengkode tirosin menjadi aspargin - Delesi GAA GGU *ACA UUA CU Glu gly thr leu Satu dari U delesi selanjutnya
perubahan pada asam amino yang dikode
Mutasi - Insersi A insersi
- Duplikasi
GAA GGU AUA CAU UAC U Glu gly lie his tyr perubahan urutan asam amino yang dikode selanjutnya GAA GGU GGU GGU UAC Glu gly gly gly tyr
Kodon GGU mengalami duplikasi tiga kali. - Perubahan pada GAA GGU UAA AUU ACU Kodon terminasi glu gly (kodon terminasi) Perubahan pada C pada kodon UAC akan merubah kodon terminasi menjadi pada kodon UAA. Sintesis peptide akan berhenti pada bagian ini
Pertukaran atau Transfer Gen
TRANSFORMASI Sel resipien mengambil DNA bebas yang dilepaskan ke lingkungan ketika sel bakteri lain (donor) mati dan mengalami lisis DNA bebas terdapat dalam bentuk fragmen akan diambil oleh bakteri tertentu transformasi Genus Haemophiluus, Streptococcus, dan
Neisseria
DNA donor (untai tunggal) memasuki sel resipien rekombinan dengan DNA resipien homolog Berperan penting resistensi antibiotika
TRANSDUKSI DNA dari dua bakteri masuk ke dalam sel bersama-sama untuk berekombinasi. Dimediasi oleh bakteriofaga Virus mengandung DNA nya sendiri dan bagian DNA bakteri donor
Transduksi oleh Bakteriofaga
KONYUGASI Terjadi antara dua sel hidup, melibatkan kontak sel dengan sel,dan membutuhkan mobilisasi dari kromosom bakteri donor Kontak E coli dimediasi oleh pilus sex Pilus sex berasal dari donor dan membentuk jembatan konyugasi untuk transfer DNA dari sel donor ke sel resipien mobilisasi kromosom Satu untai DNA baru dihasilkan oleh donor berpindah ke resipien
Sex pilus E coli antara donor dan resipien
Konyugasi pada E.coli
Metode Diagnostik Molekuler Untuk Identifikasi Mikroba dapat dilakukan melalui metode konvensional & molekuler Untuk meningkatkan sensitivitas & spesifisitas dipakai metode amplifikasi asam nukleat yang tidak membutuhkan multiplikasi organisme ybs paling banyak digunakan POLYMERASE CHAIN REACTION (PCR)
PCR • Mengkombinasikan prinsip hibridisasi asam
•
nukleat yang komplementer dengan replikasi asam nukleat yang diaplikasikan melalui sejumlah siklus Copy tunggal dari asam nukleat target dilipatgandakan menjadi 10 pangkat 7 atau lebih copy di dalam periode yang relatif pendek
PCR • PCR mempunyai 30 sampai 50 siklus berulang, setiap siklus tdd : • denaturasi asam nukleat target • primer annealing dengan asam nukleat target untai tunggal • pemanjangan (extension) dari pasangan primer-target
Thermalcycler
PCR
Aplikasi Rekayasa Genetika Aplikasi Industri Aplikasi Agrikultural Aplikasi Terapeutik Produksi hormon insulin untuk penanganan penyakit DM melalui teknologi DNA rekombinan (dipakai bakteri E.coli sbg vektor), hemofili, kanker Aplikasi keilmuan Identifikasi mikroba, Human Genome Project
Genetic
Mic r o b i a l
Genetika Mikroba, WHY?? Genetika adalah dasar dari ekpresi dari suatu ciri makhluk hidup. Jika metabolisme ~ dasar dari kehidupan, dan gen mengkode enzim-enzim yang berperan dalam metabolisme MAKA: gene ~ basis dari suatu kehidupan. APW/MD/Ajar 8 Gen Mikroba/2011
Genetic
Mic r o b i a l
Hubungan DNA dan Kehidupan Digital life information on DNA Digital music information on CD
play
transcription
or play
RNA
CD player
ribosome
translation protein
sound waves
Ear and brain
music
Development and metabolism
life APW/MD/Ajar 8 Gen Mikroba/2011
Genetic
Mic r o b i a l
MIKROBA
Material Genetik Genom: Keseluruhan materi genetik di dalam organisma Kromosom : Struktur yang mengandung DNA Gene : Unit fungsional dari DNA yang dapat diekspresikan Bakteri mempunyai DNA berbentuk sirkular tertutup (plasmid) APW/MD/Ajar 8 Gen Mikroba/2011
Genetic
Mic r o b i a l
KROMOSOM
APW/MD/Ajar 8 Gen Mikroba/2011
Genetic
Mic r o b i a l
KROMOSOM B a k t e r i
Panjang kromosom E. coli = 1.7 mm Panjang sel E. coli = 2 μm DNA adalah supercoiled (topoisomerase)
APW/MD/Ajar 8 Gen Mikroba/2011
Genetic DNA
Mic r o b i a l
Material Genetik DNA= deoxyribonucleic acid
RNA
Asam Nukleat RNA= ribonucleic acid
Semua organisma mempunyai DNA dan RNA Semua organisma menggunakan nukleotida yang sama DNA semua organisma dapat bereplikasi, bertranskripsi dan Bertranslasi APW/MD/Ajar 8 Gen Mikroba/2011
Genetic
Microbial Building Block
Asam Nukleat
5’ end
5’C
O
Nukleosida
Polinukleotida
3’C
O
Gugus Fosfat
Gugus Basa Nitrogen
O
5’C
O
Gugus Pentosa
3’C OH
3’ end
Nukleotida
Asam nukleat akan membentuk polimer (molekul yang tersusun dari pengulangan unit nukloetida – poli nukleotida) APW/MD/Ajar 8 Gen Mikroba/2011
Genetic
Microbial
Nukleotida
GULA & BASA
APW/MD/Ajar 8 Gen Mikroba/2011
Genet i c
Mic r o b i a l
Struktur DNA Untuk DNA : mempunyai rantai ganda- Double stranded (double helix) Untuk RNA : mempunyai rantai tunggal - Single stranded Adanya pasangan basa pada double helix
APW/MD/Ajar 8 Gen Mikroba/2011
DNA
RNA
APW/MD/Ajar 8 Gen Mikroba/2011
Genetic
Mic r o b i a l
Struktur DNA Anti paralel
Arah 5’ to 3’
Start pada Karbon 5 dari gula ke-1: PO4-5’-3’-PO4-5’-3’-PO4-5’-3’OH (disebut sebagai arah 5’-3’)
APW/MD/Ajar 8 Gen Mikroba/2011
Genet i c
Mic r o b i a l
Struktur DNA
T
O 5
O
CH2
1
4
3
2
O O
P
O-
A
O 5
O
CH2
1
4
3
2
O O
P
OC
O 5
O
CH2
Polymer nukleotida: "Backbone" adalah deoxyribose-phosphate Pasangan basa komplementer: A-T (Adenine – Thymine) G-C (Guanine – Cytosine
1
4
3
2
OH APW/MD/Ajar 8 Gen Mikroba/2011
Genetic
Microbial Ikatan Molekul DNA a. Ikatan Hidrogen: antara pasangan basa nitrogen b. Ikatan Fosfodiester:
Polaritas DNA tergantung dari : -
Basa nitrogen
-
Gula
-
Fosfat
-
Ikatan fosfodisester
APW/MD/Ajar 8 Gen Mikroba/2011
Genetic
Microbial
APW/MD/Ajar 8 Gen Mikroba/2011
