Pendahuluan

Kuliah Pengantar/Pendahuluan

Deskripsi Mata Kuliah • Nama Mata Kuliah : BIOLOGI MOLEKULER • Kode Mata Kuliah : AEP 312 (2-1)/ P • Prasyarat : Lulus minimal nilai C untuk mata kuliah Genetika Dasar (PAE 124) dan Pengantar Bioteknologi Pertanian (PAE311) • Pengajar : 1. Prof. Dr. Sc. Agr. Ir. Jamsari, MP 2. Dr. Yusniwati, SP. MP. 3. Dr.Ir. Gustian, MS. • Semester

: V

Deskripsi Singkat • Mata kuliah ini membahas aktifitas molekuler yang terjadi pada sel organisme baik prokaryot maupun eukaryot. Fokus pembahasan diarahkan pada proses biokimiawi yang melibatkan ekspresi genetik dari mulai transkripsi sampai translasi baik menyangkut komponen dan elemen-elemen yang terlibat dalam kegiatan tersebut, maupun mekanismemekanisme yang terjadi serta peluang modifikasi-modifikasi yang kemungkinkan dapat terjadi dalam proses tersebut. Untuk menambah wawasan sesuai dengan perkembangan kemajuan teknologi mutakhir, maka mata kuliah ini juga akan membahas teknologi proteomik dan genomik sebagai suatu disiplin studi yang melibatkan analisis protein secara global meliputi struktur, fungsi maupun interaksinya.

Tujuan Instruksional Umum • Setelah menyelesaikan mata kuliah ini mahasiswa diharapkan mampu menjelaskan: berbagai kejadian, elemen yang terjadi selama proses ekspresi genetik pada suatu sel baik sel prokaryot maupun sel-sel eukaryot. Mahasiswa diharapkan juga mampu menjelaskan berbagai kemungkinan proses modifikasi yang dapat terjadi sehingga memberikan konsekuensi terhadap perubahan karakter individu. Lebih jauh mahasiswa diharapkan dapat menjelaskan gambaran perkembangan studi proteomik dan genomik yang mampu memberikan gambaran proses dan interaksi molekul protein dalam suatu event metabolisme tertentu.

Kriteria Penilaian Skoring penilain dilakukan sesuai dengan kriteria penilaian yang berlaku ditingkat Fakultas sebagai berikut: Nilai Huruf A AB+ B BC+ C CD E

Point 4,00 3,50 3,25 3,00 2,75 2,25 2,00 1,75 1,00 0,00

Rentang skor 85-100 80-84 75-79 70-74 65-69 60-64 55-59 50-54 40-49 00-39

Pembobotan nilai adalah sebagai berikut: Komponen Penilaian: 1. Penguasaan Teori Parameter : 1. UTS = 25% 2. UAS = 25% 3. Kuis (I+II) = 10% 2. Penguasaan Praktek Nilai Praktikum (30%), terdiri dari a. UAP = 40% b. Aktifitas selama praktikum (bertanya, diskusi, inisiatif, kreatifitas)= 10% c. Laporan praktikum = 20% d. Seminar hasil praktikum = 20% e. Kehadiran praktikum = 10% Aturan dan ketentuan praktikum dibuat dalam ketentuan tersendiri.

3. Tugas mandiri : 10% (presentasi dalam jurnal club-Friday 11.00)

Kontrak Perkuliahan: • Kuliah berdasarkan tatap muka, dan diskusi. Bilamana terjadi pembatalan kuliah, maka akan diganti sesuai dengan jadwal yang disepakati. • Kuliah menerapkan sistem SCL (student centered learning) • Pakaian kuliah harus rapi, tidak boleh berambut gondrong, pakai kaos oblong dan sandal. • Mahasiswa hanya diperkenankan mengikuti perkuliahan jika terlambat ≤ 15 menit (besaran waktu ini ditentukan berdasarkan kesepakatan bersama pada hari pertama kuliah) • Kehadiran kuliah minimal 75 % atau 12 kali jika total kuliah 16 kali. Kehadiran praktikum 100 %. • Praktikum diatur sendiri oleh Penanggung jawab praktikum dengan asistennya. Demikian kontrak perkuliahan ini dibuat, agar disetujui dan ditaati oleh semua pihak. Padang, .... Dosen Penanggungjawab

Perwakilan/Komting Mahasiswa

Prof. Dr. Sc.agr. Ir. Jamsari, MP.

...................................................

Materi Perkuliahan Pertemuan I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII XIII XIV XV XVI

Materi Perkembangan Biologi Molekuler, struktur Sel dan Organisme Aspek-aspek Molekuler Pembelahan sel dan Replikasi DNA Struktur Kromosom dan Genom Struktur Protein dan fungsinya dalam penentuan Karakter Sintesis Protein: regulasi transkripsi pada prokaryot dan eukaryot Regulasi dan Prosesing RNA. Rekombinasi, Mutasi dan Perbaikan kesalahan dalam sintesis protein. DNA mobile, transposon dan sekuens repetitif. UTS Genetika Bakteri Genetika Virus dan Plasmid Proteomik: Analisis protein global Evolusi molekuler Analisis ekspresi gen dan Biomarker . Mutasi dan peranan PCR dalam mutasi Genomik Fungsional Bioinformatika dan Analisis In Silico data Molekuler. UAS

Daftar Buku: 1. Jamsari. 2007. Bioteknologi Pemula, Prinsip Dasar Teknik Analisis Molekuler. Unri-Press. 180 halaman. 2. Jamsari, 2008. Pengantar Pemuliaan, Landasan Biologis, Genetis dan Molekuler. Unri Press. 3. Lewin, B. 2000. Genes. Oxford-University Press. 990 pp. 4. Watson, J.D., J. Tooze, D.T. Kurtz. 1983. Recombinant DNA, A short course. Scientific American Book. 260 pp. 5. Marshall, G., D. Walters. 1994. Molecular Biology in Crop Protection. Chapmann & Hall. 283 pp. 6. Suzuki, D.T., A.J.F. Griffith, J. H. Miller, R.C. Lewontin. 1989. An Introduction to Genetic Analysis. W.H. Freeman and Company. 768 pp. 7. Kempken, F and R. Kempken. 2000. Gentechnik bei Pflanzen. Springer-Verlag. Berlin. 245 pp. 8. Nevers, P. 1991. Pflanzenzüchtung aus der Nähe gesehen. Max-Planck-Institut für Züchtungsforschung. 87 p 9. Brown, T.A. 2007. Genomes 3. Garland Science Publishing. 10.Clarck, D.P. 2005. Molecular Biology, Understanding the genetic revolution. Elsevier Academic Press. USA.

Materi I: Perkembangan Biologi molekuler, Struktur Sel dan Organisme No

Tujuan Instruksional Khusus 1. Mahasiswa mampu menjestruktur detail dan organelorganelnya serta fungsi masingmasingnya pada berbagai tipe sel: virus, bakteri, tumbuhan, hewan dan manusia.

Pokok Bahasan

Sub Pokok Bahasan

Perkembang 1. Perkembangan Biologi an Biologi Molekuler Molekuler, 2. Struktur detail sel dan Struktur Sel set-set organelnya dan pada prokaryot Organisme (bakteri) 3. Struktur sel virus 4. Struktur detail sel-sel eukaryot (tumbuhan) 5. Struktur detail sel-sel eukaryot (hewan/manusia).

Waktu

Referensi

10 menit 1, 6, 7 20 menit

20 menit 25 menit

25 menit

SEJARAH PERKEMBANGAN

Akhir abad ke-17 : Penemuan Mikroskop oleh Anton van Leuwenhoek (animalcules) Robert Hooke : pengamatan gabus (jaringan mati) Teori: Generatio Spontanea

Louis Pasteur Dr. Jamsari, Prog. Studi Pemuliaan Tanaman Jurusan BDP-FPUA

SEJARAH PERKEMBANGAN 1838: G.J. Mulder mengamati ekstrak tumbuhan dan hewan yang disebut „fibrous“, terdiri dari C, H, O dan N. (protein). Freidrich Wohler : mensintesis urea dan asam oksalat (di lab) Marcelin Berthelot : asetilen 1847: Theodor Schwann dan Matthias Jacob Schleiden „Sel merupakan bagian yang menunjukkan kehidupan“

Dr. Jamsari, Prog. Studi Pemuliaan Tanaman Jurusan BDP-FPUA

SEJARAH PERKEMBANGAN 1871: Friederich Miescher mengisolasi bahan yang mengandung DNA dari inti-inti sel darah putih yang mati. 1892: Augus Weismann menyatakan bahwa pewarisan adalah penerusan bahan inti sel dengan struktur spesifik

1865 (1900): Penggalian kembali prinsip genetika mendel 1900: Emil Fischer menunjukkan ikatan-ikatan kimia dalam protein, sehingga 16 dari 20 Asam amino esensial berhasil diidentifikasi.


SEJARAH PERKEMBANGAN 1903: Walter Sutton menghubungkan kromosom dengan pewarisan Mendel. 1909: Wilheelm Johannsen memperkenalkan istilah gen T.H. Morgan dan mahasiswanya mendeskripsikan hubungan struktur kromosom dengan gen.

1931: Barbara Mc. Clintock menghubungkan antara sifat-sifat genetik spesifik pada jagung dengan segmen-segmen gen yang terdapat pada kromosom.


SEJARAH PERKEMBANGAN 1940-an: Joshua Ledeberg menemukan bahwa gen bakteri dapat dipelajari tidak hanya melalui percobaanpercobaan nutrisi tetapi melalui percobaan „penyatuan“ 2 sel bakteri 1944: Oswald avery, Colin Macleod, McLyn McCarty menggunakan Streptococcus pneumoniae (pembuktian percobaan transformasi genetik dari Griffith) 1952: Alfred Hershey dan Martha Chase membuktikan bahwa materi genetik yang ditransfromasikan oleh virus bakteri kedalam inangnya adalah senyawa Deoksiribosa Nucleic Acid (DNA) Dr. Jamsari, Prog. Studi Pemuliaan Tanaman Jurusan BDP-FPUA

SEJARAH PERKEMBANGAN Percobaan pembuktian adanya transformasi genetik


SEJARAH PERKEMBANGAN 1953: James D. Watson dan Francis H.C. Crick mengajukan model struktur fisik „double helix“ DNA. Bukti: 1. Analisis Chargaff tentang komposisi kimia DANN dari berbagai sumber selalu mengandung 4 macam basa Nitrogen: Adenin(A), Guanin (G), Citosin (C), Timin (T), dimana jumlah A=T, dan G=C 2. Difraksi sinar X oleh Wilkins et al. Mengindikasikan bahwa jarak struktur atom DNA teratur, dengan sifat helikal (spiral), diameter 2 nm, jarak putaran sempurna 34 nm


Struktur Double Helix DNA menurut Watson dan Crick

20Å (2,0 nm)

34Å (3,4 nm)

Gambar Struktur Double Helix DNA menurut Watson-Crick


SEJARAH PERKEMBANGAN Akhir tahun 1950-an dimulai pemaduan disiplin ilmu genetika, biokimia dan biologi struktural menjadi suatu disiplin ilmu yang disebut Biologi Molekuler. Pendekatan yang digunakan: 1. Mencari korelasi antara struktur sel dengan aktivitas biokimia (Albert Claude, Christian de Duve, George Ppalade, Keith Porter) 2. Menggunakan prinsip analisis genetika untuk menjelaskan bagaimana gen-gen mengatur aktifitas biokimia (Francois Jacob dan Jacques Monod). Dr. Jamsari, Prog. Studi Pemuliaan Tanaman Jurusan BDP-FPUA

SEJARAH PERKEMBANGAN Sejak 1961 tercatat 3 kemajuan besar: 1. Pembuktian bahwa mRNA membawa informasi dari DNA ke bagian penyelenggara sintesis protein 2. Penemuan kode-kode genetik yang tersimpan dalam asam-asam nukleat 3. Protein diterjemahkan oleh tRNA ribosom, yakni granula kecil nukleoprotein yang pertama ditemukan dengan menggunakan mikroskop elektron.


SEJARAH PERKEMBANGAN Peran bakteri terutama E. coli dalam studi biologi molekuler sudah dimulau sejak tahun 40-an Tahun 60-an mulai digunakan sel-sel mammalia (Harry Eagle, Theodore Puck), dan virus Pada hewan ( Renato Dulbecco)

Tahun 70-an ditemukan banyak teknik-teknik baru untuk mengisolasi segmen DNA sel-sel eukariotik dan memurnikannya


SEJARAH PERKEMBANGAN Tahun

Kejadian

Penemu/Referensi

1972

Dihasilkannya rekombinan DNA pertama dengan bantuan enzim Ligase

Paul Berg

1972

Dihasilkannya organisme transgenik pertama

Cohen, et al.

1973

Ditemukannya teknik elektrophoresis dengan Agarose

Joseph Sambrook

1973

Kloning DNA

Cohen, et al.

1975

Sekuensing dengan metode pemutusan berantai

F. Sanger

1975

Metode hibridisasi DNA

E. Southern

1977

Didirikannya perusahaan yang bergerak dalam teknologi gen: Genentech

Genentech

1978

Diperkenalkannya RFLP

Botstein, et al

1981

579 gen manusia berhasil dipetakan

1981

Hibridisasi in-situ mulai secara rutin digunakan

1982

Genbank pertama didirikan

1983

Identifikasi pertama penyakit Huntington’s pada kromosom IV

J. Gusella

1984

Diperkenalkannya Pulsefield Gel Elektroporesis (PFGE)

D. Schwarz, C. Cantor

1985

Diperkenalkannya PCR (Polymerase Chain Reaction)

K. Mullis

1987

Dr. Jamsari, Prog. Studi Pemuliaan Diperkenalkannya YAC (Yeast Artificial Chromosome) M. Tanaman Olson Jurusan BDP-FPUA

1988

Didirikannya proyek pensekuenan genom manusia

1989

Peta lengkap pertama genome Hemophilius influenzae

1992

Peta tautan lengkap genome manusia pertama

NIH/CEPH

1993

Diperkenalkannya ESTs (Expressed Sequence Tags)

Craig Venter

1993

Dipublikasikannya peta fisik pertama genome manusia

Généthon

1995

Genom Haemophilus influenza dan Mycoplasma genitalium lengkap disekuens

1996

Genom Saccharomyces cereviceae (Eukaryot) lengkap disekuens

1996

Genom Eschericia coli lengkap disekuens

1996

Genom Methanococcus fannaschii (Archaeobacteria) lengkap disekuens

1996

Diperkenalkannya teknologi chip

1997

Dipublikasikannya peta fisik genom manusia yang lengkap

1998

Genom C. elegans selesai disekuens

1999

Genom Drosophila melanogaster selesai disekuens

2000

Genom Arabidopsis thaliana selesai disekuens

Konsinternasional

2000

Genome manusia H.sapiens selesai disekuens

CELERA, HUGO

2000

Genom Oriza sativa selesai disekuens

Monsato

2002

Genom nyamuk Anopheles gambiae dan Plasmodium palcifarum Natur, Science, 2002 selesai disekuens Dr. Jamsari, Prog. Studi Pemuliaan Tanaman Jurusan BDP-FPUA

1. Struktur detail sel dan set-set organelnya pada prokaryot (bakteri)

Sel dan Organel

Apa itu sel ? Semua makhluk hidup terdiri dari sel, mulai dari satu sel (uniselluler) sampai ke organisme multiselluler (tumbuhan, hewan)


Ukuran Sel

Sources: www.sinauer.com , www.whfreeman.com Dr. Jamsari, Prog. Studi Pemuliaan Tanaman Jurusan BDP-FPUA

Tipe Sel Sel Prokariotik • Secara umum lebih kecil • Tidak memiliki inti sel sejati; Contoh: bakteri, ganggang biru (Cyanobacteria), mycoplasma • Memiliki kompartemen yang sederhana

• Sel Eukaryotik • Ukurannya lebih besar secara umum • Memiliki inti sejati, contoh: sel tumbuhan, sel hewan • Memiliki kompartemen yang lebih kompleks


Persamaan sel secara umum Secara umum tanpa memandang tipe selnya, maka sel memiliki : • Membran sel • DNA • Sitoplasma • dan ribosom


BIOLOGI MOLEKULER. Smester Genap 2004-2005

Membran sel

www.DennisKunkel.com

http://www.biosci.uga.edu/almanac/bio_103/notes/may_15.html


Membran sel • Cholesterol adalah komponen sel penting yang terbenam pada daerah hydrophobic, Umumnya sel-sel bakteri tidak memiliki cholesterol. • Proteins Gerbang (Gateway protein). Berfungsi sebagai pintu masuk molekul untuk masuk dan keluar sel. • Permukaan lapisan luar banyak memiliki senyawa glycolipid. • Kandungan sel (bahan kimia maupun organelnya) disebut protoplasma yang terdiri dari 1. sitoplasma (seluruh kandungan protoplasma kecuali kandungan inti sel) 2. Nukleoplasma (seluruh material, plasma dan DNA didalam inti sel) Dr. Jamsari, Prog. Studi Pemuliaan Tanaman Jurusan BDP-FPUA

Dinding sel • Dinding sel terletak di luar membran plasma • Tidak semua makhluk hidup memiliki dinding sel • Sel-sel hewan kebanyakan tidak memiliki dinding sel, dan juga animal like Protista. • Dinding sel Bacteria mengandung peptidoglycan. • Jamur dan kebanyakan sel protista memiliki dinding sel tapi tidak mengandung sellulosa, melainkan senyawa lain seperti chitin pada jamur Dr. Jamsari, Prog. Studi Pemuliaan Tanaman Jurusan BDP-FPUA

Dinding sel • Dinding sel tumbuhan memiliki sejumlah bahan kimia yang terkandung pada dinding selnya, 1. Sellulosa: senyawa yang paling banyak terdapat pada dinding utama sel tumbuhan 2. Pada dinding sel kedua terdiri dari senyawa lignin dan lainnya • Plasmodesmata adalah alat penghubung antara sel yang satu denngan sel yang lain dan merupakan alat komunikasi secara kimiawi antara sel satu dengan lainnya Dr. Jamsari, Prog. Studi Pemuliaan Tanaman Jurusan BDP-FPUA

Dinding sel



Sel Tumbuhan dan Hewan Structure of a typical plant cell

Lily Parenchyma Cell (cross-section)

www.sinauer.com



Sel Tumbuhan dan Hewan Structure of an animal cel

http://www.biosci.uga.edu/almanac/bio_103/notes/may_15.html

Liver Cell




Sel Tumbuhan dan Hewan Structure of an animal cel

Liver Cell

www.sinauer.com



Inti Sel Inti sel hanya dimiliki oleh sel-sel eukaryotic, merupakan lokasi dari kebanyakan senyawa-senyawa asam nukleat. Nukleus memiliki fungsi mengendalikan bentuk dan karakteristik sel DNA terdapat di dalam nukleus, dan merupakan pembawa informasi keturunan. Disamping terdapat didalam nukleus, ada juga DNA yang terdapat di luar inti, yakni DNA plastid (chloroplast DNA=cpDNA dan mitochondria DNA = mDNA) RNA diproduksi di dalam nukleus, selanjutnya dibawa keluar menuju sitoplasma dalam sintesis protein. Nukleolus adalah daerah yang terdapat pada nukleus dimana ribosom dibentuk. Umumnya terdapat dua nukleolus per nuklöeus.


Inti Sel


Inti Sel

Liver cell nucleus and nucleolus

Inti Sel Dinding inti merupakan suatu • double membran • Mengandung banyak pori yang digunakan untuk melewatkan RNA dan senyawa kimia lain • DNA tidak bisa melewati pori tersebut.

Nuclear envelope


Inti Sel


Sitoplasma • Material antara membran plasma (membran sel) dan neclear anvelope. • 85-90% air. • Susunan Kimia: 62% Oksigen, 20% Karbon, 10% Hidrogen; 3% Nitrogen • 5% unsur-unsur lain: Ca, Fe, Mg, Cl, P, K dan S (makro) Bo, Cu, Fl, Mn, dan Si, Co, Zn. Unsur yang ada terdapat dalam bentuk ion dan melekat pada unsur carbon, exp. P dalam ATP


Sitoplasma • Cytoskeleton adalah protein serat yang terdapat di dalam sitoplasma, berfungsi untuk menambat organel-organel dan mempertahankan bentuk sel, perpindahan sel dan mengendalikan perpindahan struktur internal • Microtubules berfungsi dalam pembelahan sel dan berfungsi sebagai "temporary scaffolding" dari organel other organelles. • Actin filaments adalah rambut halus yang berfungsi dalam pembelahan sel dan perpindahan • Terdapat filament Intermediate


Sitoplasma • Material antara membran plasma (membran sel) dan neclear anvelope. • 85-90% air. • Susunan Kimia: 62% Oksigen, 20% Karbon, 10% Hidrogen; 3% Nitrogen • 5% unsur-unsur lain: Ca, Fe, Mg, Cl, P, K dan S (makro) Bo, Cu, Fl, Mn, dan Si, Co, Zn. Unsur yang ada terdapat dalam bentuk ion dan melekat pada unsur carbon, exp. P dalam ATP


Sitoplasma • Sitoskeleton adalah protein serat yang terdapat di dalam sitoplasma, berfungsi untuk menambat organel-organel dan mempertahankan bentuk sel, perpindahan sel dan mengendalikan perpindahan struktur internal 1. Microtubules berfungsi dalam pembelahan sel dan berfungsi sebagai "temporary scaffolding" dari organel other organelles. 2. Mikrofilaments actin adalah rambut halus yang berfungsi dalam pembelahan sel dan perpindahan


Sitoplasma

Sitoplasma

Purves et al


Sitoplasma • Retikulum Endoplasma (endoplasmic reticulum):

- Tersusun oleh lipid dan protein

- Bentuk dapat berupa sisterna (wadah, tempat) melebar, pipa (tubul) atau lapisan berlubang. - Rough RE (kdg. Ribosom) : berhubungan dengan nuclear envelope - Smooth RE (non ribosom): diduga terlibat dalam transportasi dan berbagai fungsi-fungsi lainnya. Dr. Jamsari, Prog. Studi Pemuliaan Tanaman Jurusan BDP-FPUA

Retikulum Endoplasma (RE)

www.DennisKunkel.com Dr. Jamsari, Prog. Studi Pemuliaan Tanaman Jurusan BDP-FPUA


Retikulum Endoplasma (RE)


Badan Golgi-Diktiosome Fungsi: •Pengumpulan bahan skretoris utk keluar sel •Pemrosesan protein: glikolisasi, fosporisasi, sulfurisasi, protease selektif •Sintesis polisakarida dan glikolipid •Seleksi protein untuk ditempatkan pada pelbagai lokasi di dalam sel. •Proliferasi unsur-unsur membran untuk membran plasma •Pada sel tumbuhan berperan dalam penambahan penebalan dan pembentukan dinding sel baru


Badan Golgi-Diktiosome Golgi Apparatus in a plant parenchyma cell from Sauromatum guttatum (TEM x145,700) www.DennisKunkel.com

Purves et al


Ribosom • • • •

Ribosome adalah tempat berlangsungnya sintesis protein. Tidak terikat pada membran Terdapat pada sel-sel prokaryot dan eukaryot Ribosomes sel Eukaryot sedikit lebih besar dari yang terdapat pada prokaryot • Struktur terdiri dari sub unit besar dan kecil (d= 17-20µm) • Secara biokemis ribosom terdiri dari senyawa rRNA dan 50 protein struktural lainnya • Ribosomes sering berikatan dengan RE.



Ribosom

Purves et al


Ribosom

Ribosomes and Polyribosomes - liver cell (TEM x173,400) www.DennisKunkel.com


Mitokhondria • Rumah energi sel • Fungsi dalam respirasi (aerob untuk memasok ATP (chemioosmosis, glycolisis ke sitoplasma) • Mitochondria dapat dilihat dengan mikroskop cahaya (janus green). • Panjang mencapai 3 µm dengan d= 0,5-1 µm • Dibatasi oleh dua satuan membran (dalam=krista , membentuk tonjolan ke arah stroma), dimana ATP dihasilkan. • Mengandung ribosom yang memiliki benang DNA (mt DNA=mDNA) • Diduga berasal dari organisme seperti bakteri (blo) dalam evolusi 700 juta tahun lalu (1,5 billion tahun) Dr. Jamsari, Prog. Studi Pemuliaan Tanaman Jurusan BDP-FPUA


Mitokondria

Purves et al Dr. Jamsari, Prog. Studi Pemuliaan Tanaman Jurusan BDP-FPUA

Mitokondria

Muscle Cell Mitochondrion (TEM x190,920) www.DennisKunkel.com


Materi II

Aspek-Aspek Molekuler Pembelahan Sel dan Replikasi DNA

Copyright Statement:

Dengan ini dinyatakan, bahwa seluruh material (teks, gambar, grafik dan seluruh alat bantu penjelas lainnya) bahan kuliah dalam format .ppt sebagaimana tercantum disini memiliki hak eksklusif intelektual bagi penyusun. Penggunaan diluar untuk keperluan pembelajaran sebagaimana disepakati dalam pemberian material harus mendapatkan izin tertulis dari penyusun dan pelanggaran dalam hal ini akan dikenakan sanksi hukum sebagaimana berlaku di Negara Kesatuan Republik Indonesia.

Sup Pokok Bahasan 1. Pembelahan sel pada organisme tingkat rendah. 2. Pembelahan sel pada organisme tingkat tinggi 3. Replikasi DNA pada saat pembelahan sel. 4. Peranan DNA polymerase pada replikasi DNA

1. Pembelahan sel pada organisme tingkat rendah

Evolusi Organisme

Pembiakan amoeba

Pembelahan Sel-sel Prokaryot

Amitosis = Binary Fision

Pembelahan Sel Bakteri Attached to the mesosome membrane Starts replicating at the initiating point which is located very near to the mesosome.

DnaA

Kontrol Replikasi DNA Prokaryot Hemimethylation Sequestering of the origin sequence, Ratio of ATP to ADP, and Levels of protein DnaA

2. Pembelahan Sel pada Organisme Tingkat Tinggi (Eukaryot)

Siklus Sel Eukaryot

Siklus Sel dan Pengaturan Pertumbuhan

FISH pembelahan sel

Perbandingan

Crossing over

Crossing Over

Crossing over

Siklus Sel • Pembelahan adalah kejadian puncak dari siklus sel • Periode antara dua pembelahan mitosis menentukan lamanya siklus suatu sel • Waktu antara akhir mitosis dengan awal mitosis yang lain disebut dengan interphase • Waktu pembelahan mitosis disebut dengan fase M

Pembelahan sel • Untuk membelah sel harus menggandakan massa sel terlebih dahulu • Penggandaan massa dan sintesis DNA terjadi pada saat interfase • Penggandaan ukuran sel merupakan proses yang berlangsung secara kontinyu • Transkripsi dan translasi gen untuk pembentukan protein terjadi selama proses penggandaan ukuran sel • Reproduksi genom terjadi pada saat sintesis DNA

Kejadian Saat Interfase Fase G1 • Sintesis RNA-RNA (m, t, r) • Sintesis protein • Tidak ada replikasi DNA Fase S • Replikasi DNA • Kandungan DNA meningkat dari 2n ke 4n Fase G2 Sel memiliki 2 set kromosom diploid

Kejadian Saat Interfase • Fase S disebut juga dengan fase „gap“ • Peningkatan RNA dan Protein sejak fase G1 ke G2 terjadi secara kontinyu. • Peningkatan DNA sejak G1 ke G2 tidak kontinyu • Ukuran nukleus meningkat pada fase S • Kromosom individu akan jelas kelihatan apabila inti sel sudah melebur • Lamanya siklus sel bermacam-macam dari 18-24 jam • Pada hewan siklus tercepat terjadi 6 jam, terlama 12 jam. • Fase S ditentukan oleh waktu yang dibutuhkan untuk replikasi genom (6-8 jam) • Fase tercepat adalah fase G2, diduga karena merupakan fase persiapan mitosis • Fase mitosis biasanya berlangsung < jam

Sintesis RNA, Protein dan DNA selama fase-fase Fase G1

Fase S

Fase G2 Protein

32

RNA 16

8 4 DNA

2 2

8

16

24

Titik Kendali dalam Siklus sel • Kemajuan siklus sel ditentukan oleh titik kendali yang bersifat diskret • Komitmen replikasi kromosom terjadi pada fase G1 (titik START/Titik Restriksi) • Komitmen pembelahan mitosis terjadi di akhir G2

Diagram titik kontrol

Keputusan Pembelahan Sel Apakah saya akan membelah atau tidak? Keputusan tergantung kepada: Respon stimulus eksternal : kandungan hara, massa sel apakah cukup atau tidak

Perilaku Sel Heterokaryot Ditentukan oleh Fase saat sel mengalami fusi

Sitoplasma sel fase S memiliki Aktifator untuk replikasi DNA disebut dengan „Aktivator fase S“ • Jika fase S digabung dengan fase G1, keduanya akan memasuki replikasi DNA • Jika fase S digabung dengan fase G2, fase S bereplikasi tapi fase G2 masuk fase „menunggu“ DNA yang sudah bereplikasi mempengaruhi „aktivator fase S“ untuk tidak dua kali melakukan replikasi DNA • Pembelahan sel membutuhkan „inducer M“

Apa sebenarnya Aktivator fase S? • Aktivator fase S (S phase activator) merupakan protein kinase. • Senyawa tersebut berhubungan dengan kinase yang mengaktifkan mitosis • Mitosis tergantung kepada aktifitas M-phase kinase • M phase kinase memiliki dua sub unit • Sub unit I : kinase catalytic sub unit (Cdc2), berfungsi melakukan posforilasi residu threonin dan serin pada protein target • Sub unit II: cyclin, sub unit regulator agar kinase berfungsi dengan substrat yang sesuai (A, B1, B2)

Aktifitas M phase kinase • Diatur melalui posforilasi, deposforilasi, proteolisis protein • Asam amino terposforilasi adalah: Thr-14, Tyr15, Thr-161 • Thr-14, Tyr-15 melekat pada sisi ikatan ATP (ATP-binding site)

Aktifitas M phase kinase

M phase kinase disusun oleh komponen yang sama atau overlapping

Siklus sel dikendalikan melalui posforilasi dan deposforilasi protein

• Proses deposforilasi bersifat reversible • Posforilasi berfungsi untuk reorganisasi sel ke arah spindle fibre (serabut gelendong) • Deposforilasi substrat yang sama dibutuhkan untuk kembali kepada posisi saat interfase

Substrate target terposforilasi •

• 1. 2. 3. 4.

Substrat umum yang menjadi target posforliasi adalah senyawa dengan residu: Ser-Pro (SerPro-X-Lys) Potensial target: Histon H1 (kondensasi kromosom) Lamins (pemecahan nuklear envelope) Nucleolin ( sintesis ribosom) Aktivitas dan struktur enzim

Peranan RB dalam memblokir siklus

Degradasi Protein Penting Pada Pembelahan Mitosis • Selama proses pembelahan mitosis diperlukan adanya degradasi cyclin dan protein lainnya • Pemisahan kromosom pada saat anafase tidak memerlukan degradasi cyclin secara langsung • Degradasi terjadi pada tiga fase; metafase (cyclin A), anafase (2 cyclin)

Degradasi protein selama proses mitosis

Reorganisasi sel saat mitosis (reversible) •

1. 2. 3. 4.

Pembelahan merupakan puncak kegiatan dalam siklus sel. Beberapa kejadian yang berkaitan dengan hal tersebut adalah: Kondensasi kromosom Melarutnya lumina inti sel dan pemecahan nuclear envelope Melarutnya dan rekonstruksi microtubule menjadi gelendong Reorganisasi filamen-filamen aktin.

Reorganisasi sel saat mitosis

Reorganisasi sel saat mitosis

Apoptosis (Programmed Cell death) • Selama perkembangan organisme multiseluler eukaryot, beberapa sel harus dimatikan • Beberapa sel yang tidak dikehendaki selama embryogenesis, metamorfosis dan perubahan jaringan bahkan harus dihilangkan • Oleh kare itu jumlah sel total harus selalu dikontrol • Pada C. Elegans selama perkembangan menuju kedewasaan 131 dari 1090 sel mengalami program apoptosis

Apoptosis (Programmed Cell death) • Tempat yang sering melakukan program apoptosis adalah dalam sistem immun dan syaraf (vertebrata) • Kegagalan dalam program apopotose menyebabkan sel-sel tumor tetap hidup (kanker) • Ketidaktepatan aktivasi apoptose menyebabkan penyakit degeneratif

Apoptosis (Programmed Cell death)

• Proses diawali dengan aktivasi jalur „bunuh diri“ sel • Sel-sel menjadi kompak, kromatin berkondensasi, DNA terfragmentasi • Prosesnya tergantung kepada sintesis RNA dan protein melalui pewarnaan sel.

Pencetus apoptosis • Pengambilan faktor pertumbuhan esensial • Perlakuan dengan glucocorticoid • Irradiasi sinar γ (gamma) • Serangan lymphocit citotoxic (tumor suppressor p53) • Aktivasi ligan reseptor

Regulasi Apoptosis

Perbandingan

Perbandingan

Replikasi DNA Eukaryot

Prilaku Kromosm

Peranan DNA Polymerase

List of major DNA replication enzymes in the Replisome: Enzyme

Function in DNA replication Also known as helix destabilizing enzyme. Unwinds the DNA double helix at DNA Helicase the Replication Fork. Builds a new duplex DNA strand by adding nucleotides in the 5' to 3' DNA Polymerase direction. Also performs proof-reading and error correction. A protein which prevents DNA polymerase III from dissociating from the DNA DNA clamp parent strand. Single-Strand Bind to ssDNA and prevent the DNA double helix from re-annealing after Binding (SSB) DNA helicase unwinds it thus maintaining the strand separation. Proteins Topoisomerase Relaxes the DNA from its super-coiled nature. DNA Gyrase Relieves strain of unwinding by DNA helicase. Re-anneals the semi-conservative strands and joins Okazaki Fragments of the DNA Ligase lagging strand. Provides a starting point of RNA (or DNA) for DNA polymerase to begin Primase synthesis of the new DNA strand. Lengthens telomeric DNA by adding repetitive nucleotide sequences to the Telomerase ends of eukaryotic chromosomes.

Garpu Replikasi

Enzim dalam Replikasi

Replikasi D-Loop

Check Points

http://preuniversity.grkraj.org/html/2_CELL_DIVISION.htm

CDK pengontrol siklus sel beberapa organisme Species

Name

Saccharomyces Cdk1 cerevisiae Schizosaccharo Cdk1 myces pombe Drosophila Cdk1 melanogaster Cdk2

Cdk4 Xenopus laevis Cdk1 Cdk2 Homo sapiens Cdk1 Cdk2 Cdk4 Cdk6

Original name

Size (amino acids)

Function

Cdc28

298

All cell-cycle stages

Cdc2

297

All cell-cycle stages

Cdc2

297

M

Cdc2c

314

G1/S, S, possibly M

Cdk4/6

317

G1, promotes growth

Cdc2

301 297 297 298 301 326

M S, possibly M M G1, S, possibly M G1 G1

Cdc2

Ekspresi Cyclin pada Manusia

Selesai

Materi III Kromosom dan Genom

Copyright statement: Dengan ini dinyatakan, bahwa seluruh material (teks, gambar, grafik dan seluruh alat bantu penjelas) bahan kuliah dalam format .ppt sebagaimana tercantum disini memiliki hak eksklusif intelektual. Penggunaan diluar untuk keperluan pembelajaran sebagaimana disepakati dalam pemberian material harus mendapatkan izin tertulis dari penyusun dan pelanggaran dalam hal ini akan dikenakan sanksi hukum sebagaimana berlaku dinegara kesatuan Republik Indonesia.

Struktur Sel dan organel-organelnya Liver Cell Structure of an animal cel


Kromosom eukaryot saat terkondensiasi tahap metafase.  (1)Chromatid – one of the two identical parts of the chromosome after S phase.  2) Centromere – the point where the two chromatids touch, and where the microtubules attach.  (3) Short arm.  (4) Long arm. Source: Wikipedia

Struktur utama dalam pengepakan DNA

DNA, the nucleosome, the 10nm "beads-on-a-string" fibre, the 30nm fibre and the metaphase chromosome.

Jumlah Kromosom Berbagai Tumbuhan Plant Species Arabidopsis thaliana(diploid)[16] Rye (diploid)[17] Maize (diploid or palaeotetraploid)[18] Einkorn wheat (diploid)[19] Durum wheat (tetraploid)[19] Bread wheat (hexaploid)[19] Cultivated tobacco (tetraploid)[20]

Adder's Tongue Fern(diploid)[21]

# 10 14 20 14 28 42 48

approx. 1,200

Jumlah Kromosom Berbagai Hewan Species Common fruit fly Guppy (poecilia reticulata)[23]

8

Species Guinea Pig[22]

64

46

Garden snail[24]

54

36

Tibetan fox

36

38 40

Domestic pig Laboratory rat[28]

38 42

Rabbit (Oryctolagus cuniculus)[29]

44

Syrian hamster[27]

44

Hares[30][31] Gorillas, Chimpanzees[32] Elephants[33] Donkey Dog[34] Goldfish[36]

48 48 56 62 78 100-104

Human[32] Domestic sheep Cow Horse Kingfisher[35] Silkworm[37]

46 54 60 64 132 56

Earthworm (Octodrilus complanatus)[25] Domestic cat[26] Laboratory mouse[27][28]

#

#

Struktur DNA-A, -B dan -Z

DNA-A,

DNA-B

DNA -Z

Struktur Filament Kromatin

DNA repeat length per nucleosomes ranging from 177 to 207 bp

Genom dan Karakteristiknya

Pengertian Genom Keseluruhan informasi genetik yang dimiliki oleh suatu individu Jenis genom berdasarkan lokasinya: 1. Nuclear genome: Genom yang terdapat di dalam inti sel 2. Ekstra nuclear genome: Genom yang terdapat di luar inti sel (cp genom atau mt. genom)

Genome • Genom eukaryot lebih kompleks dibandingkan dengan genom prokaryot • Diantara eukaryot genom tumbuhan adalah paling kompleks dibandingkan eukaryot lainnya.

Karakteristik genom A. Genom Prokaryot:

B. Genom Eukaryot:

1. Panjang: 105- 107 bp; 1. Panjang (haploid): 107 Genome E. coli = 1.6 - 1011 bp mm. 2. Ploidy: diploid, kec. 2. Ploidy: monoploid sel-sel kelamin 3. Dimensi Cell (E. coli): 3. Dimenesi sel: sgt. ~ 3 um panjang, ~ 1 um variatif tergantung tip lebar sel. Umumnya antara 10-200 um. DNA kebanyakan terletak di dalam nukleus.


B. Genom Eukaryot:

4. Mengandung kromosom sirkular 5. Terhubung secara kovalen dan dikatalisisi oleh enzimDNA gyrase (topoisomerase II) 6. Membentuk struktur supercoil negatif . 7. DNA-relax dikatalisis oleh topoisomerase I by nicking the DNA. 8. Struktur Supercoil membantu menyebabkan keseluruhan DNA bisa masuk dalam dimensi sel bakteri.

4. Terdiri dari kromosom linear 5. Jumlah kromosom tergantung kepada spesies. 6. DNA terkondensasi secara ekstensif untuk dapat masuk dalam ukuran nukleus. 7. Protein (histone) berinterkasi secara elektrostatik dengan tulang belakang DNA yang bermuatan negatif. 8. Protein histones, dan DNA membentuk struktur nukleosom. Agregat Nucleosomes membentuk struktur nukleo-protein yang mengandung kromatin dan membentuk kromosom.


B. Genom Eukaryot:

9. Beberapa konsekuensi: positive supercoils dapat dirubah menjadi negative supercoils melalui interaksi dengan proteins, primers, dand molekul-molekul spt. ethidium bromide. Menghasilkan DNA-yang cenderung relax. Beberapa jenis racun: nalidixic acid dan novobiocin berikatan dengan DNA dan menghambat aktifitas DNA gyrase.

9. Beberapa konsekuensi:Kromosom terlihat di bawah mikroskop cahaya jika benar-benar terkondensasi secara sempurna. Visualisasi dapat dilakukan dengan pewarna yang bersifat bermuatan negatif yang berikatan dengan histon. Telomeres terdapat diujung kromosom eukaryot untuk menjamin struktur ujung kromosom ybs. Sentromer terdapat pada setiap kromosom, dan berfungsi dalam segregasi kromosom dan kromatid selama pembelahan sel. .

Karakteristik Genom A. Genom Prokaryot:

10. Informasi tentang DNA: a. Mengandung lebih sedikit gen-gen yang bersifat single kopi dibanding eukatryot. Sebaliknya mengandung sekuens moderat repetitif seperti gen-gen tRNA maupun rRNA.

B. Genom Eukaryot:

10. Informasi ttg DNA:Kenapa eukaryot memiliki banyak DNA. o a. Eukaryotes memiliki lebih banyak gen-gen single kopi lebih banyak. o b. Memiliki DNA repetitif : tRNA dan rRNA spt. Pada prokaryotes. Vertebrata memiliki klas repettitf lainnya seperti gen-gen antibodi o c. Memiliki skuen DNA Satellite DNA dalam jumlah yg sangat banyak (20-30% daro total DNA); terdiri dari sekuens pendek dan sekuens berulang. o d. Memiliki struktur intron dan ekson.

Ukuran genom beberapa organisme Organism type

Organism

Genome size (base pairs)

Note

Virus

Bacteriophage MS2

3,569 3.5kb

First sequenced RNAgenome[13]

Virus

SV40

5,224 5.2kb

[14]

Virus

Phage Φ-X174

5,386 5.4kb

First sequenced DNAgenome[15]

Virus Virus Virus

HIV Phage λ Megavirus

Bacterium

Haemophilus influenzae

Bacterium

Carsonella ruddii

Bacterium Bacterium Bacterium

Buchnera aphidicola Wigglesworthia glossinidia Escherichia coli Solibacter usitatus (strain Ellin 6076) Polychaos dubium ("Amoeba" dubia)

Bacterium Amoeboid

9,749 9.7kb [16] 48,502 48kb 1,259,197 1.3Mb Largest known viral genome First genome of a living 1,830,000 1.8Mb organism sequenced, July 1995[17] Smallest non-viral 159,662 160kb genome.[18] 600,000 600kb 700,000 700Kb 4,600,000 4.6Mb [19] Largest known Bacterial 9,970,000 10Mb genome Largest known 670,000,000,000 670Gb genome.[20] (Disputed [21])

Ukuran genom beberapa organisme Plant

Arabidopsis thaliana

157,000,000 157Mb

Plant

Genlisea margaretae

63,400,000 63Mb

Plant

Fritillaria assyrica

130,000,000,000 130Gb

Plant

Populus trichocarpa

Plant

Paris japonica (Japanesenative, pale-petal)

Moss

Physcomitrella patens

Yeast

Saccharomyces cerevisiae

12,100,000 12.1Mb

Fungus

Aspergillus nidulans

30,000,000 30Mb

Nematode

Caenorhabditis elegans

Nematode

Pratylenchus coffeae

First plant genome sequenced, December 2000.[22] Smallest recorded flowering plant genome, 2006.[22]

480,000,000 480Mb 150,000,000,000 150Gb 480,000,000 480Mb

100,300,000 100Mb 20,000,000 20Mb

First tree genome sequenced, September 2006 Largest plant genome known First genome of a bryophyte sequenced, January 2008.[23] First eukaryotic genome sequenced, 1996[24]

First multicellular animal genome sequenced, December 1998[25] Smallest animal genome known[26]

Ukuran genom beberapa organisme Insect

Insect Insect Insect Fish Mammal Mammal Fish

Drosophila melanogaster (fruit fly) Bombyx mori (silk moth) Apis mellifera (honey bee) Solenopsis invicta (fire ant) Tetraodon nigroviridis (type of puffer fish) Mus musculus Homo sapiens Protopterus aethiopicus (marbled lungfish)

130,000,000 130Mb

530,000,000 530Mb 236,000,000 236Mb 480,000,000 480Mb 385,000,000 390Mb

[27]

[28]

Smallest vertebrate genome known

2,700,000,000 2.7Gb 3,200,000,000 3.2Gb 130,000,000,000 130Gb

Largest vertebrate genome known

Penetuan Ukuran Genom • Sebelum Teknologi DNA rekombinan berkembang, genom diukur menggunakan analisis: Reassociation Kinetik • Kinetik reassosiasi: dilakukan dengan cara melepaskan seluruh dsDNA menjadi ssDNA (denaturasi=100°C dan membiarkan sendiri untuk membentuk dsDNA kembali (renaturasi). • Bagaimana cara mengukurnya: melalui ukuran absorbance UV pada panjang gelombang 260 nm. • Karakter spesifik: ssDNA menyerap UV 260 nm 40% lebih banyak dibandingkan dengan dsDNA. • Titik leleh dsDNA pada kondisi fisiologis terjadi pada (Tm= 8595°C)

Penetuan Ukuran Genom • Nilai Tm ditentukan oleh: kandungan GC, semakin besar kandungan GC semakin besar nilai Tm

%GC

Melting Temperature

40

87oC

60

95oC

Denaturasi bersifat Reversible Denaturasi

Renaturasi

Proses dilakukan secara gradual: • Masing-masíng ssDNA akan berpasangan satu dengan lain

• Terbentuk komplementer satu dengan lainnya • Membentuk struktur awal Dasar proses hibridisasi sekuens DNA antara satu organisme-organisme yang berbeda (spesies berbeda)

Analisis Struktur Genome • Kompleksitas struktur genome dapat ditentukan dari laju Reassosiasi. • Konsekuensi: molekul dng motif sederhana GCGC akan berasosiasi lebih cepat dibandingkan dengan molekul yang lebih kompleks seperti GCTA • Peningkatan jumlah kombinasi basa yang berbeda akan meingkatkan waktu yang dibutuhkan untuk pembentukan struktur dupleks.

Renaturasi • Renaturasi terjadi akibat kollisi (tubrukan) acak antara pita-pita ssDNA. • Fungsi waktunya tergantung kepada konsentrasi molekul. • Diformulasikan dalam bentuk: CoT½ Waktu yang dibutuhkan oleh setengah molekul yang ada untuk membentuk struktur dupleks (mol nukleotid/liter/detik)

Renaturasi Prosedur umum: • Potong DNA menjadi sekitar 300 bp. • Denaturasi dengan memasakanya selama 5 menit dalam 0.12 M buffer phosphate. • Tempatkan cepat pada suhu 60°C. • Ambil aliquot pada waktu yang berbeda. Pisahkan ssDNA dengan dsDNA menggunakan hydroxyapatite. Ukur jumlah dsDNA pada absorbance 260 nm. • Plotting jumlah ssDNA vs nilai Cot . NIlai Cot diberikan dalam logaritma equivalent. Plot tsb akan mengggambarkan kurva Cot.

Nilai C (C-value) • Nilai C adalah ukuran yang digunakan untuk mengukur jumlah panjang DNA dalam struktur haploid genom suatu individu. • Terdapat diskrepansi antara ukuran genom dan kompleksitas genetik. • Tidak semua organisme dengan ukuran genom yang besar selalu memiliki kompleksitas genetik yang besar.

Kandungan DNA penyusun genom haploid dalam kaitannya dengan kompleksitas morfologi Tumbuhan berbunga Burung Mamalia Reptil Amphibi Ikan bertulang belakang Echinoderma Crustace Serangga Moluska Cacing Algae Jamur Bakteri gram positif Bakteri gram negatif Mycoplasma

106

107

108

109

1010

1011

Paradoksi-Nilai C • Contoh: Manusia dan X. laevis (amfibi) memiliki ukuran genom yang hampir sama 3,3 x 10^9, tetapi perkembangan genetik manusia lebih tinggi dibandingkan Xenopus

Mycoplasma

1,E+06

Bakteri

4,E+06

Jamur Ragi

1,E+07

Jamur lendir

5,E+07

Nematoda

8,E+07

Serangga

1,E+08

Burung

1,E+09

Amfibi

3,E+09

Manusia

3,E+09

Kompleksitas Genom •

Kompleksitas Genom: Panjang total sekuens yang berbeda • Genome eukaryot memiliki tiga komponen berdasar kecepatan reassociation: 1. Cepat: hadir dalam banyak kopi 2. Sedang: hadir dalam beberapa kopi 3. Lambat: mengandung sekuens tunggal.

Fraksi reassosiasi (1-C/Co) 100

75

50

25

10-4

10-3

10-2

10-1

1

10

102

103

Cot

Cepat Persentase dalam genom Cot½ Kompleksitas (bp) Frekuensi repetitif

Sedang

Lambat

25

30

45

0,0013

1,9

630

340

6,0 x 105

3,0 x 108

500.000

350

1

104

Kompleksitas Genom Nilai Kompleksitas komponen lambat lebih besar dari nilai kompleksitas komponen sedang dan cepat. Nilai kompleksitas komponen lambat mencirikan porsi single kopi dari genom Proporsi komponen sedang dan cepat sangat kecil. Nilai kompleksitas komponen lambat digunakan sebagai penduga ukuran genom organisme

Penentuan Kompleksitas genom DNA suatu organisme Setiap pita tunggal DNA dapat melakukan renaturasi dengan sekuensnya yang komplementer. Bagian terbesar komponen genom eukaryot diduduki oleh sekuens nonrepetitif. Sekuens yang hadir lebih dari satu kali salinan (kopi) dalam genom secara fisik disebut dengan sekuens repetitif. Jumlah salinan (kopi) disebut dengan frekuensi ulangan.

Sekuens Repetitif •

Secara umum sekuens repetitif dibagi menjadi dua kelas: 1. DNA repetitif sedang (moderately repetitive DNA). Memiliki nilai Cot antara 10-2 sampai Cot nilai non repetitif. 2. DNA repetitif tinggi (highly repetitive DNA), nilai Cot sebelum 10-2

Sekuens Repetitif  Moderate Repetitif dapat mencapai frekuensi ~ 350 kopi per genom (bisa lebih atau kurang)  Posisinya tersebar di seluruh genom  Komponen DNA repetitif mengandung sekuens family yang tidak persis sama, tetapi biasanya berhubungan  Untuk menentukan derjad famili sekuens dilakukan dengan menggunakan teknik hibridisasi dengan mengatur stringency melalui temperatur. Pada suhu tinggi hanya sekuens-sekuens yang memiliki hubungan famili dekat akan berreassosiasi (hibridisasi) sedangkan pada suhu rendah, sekuens berhubungan jauh juga dapat berhibridisasi

Sekuens Repetitif DNA repetitif moderat terletak secara dispersal (menyebar) di sepanjang genom DNA sangat repetitif (highly repetitive DNA) kebanyakan membentuk struktur cluster

Proporsi Sekuens Non-Repetitif dalam Genom berbagai Organisme Ukuran genom 1010 5 65%

3 58%

2

54% 41%

109

33%

25%

Non repetitif

5 3

7%

10% 5%

2

70%

83%

108 5

17%

3 14%

2

12%

Repetitif moderat

107 5

100%

3

3%

2 106 5 3

Sangat repetitif

2

E. coli

C. elegans

Fuit fly

Mouse

X. laevis

N. tabacum

Gen Struktural dan Sekuens Non Repetitif • Analisis gen-gen struktural dilakukan dengan menggunakan mRNA sebagai tracer (mRNA atau cDNA) • Hibridisasi dilakukan antara DNA-genomik dengan mRNA sebagai tracer

Gen Struktural dan Sekuens Non Repetitif Persentase Reassosiasi Sangat Repetifif

Repetitif Moderat

Non Repetitif

100

75 Reassosiasi DNA 50

25

Hibridisasi RNA Tracer

Cot

Jumlah Gen Beberapa Organisme Spesies

Genom (Mb)

Jumlah gen

Mycoplasma genitalium

0,58

470

Ricketsia prowazekii

1,11

834

Haemophilus influenzae

1,83

1.743

Methanococcus jannaschi

1,66

1.783

Bacillus substilis

4,2

4.100

E. coli

4,6

4.288

1.800

S. cerevisiae

13,5

6.034

3.600

D. melanogaster

165

12.000

3.100

C. elegans

97

19.099

H. sapiens

3.300

100.000

Data didasarkan kepada informasi sekuens total, kecuali untuk D. melanogaster dan H. sapiens

Lokus Lethal

Jumlah Gen Beberapa Organisme • Kemajuan teknologi sekuensing • 85-88% DNA bakteri dan Archaea mengkode RNA dan Protein • Bakteri Mycoplasma genitalium (genom paling kecil= 0,58 Mb) memiliki ~470 gen dengan rata-rata ~1040 bp. • Bakteri H. influenzae (gram negatif ) memiliki 1743 gen dengan rata-rata panjang ~900, 60% memiliki homologi dengan gen lain pada spesies yang berbeda (metabolisme, struktur sel, transportasi komponen, ekspressi dan regulasi • E. coli dengan genom 4,6 Mb memiliki 4288 gen dengan rata-rata panjang ~950 bp.

Jumlah Gen Pada Eukaryot • Eukaryot yang paling ekstensif dikaji adalah S. cerevisiae. • Kepadatan ORF ~ 1,4 kb • Sekuens pemisah antara gen ~600 bp • ~70% total genom diisi oleh gen, dengan perkiraan ~6000 gen • Separoh dari gen tersebut telah diketahui sebelumnya atau memiliki hubungan dengan gengen yang diidentifikasi sebelumnya

Jumlah gen pada C. elegans • Struktur genom diisi oleh daerah yang kaya gen dan daerah yang sedikit mengandung gen. • Total gen ~19.000 • ~ 42% memiliki kaitan dengan gen lain dengan gen-gen non nematoda • Dibanding dengan D.melanogaster jumlah gennya lebih banyak, meskipun ukuran genomnya lebih kecil

Ukuran Protein pada Prokaryot • Ukuran molekul protein pada eukaryot cenderung lebih besar dibandingkan dengan ukuran protein prokaryot • Bakteri M. janasschi dan E. coli; memiliki ukuran protein ratarata 287 dan 317 Asam Amino (AA), sedangkan S. cereviasae dan C. elegans berprotein rata-rata 484 dan 442 AA. • Protein dengan ukuran >500 AA jarang ditemukan pada bakteri, tetapi pada eukaryot berjumlah ~1/3 dari total protein yang ada. • Peningkatan ukuran molekul disebabloan oleh adanya domain ekstra (berukuran 100-300 AA) • Peningkatan ukuran protein bukan merupakan sebab utama peningkatan ukuran genom

Berapakah Jumlah Gen Esensial? • Mutasi terjadi secara acak, menimbulkan efek merusak terhadap struktur ORF maupun protein • Seleksi alamiah mencegah akumulasi alel-alel mutan yang tidak menguntungkan. • Mutasi pada gen-gen esensial akan menyebabkan letalitas pada individu. • Seleksi alamiah akan menyeleksi organisme, agar jumlah „gen-gen esensial“ berada dalam jumlah yang mencukupi untuk mencegah letalitas individu

Berapakah Jumlah Gen Esensial? Analisis dilakukan dengan membuat mutanmutan alel. Pada manusia letal gen mencapai >75.000 S. cerevisiae hanya 12% dari 6034 (725) yang lethal, sedangkan 70% mutasi (insersional mutasi) tidak memiliki pengaruh terhadap penotif. E. coli memiliki 50% efek lethal (1800 dari 4388)

Gen-gen Redundan • Kasus S. cerevisiae mengapa ada gen-gen yang dimutasi tidak memiliki efek terhadap penotif? • Redundansi gen: gen yang hadir dengan kondisi multi kopi • Produksi protein dapat digantikan oleh gen kerabatnya • Multi kopi bisa disebabkan oleh adanya fenomena gen-gen famili

Berapa banyak gen yang diekspresikan  Analisis dilakukan secara kinetik (reassosiasi analisis dan hibridisasi kinetik), SAGE (Serial Analysis of Gene Expression) atau HDAs (High Density Oligonucleotide Arrays).  Yeast jumlah gen yang berekspressi ~4000  Jaringan somatis pada eukaryot tingkat tinggi (tumbuhan dan vertebrata kecuali pada otak mamalia lebih besar) mencapai 10.000-15.000.

Berapa banyak gen yang diekspresikan  Jika jaringan somatik memiliki gen-gen yang berekpressi 10.000-20.000, apakah jumlah tersebut sama di setiap jaringan, atau apakah ada gen-gen yang spesifik berekspressi di masing-masing jaringan.  Contoh: Hati anak ayam ~11.000-17.000, sementara pada saluran rahimnya ~13.000-15.000. Mana gengen yang identik dan mana yang spesifik?  12.000 berekpressi di kedua jaringan, sementara ~ 5000 hanya di hati dan ~3000 hanya di saluran rahim.  ~ 10% gen bersifat spesifik di masing-masing jaringan, ~90% aktif pada sel-sel umumnya.

Gen Konstitutiv vs Gen Lux Gen-gen yang berekspresi pada umumnya sel-sel organisme disebut dengan gen konstitutif (housekeeping=constitutive) Gen-gen yang berekspressi pada sel-sel jaringan tertentu disebut gen luxurious (mewah?): spesifik

SELESAI

4. Struktur Protein dan fungsinya dalam penentuan Karakter

Copyright statement: Dengan ini dinyatakan, bahwa seluruh material (teks, gambar, grafik dan seluruh alat bantu penjelas) bahan kuliah dalam format .ppt sebagaimana tercantum disini memiliki hak eksklusif intelektual. Penggunaan diluar untuk keperluan pembelajaran sebagaimana disepakati dalam pemberian material harus mendapatkan izin tertulis dari penyusun dan pelanggaran dalam hal ini akan dikenakan sanksi hukum sebagaimana berlaku dinegara kesatuan Republik Indonesia.

Sub Pokok Bahasan 1. Struktur dasar molekul protein dan fungsi. 2. Berbagai macam tipe struktur protein dan fungsionalitasnya. 3. Fungsi protein sebagai enzim. 4. Metode-metode untuk menganalisis fungsi protein. 5. Denaturasi Protein

1. Struktur dasar molekul protein dan fungsi.

PROTEIN Komponen esensial untuk organisme hidup Jenis protein:

Protein sederhana : hidrolisis menghasilkan hanya asam amino Protein majemuk : hidrolisis menghasilkan asam amino dan senyawa lain (organik –non organik = gugus prostetik)


Asam Amino sebagai Molekul Dasar Protein

H R

C

COOH

NH2


Asam Amino


Simbol-simbol untuk asam-asam amino penyusun protein No. 1. 2. 3. 4.

Asam amino Alanin Arginin Asparagin Asam aspartat

Simbol 3 huruf Ala Arg Asn Asp

Simbol 1 huruf A R N D

5. 6. 7. 8. 9. 10.

Asn + Asp Sistein Glutamin Asam Glutamat Gln + Glu Glisin

Asx Cys Gln Glu Glx Gly

B C Q E Z G

11. 12. 13. 14. 15. 16.

Histidin Isoleusin Leusin Lisin Methionin Phenilalanin

His Ile Leu Lys Met Phe

H I L K M F

17. 18. 19. 20. 21. 22.

Prolin Serin Threonin Tirosin Valin Triptophan

Pro Ser Thr Tyr Val Tri

P S T Y V


Struktur Kimia Senyawa Poplipeptida

Ujung N/N terminal

Ujung C/C terminal source: Wikipedia

Struktur Kimia Senyawa Poplipeptida

H2N– AA1—AA2—AA3—AA4—AAn-2—AAn-1—AAn--- COO

g N (amino)

Ujung C (kar

Klasifikasi protein berdasar fungsi biologisnya Golongan

Fungsi Biologis

1. Enzim

Mengkatalisis reaksi-reaksi biokimia, misalnya ribonuklease, tripsin, amilase, dll.

2. Protein cadangan

Disimpan sebagai bahan cadangan , misalnya gliadin, dalam gandum, zein dalam jagung, ovalbumin dalam putih telu

3. Protein transpor

Mentransfor zat-zat atau unsur tertentu, seperti hemoglobin untuk O2, albumin serum untuk asam lemak dll.

4. Protein kontraktil

Untuk kontraksi jaringan-jaringan tertentu misalnya miosin untuk kontraksi otot, dinein untuk kontraksi cilia dan flagellata

5. Protein pelindung dalam darah mamalia

Melindungi tubuh terhadap agen-agen asing, seperti zat antibodi, fibrinogen dll.

6. Toksin

Racun-racun yang berasal dari hewan atau tumbuhan, seperti risin (racun dalam beras), racun ular, dll.

7. Hormon

Senyawa yang berfungsi sebagai pengatur proses hidup dalam tubuh, seperti insulin, hormon pertumbuahan, dll.

8. Protein struktur

Protein penyusun struktur sel, jaringan dan tubuh organisme, seperti glikprotein untuk dinding sel, keratin untuk rambut, bulu, skleretin untuk bagian luar serangga , dll. Dr. Jamsari, Prog. Studi Pemuliaan Tanaman Jurusan BDP-FPUA

Sintesis Protein = Expressi Gen Dua Proses Utama:

1.Transkripsi : proses menghasilkan RNA pita tunggal yang identik dengan salah satu pita dari pita ganda DNA. 2.Translasi : proses perubahan sekuen asam nukleat RNA kedalam sekuens asam amino penyusun protein.


BIOLOGI MOLEKULER. Smester Genap 2004-2005 Basa pertama

Basa kedua

U U C A G

UUU UUC UUA UUG CUU CUC CUA CUG AUU AUC AUA AUG GUU GUC GUA GUG

Phe Leu

Leu

Ile

Met Val

C UCU UCC UCA UCG CCU CCC CCA CCG ACU ACC ACA ACG GCU GCC GCA GCG

Ser

Pro

Thr

Ala

A UAU UAC UAA UAG

Tyr

CAU CAC CAA CAG

His

AAU AAC AAA AAG

Asn

GAU GAC

Asp

STOP

Gln

Lys

Glu

G UGU UGC UGA UGG

Cys

CGU CGC CGA CGG

Arg

AGU AGC AGA AGG

Ser

GGU GGC GGA GGG

STOP Trp

Arg

Gly


Daftar asam amino, simbol 3 dan 1 huruf serta karakteristik masing-masingnya. Asam amino Alanin Arginin Asparagin Asam aspartat Asn + Asp Sistein Glutamin Asam Glutamat Gln + Glu Glisin Histidin Isoleusin Leusin Lisin Methionin Phenilalanin Prolin Serin Threonin Tirosin Valin Triptophan Asam amino tidak spesifik

Simbol 3 huruf

Simbol 1 huruf

Ala Arg Asn Asp Asx Cys Gln Glu Glx Gly His Ile Leu Lys Met Phe Pro Ser Thr Tyr Val Tri

A R N D B C Q E Z G H I L K M F P S T Y V W X

Karakteristik berdasar gugus R hidropobik Basa Netral Asam Asam Netral Asam Basa Hidropobik Hidropobik Basa Hidropobik Hirdopobik Hidropobik Netral Netral Netral-Hidropobik Hidropobik Hidropobik

Klasifikasi protein sederhana Nama Albumin Globulin

Glutelin Gliadin (Promalin)

Histon Protamin

Sifat Kelarutan Larut dalam air, dapat diendapkan oleh garam dengan kadar tinggi Tidak larut dalam air murni, larut dalam garam encer, tetapi tidak larut dalam larutan garam ¼ atau ½ jenuh. Tidak larut dalam larutan netral, tapi larut dalam larutan basa atau asam encer Tidak larut dalam air atau etanol absolute, tapi larut dalam etanol 70-80% Larut dalam air, tidak larut dalam larutan amonia encer, histon bersifat basa Larut dalam air dan bersifat basa (lebih basa dari histon), danDr.berupa protein kecil. Jamsari, Prog. Studi Pemuliaan Tanaman Jurusan BDP-FPUA

Klasifikasi Protein Majemuk Berdasar Gugus Prostetiknya Nama Nukleoprotein Glikoprotein Phospoprotein Lipoprotein Khromoprotein Flavoprotein

Gugus Prostetik Asam Nukleat Karbohidrat Phospat Lipid Zat Warna (pigmen) Flavin nukleotida

Flavoprotein sering dimasukkan kedalam kelas khromoprotein, karena flavin juga berwarna Dr. Jamsari, Prog. Studi Pemuliaan Tanaman Jurusan BDP-FPUA

2. Berbagai macam tipe struktur protein dan fungsionalitasnya

Struktur Protein Struktur primer, yakni struktur protein berdasarkan sekuen asam amino penyusunnya. GFP-Sekuens (238) • MSKGEELFTGVVPILVELDGDVNGHKFSVSGEGEGDATYGKLTLKFIC TTGKLPVPWPTLVTTFSYGVQCFSRYPDHMKQHDFFKSAMPEGYVQ ERTIFFKDDGNYKTRAEVKFEGDTLVNRIELKGIDFKEDGNILGHKLEY NYNSHNVYIMADKQKNGIKVNFKIRHNIEDGSVQLADHYQQNTPIG DGPVLLPDNHYLSTQSALSKDPNEKRDHMVLLEFVTAAGITHGMDE LYK

Struktur sekunder • Struktur yang terbentuk oleh adanya ikatan hidrogen antara rantai utama peptida.

source: Wikipedia

Struktur tertier Struktur tiga dimensi dari molekul protein tunggal. Struktur tiga dimensi akan ditentukan oleh interaksi hidrofobik non spesifik antara struktur α-heliks dengan struktur pita-β membentuk struktur globular. source: Wikipedia

Struktur quartener • Struktur yang terdiri dari beberapa macam sub unit ikatan polipeptida ataupun protein. Structure of human hemoglobin, source: Wikipedia

Struktur Protein

source: Wikipedia

3. Fungsi protein sebagai enzim

Pengertian Enzim • Enzim: molekul biologis yang berfungsi mengkatalisis (meningkatkan laju) reaksi kimia.

Aktifitas Enzim Dipengaruhi oleh: • Activators: molekul yang meningkatkan aktifitas enzim. • Inhibitors : molekul yang menurunkan aktifitas enzim (obat-obatan dan racun). • Aktiitas dipengaruhi juga temperatur, tekanan, lingkungan kimiawi (pH) dan konsentrasi substrat.

Enzim Gliooksalase.

Human glyoxalase I. Two zinc ions that are needed for the enzyme to catalyze its reaction are shown as purple spheres, and an enzyme inhibitor called S-hexylglutathione is shown as a space-filling model, filling the two active sites (Sumber: Wikipedia)

Klasifikasi Enzim

Aplikasi Enzim

Degradasi oleh Enzim

Karakteristik Enzim Enzymes sederhana: seleuruhnya terdiri dari protein. Konjugated enzymes, terdiri dari protein (apoenzyme) dan satu atau lebih nonprotein Kofactor : ion-ion logam anorganik seperti iron (Fe, magnesium or zinc. Koenzymes: Senyawa organic yang terdiri dari vitamins or turunan vitamin seperti: NAD+, NADP+ and FAD+, berfungsi dalam transfer electrons dan hydrogens yang dilepaskan dalam jalur katabolik. Kofactors dan koenzymes membantu melengkapi struktur conjugated enzyme, membentuk holoenzyme.

Sisi aktif Enzim

Reaksi Enzimatis

Holoenzim

Reaksi enzimatis

Aktitas Enzim

5. Denaturasi Protein

Denaturasi protein • Denaturasi protein : proses dimana proteins kehilangan struktur tertiary dan secondary structure • Penyebab; faktor external senyawa asam-basa kuat, garam inorganik konsentrat,pelarut organik alkohol - chloroform, atau panas. • Denaturasi protein pada sel sel hidup menyebabkan kerusakan aktifitas sel atau kematian sel. • Ciri-ciri denaturasi dapat ditandai dari hilangnya kelarutan.

Denaturasi Protein

Materi V Sintesis Protein: Regulasi Transkripsi pada Prokaryot dan Eukaryot

Copyright Statement:

Dengan ini dinyatakan, bahwa seluruh material (teks, gambar, grafik dan seluruh alat bantu penjelas lainnya) bahan kuliah dalam format .ppt sebagaimana tercantum disini memiliki hak eksklusif intelektual bagi penyusun. Penggunaan diluar untuk keperluan pembelajaran sebagaimana disepakati dalam pemberian material harus mendapatkan izin tertulis dari penyusun dan pelanggaran dalam hal ini akan dikenakan sanksi hukum sebagaimana berlaku di Negara Kesatuan Republik Indonesia.

Sub Pokok Bahasan.

1. Regulasi gen prokaryot dengan model operon. 2. Regulasi positif dan negatif pada prokaryot. 3. Peran protein sebagai Repressor dan aktifator. 4. Faktor transkripsi pengatur protein gen pengkode. 5. Metilasi dan pengaruhnya pada kontrol ekspresi gen.

REGULASI EKSPRESI GEN

Seluruh jaringan meristematis tumbuhan memiliki selsel somatis yang sama


Seluruh jaringan somatis manusia memiliki sel-sel somatis yang sama tapi mengapa membentuk organ yang berbeda?


Regulasi Ekspresi Gen  Setiap sel didalam tubuh mengandung set gen lengkap.  Tetapi tidak semua gen-gen tersebut “on” = berekspresi pada setiap jaringan pada saat yang sama.  Setiap sel didalam tubuh hanya mengekspresikan gen-gen tertentu pada saat-saat tertentu.  Pada setiap fase perkembangan selsel yang berbeda mengekspresikan set-set gen yang berbeda.


Bagaimana sel-sel di dalam mata bisa aktif mensintesis protein yang berguna untuk warna mata? Bukan mensintesis enzim untuk detoksifikasi seperti dalam sel-sel liver?

Turn on – turn off



Regulasi Ekspresi Gen Pengaturan ekspresi gen terjadi pada level transkripsi atau produksi mRNA Sel-sel tertentu mentranskrip hanya set-set gen tertentu tetapi tidak yang lain. Sebagi contoh Insulin dibuat pada sel-sel di dalam pankreas

Regulasi Ekspresi Gen pada Prokaryot

REGULASI EKSPRESI PROKARYOT

Regulasi Ekspresi Gen Prokaryot: • Jika E. coli berada pada lingkungan mengandung laktosa maka E. coli akan menghasilkan enzim beta galactosidase • Beta galactosidase berfungsi untuk memecah lactose untuk digunakan sebagai sumber energi. • Enzim beta galactosidase dikendalikan oleh gen LAC Z • Regulasi terjadi berkat kombinasi antara promotor dengan gen


OPERON • Kombinasi dari promotor dan gen. • Operon adalah klaster sekelompok gen yang mengendalikan pembentukan enzim-enzim sekerabat dan diatur secara bersama.


Operon terdiri dari:  Sisi promotor dimana RNA polymerase berikatan dan proses transkripsi mulai.  Suatau daerah yang berfungsi mengatur transkripsi yang disebut dengan repressor Repressor berkedudukan pada DNA antara Promotor dan gen yang akan ditranskripsi. Daerah tersebut disebut dengan operator


Dua jenis senyawa repressor pengatur ekspresi operon


Gen LAC Z E. coli mengatur produksi Beta Galactocidase menggunakan protein regulator yang disebut dengan repressor Repressor berikatan dengan gen lac Z pada sisi antara promotor dengan titik start sekuens koding. Sisi sekuens dimana repressor berikatan disebut dengan operator


Gen LAC Z • Jika repressor menduduki operator maka transcripsi gen lac Z akan berhenti. • Jika pada lingkungan terdapat laktosa, maka repressor akan berikatan dengan gula, sehingga transkripsi gen Lac Z akan berjalan.

KONTROL OPERON

Dengan demikian enzim beta galactosidase akan dihasilkan, dan gula akan dicerna. Jika gula yang tersedia telah habis dicerna, maka protein repressor akan kembali ke posisi kromosom semula,sehingga transkripsi dalam rangka pembentukan mRNA dari gen Lac Z akan kembali terhenti.

REGULASI LAC-Z

REGULASI LAC-Z

Konsep Penting 1.Kebanyakan regulasi gen difasilitasi oleh protein yang berinteraksi dengan sinyal lingkungan, dengan melakukan pengaturan peningkatan dan penurunan laju transkripsi gen-gen spesifik

2.Kontrol negatif pada organisme prokaryot diatur dengan sistem-lac. Dimana protein repressor memblokade transkripsi melalui pengikatan salah satu sisi DNA yang disebut dengan operator. 3.Kontrol positif pada organisme prokaryot terjadi melalui aktifasi transkripsi oleh protein-protein faktor.

REGULASI LAC-Z

4. Kebanyakan protein-protein regulator memiliki karakteristik struktural khusus. 5. Pada organisme eukaryot kontrol transkripsi difasilitasi oleh sejumlah protein faktor yang berikatan dengan sekuens regulator spesifik 6. Pada eukaryot terdapat sisi sekuens regulator spesifik yang disebut dengan Enhancers turut berfungsi dalam pengaturan ekspressi genetik dengan berinteraksi dengan protein regulator spesifik.


Posisi gen-gen struktural yang terlibat dalam metabolisme lactose pada Bakteri


A


Pengaturan ekpressi genetik pada prokaryot dengan Lac-system


Ekspressi genetik pada prokaryot


Mutasi Lac Operon









Regulasi Ekspresi Gen pada Eukaryot

REGULASI EKSPRESI EUKARYOT

Regulasi Ekspresi Gen Eukaryot • Pada eukaryot terdapat beberapa metode regulasi ekspresi gen. • Kebanyakan sekuens regulator ditemukan pada sisi upstream promotor. • Gen dikendalikan oleh elemen regulator pada daerah promotor yang bertindak sebagai switch “on/off”.


• Faktor transkripsi spesifik berikatan dengan elemen regulator dan mengendalikan transkripsi. • Elemen regulator dapat bersifat spesifik jaringan dan akan mengaktifkan gennya pada satu jenis jaringan saja. • Terkadang ekspresi suatu gen melibatkan fungsi dua atau lebih elemen regulator.


• Sel manusia (eukaryot) mengandung 20,000–25,000 gen • Beberapa diantaranya diekspresikan di seluruh sel pada setiap waktu (housekeeping gene=HKG). • HKG berfungsi terhadap fungsi metabolisme rutin (respirasi). • Beberapa gen berekspresi ketika memasuki jalur diferensiasi khusus


Beberapa gen diekspresikan sepanjang waktu pada sel-sel spesifik yang telah berdiferensiasi. Contoh: sel-sel plasma mengekspresikan gen-gen yang terlibat dalam metabolisme antibodi. Beberapa gen berekspresi tergantung pada kondisi sekitar. Contoh misalnya kehadiran hormon akan mengaktifkan/mematikan gengen tertentu di dalam sel.

EUKARYOT EKSPRESI REGULASI INTRONS dan EXONS

INTRONS dan EXONS Sekuen DNA gen-gen eukaryot memiliki struktur berbeda dengan prokaryot, yang ditandai dengan adanya sekuen noncoding

Koding sekuens disebut EXONS Non koding sekuens disebut INTRONS


INTRONS dan EXONS Setelah tahap awal transkripsi intron dikeluarkan dari posisinya sehingga mRNA matang tidak lagi mengandung sekuen intron. Introns dapat memiliki ukuran yang sangat panjang dan berjumlah sangat banyak. Hal tersebut menyebabkan adanya variasi antara ukuran DNA gen dengan produk mRNAnya.


INTRONS dan EXONS • Gen Muscular dystrophy

• DMD gen memiliki panjang 2.5 Mbp • Memiliki lebih dari 70 introns • Panjang mRNA akhir hanya 17 Kbp


RNA Splicing


• Pengendalian ekpressi genetik pada eukaryot dan organisme tingkat tinggi juga melalui fungsi promotor melalui pengaturan laju transkripsi oleh RNA polymerase II. • Disamping promotor, laju transkripsi juga dipacu oleh sekuens tambahan yang yang disebut dengan enhancers (mammalia) atau UAS‘s (upstream activating sequences)


• Terdiri dari dari sekuens TATA box yang berfungsi mengarahkan RNA polymerase dalam transkripsi. • TATA box bekerjasama dengan dua sekuens upstream lain yakni CCAAT (-40 bp) dan GGGCGG (-110 bp). • Mutasi terhadap sekuens-sekuens tersebut menurunkan laju transkripsi


Posisi promotor dan sekuens upstream pengaktif (UAS=Upstream Activating Sequences)


Enhancer • Enhancer berfungsi meningkatkan laju transkripsi bersama promotor pada DNA yang sama. • Enhancer dapat mempengaruhi laju transkripsi pada jarak beberapa ratus ribu bp (unik). • Pengaruh enhancer dapat bersifat upstream ataupun downstream dari promotor yang diperkuatnya. • Enhancer dan promotor dapat terletak secara overlapping.


Posisi promotor dan enhancer

Modifikasi Ekspresi Genetik

Modifikasi post translasi • Posforilasi: sering terjadi pada kebanyakan enzim dan beberapa protein struktural dalam proses cell signaling. Terjadi pada gugus serin dan threonin untuk berinteraksi • Ubiquitinasi: penambahan senyawa ubiquitin, protein kecil yang dapat berikatan dengan substrat protein-protein tertentu melalui katalisasi enzim E3 ubiquitin ligase • Metilasi, asetilasi, glikosilasi, oksidasi dan nitrosilasi

Metilasi

Sintesis Protein Terdiri dari 3 proses: 1. Inisiasi: Sub unit 30S pada sisi ikatan mRNA bergabung dengan sub unit 50S dan aminoacyltRNA. 2. Elongasi/perpanjangan: Ribosom bergerak sepanjang mRNA, panjang ikatan protein semakin meningkat dengan adanya transfer peptidyl-tRNA ke aminoacyl-tRNA. 3. Terminasi: Rantai polypeptida dilepas dari tRNA, sedangkan ribosom berpisah dari mRNA

Proses Sintesis Protein Inisiasi

5‘

AUG

3‘

Terminasi

Elongasi

5‘

5‘

3‘

3‘

Inisiasi • Inisiasi melibatkan perpasangan antara basa-basa mRNA dan rRNA • Terjadi pada titik lekat ribosom, yang dibuktikan dengan perlindungan pada ~30 basa • Meliputi kodon inisiasi (AUG; GUG-UUG) dan sekuens Shine-Dalgarno. • Sekuens Shine-Dalgarno adalah sekuens heksamer (polypurin) 5‘…AGGAGG…3‘. Terletak <10 basa upstream dari AUG • Sekuens Shine-Dalgarno berikatan dengan sekuens korservatif dengan ujung 3‘ dari 16SRNA

Inisiasi AUG

AUG

AUG

AAACAGGAGGAUUACCCCAUGUCGAAGCAA

Leader

Seluruh daerah inisiasi memiliki dua elemen konsensus

Shine-Dalgarno <10 basa upstream AUG

Daerah Pengkode

AUG di tengah fragmen yang terlindungi

Inisiasi • tRNA-inisiator khusus memulai pembentukan rantai polypeptida • tRNA mengandung residu methionin yang mengalami formylasi membentuk molekul: N-formyl-metionyl-tRNA (fMet-tRNAf) Grup amino terblok

H C O

H NH2 C

H NH C

C O

C O

O

O

Met-tRNA

N-formyl-metionyl-tRNA

Inisiasi Asam amino terformilasi

Formyl Any base

Met

A

Invariant

A

C

Semi invariant

C

C

Sometimes absent

73

C

A Tidak Tidakada adapasangan pasangan

1

72

2

71

C

3

70

C

G

4

69

G

C

5

68

6

67

U* 7

66

C G

C

G

U

C G

A G

C

U C

G

G

D

C

G

C

Lengan D

U

S

A

C*

G

A

33pasangan pasanganG-C G-C

Lengan penerima

Untuk formilasi

A

C

G

G C

C

G

C

C G

G

A A C

C

G U

A

C

G

G

C

G

C

G

C A

C U C

A A

U

T Ψ

U G AG

17 17:1

16

Pu 13 12 Py 10

G* G 20

9

A

Lengan TΨC

Py 65 64 63 62

C

49 50 51 52

G

Py

22 23 Pu 25 A 20:1 20:2

Untuk memasuki sisi P

43

28

42

29

41

30

40

31

39

Py*

Antikodon

U 34

Pu 35

Pu C T

Ψ

Lengan extra

44 45

38 36

A*

47:16 47:15

26 27

59

46 47 47:1

Pada Polycistronic inisiasi terjadi secara independen Inisiasi

Terminasi

Daerah Pengkode Pertama

Inisiasi

Daerah Pengkode Kedua

Elongasi • Terjadi ketika small sub unit dan large sub unit sudah bersatu • Aminoacyl-tRNA memasuki sisi A sedangkan sisi P sudah diisi oleh peptidyl-tRNA. • Mediasi masuknya Aminoacyl-tRNA ke sisi A dibantu oleh elongation Factor (EF-Tu, pada bakteri). Seluruh AminoacyltRNA dapat masuk ke sisi A kecuali t-RNA inisiator. • Ketika Aminoacyl-tRNA sudah memasuki sisi A maka EF-Tu akan melepaskan diri dan bekerja dengan Aminoacyl-tRNA yang lain. • Proses pada bakteri dan eukaryot adalah sama

Elongasi Jalur pemasukan Aminoacyl-tRNA dikendalikan oleh nukleotid Guanin, dengan fungsi sbb: • Ketika ada GTP, EF-Tu menjadi inaktif • Ketika GTP dihidrolisis menjadi GDP, EF-Tu menjadi inaktif • Aktifitas akan muncul ketika GDP digantikan oleh GTP • GTP membentuk ikatan Kompleks biner dengan EF-Tu

Elongasi • Ikatan Kompleks Biner EF-Tu.GTP mengikat Aminoacyl-tRNA untuk membentuk struktur kompleks ternary: Aminoacyl-tRNA.EF-Tu.GTP. • Struktur kompleks ternary Aminoacyl-tRNA.EFTu.GTP hanya akan berikatan dengan sisi A pada ribosom yang sisi P-nya telah diisi dengan PeptidyltRNA. • Proses ini merupakan proses kritis yang akan menentukan keakuratan pembentukan ikatan polipeptida

Elongasi • Aminoacyl-tRNA dimasukkan kedalam sisi A melalui dua fase: • Ujung antikodon berikatan dengan sisi A dari sub unit 30S • Kemudian pengenalan kodon-antikodon mentrigger perubahan konformasi EF-Tu, GTP akan dilepaskan. • Ujung CCA tRNA bergerak ke sisi A sub unit 50S. • Kompleks binari EF-Tu.GDP dilepaskan • Bentuk EF-Tu tersebut tidak aktif dan tidak akan mengikat Aminoacyl-tRNA secara efektif.

Elongasi • Perpanjangan rantai polipeptida terjadi dengan bantuan peptidyl transferase. • Ribosom tetap berada ditempatnya, sedangkan perpanjang terjadi dengan cara translokasi polipeptida pada tRNA disisi P ke aminoacyl-tRNA disisi A.

Model translokasi dalam elongasi

tRNA bergerak didalam sub unit 50S

tRNA kosong keluar dari sisi E

Sub unit 50S bergerak secara relatif terhadap sub unit 30S

Aa tRNA datang

Terminasi • Tiga kodon menterminasi sintesis protein • Amber kodon : UAG, Ochre kodon: UAA: Opal kodon, UGA • Bukti fungsi ketiga kodon tersebut sebagai stop kodon adalah melalui tes genetik • Mutasi missense, menghasilkan perubahan asam amino. Efek terhadap fungsi protein tergantung kepada sisi mutasinya dan karakteristik penggantian asam aminonya • Jika mutasi titik menghasilkan salah satu dari ketiga stop kodon, terjadi terminasi prematur. Pada sel-sel mutant fungsi protein menjadi hilang atau berubah.

Terminasi Kodon terminasi terletak segera pada ujung C asam amino (tipe liar) Salah satu dari ketiga jenis kodon stop (UAG, UAA, UGA) cukup untuk menstop sintesis protein dalam satu gen, baik terjadi karena memang sudah merupakan ujung gen ataupun karena terjadi mutasi. Pada bakteri kodon stop yang sering dijumpai adalah UAA, sementara UGA sering ditemukan dibanding UAG. Tidak satupun kodon terminasi yang bisa berikatan dengan tRNA. Jika tRNA berikatan tidak sempurna dengan kodon stop sebagai akibat kesalahn pembacaan, maka sintesis protein akan tetap berlangsung sampai ketemu stop kodon berikutnya.

Terminasi • Katalisis proses terminasi dilakukan oleh protein, yang disebut release factor (RF). • Terdapat dua jenis RF-1, mengenal UAA dan UAG dan RF-2 mengenal UGA dan UAA. • RF bekerja disisi A pada ribosom dan membutuhkan kehadiran peptidyl-tRNA. • Jumlah RF dalam sel ~600, kira-kira 1 RF untuk 10 ribosom. • RF-1 dan RF-2 mengenali kodon terminasi dan mengaktifkan ribosom untuk menghidrolisis peptidyl tRNA . • Reaksi yang terjadi analog pada proses transfer peptidyl tRNA, tetapi reseptornya bukan aminoacyl tRNA melainkan H2O.

Terminasi • Pelepasan RF-1 dan RF-2 dikatalisis oleh RF-3. • RF3 menggunakan sisi aktif yang sama dengan yang digunakan pada saat elongasi • Mutasi pada pada gen RF menyebabkan reduksi efisiensi terminasi. • Sebaliknya overekspressi RF-1 dan RF-2 meningkatkan efisiensi stop kodon pada sisi dimana dia aktif • Dengan demikian kelihatan terjadi kompetisi pada saat pengenalan kodon terminasi antara RF-1 dan RF-2 dengan aminoacyl-tRNA (yang salah membaca)

Sisi A Ribosom dapat mengikat beberapa jenis protein faktor pada tempat yang sama

EF-Tu tRNA

EF-G Sisi A Sisi P Sisi E

RF3 RF1/2

Beberapa pusat sisi aktif Ribosom Membran

Sisi 5S

Sisi keluar Polypeptida

Sisi A Sisi P Sisi E

Sisi ikatn mRNA S1/S18/S21

mRNA

Akurasi Translasi • Variasi sekuens satu jenis protein sangat jarang. • Merupakan bukti bahwa proses translasi terjadi sangat akurat • Sedikit kesalahan dapat menyebabkan terjadinya substitusi asam amino

Akurasi Translasi • Kemungkinan kesalahan terjadi pada dua tahap: • Pengisian asam amino kedalam tRNA, yang menjadi tugas enzim tRNA sintethase. Perhitungan tingkat kesalahan ~10-5 • Pengenalan kodon-antikodon. Laju kesalahan berkisar <10-5 (misreading= salah baca) • Streptomycin meningkatkan level kesalahan baca basa pirimidin (U dan C) untuk berpasangan dengan basa A. • Akurasi sintesis protein dikendalikan oleh tiga jenis protein: S12, S4 dan S5.

SELESAI

Rekombinasi dan Perbaikan

Rekombinasi  





Rekombinasi merupakan salah satu „mesin“ keragaman genetik Tanpa rekombinasi, maka sumber utama variasi genetik hanya akan berasal dari mutasi Mutasi yang merusak akan berakumulasi, yang pada akhirnya akan menghilangkan kromosom ybs, sehingga mutasi yang menguntungkan juga akan bisa hilang Rekombinasi memungkinkan terjadinya pemisahan mutasi-mutasi yang tidak menguntungkan dengan yang menguntungkan, sehingga berpeluang menghasilkan individu baru

Rekombinasi



Rekombinasi terjadi secara tepat antara sekuens yang berkorespondensi tanpa ada satupun basa nitrogen yang „hilang atau ditambahkan“ dari kromosom rekombinan

Rekombinasi  1.

2.

3. 4.

Macam-macam Rekombinasi: Rekombinasi umum=rekombinasi homolog, pada eukaryot terjadi saat meiosis, baik pada spermatogenesis, maupun pada oogenesis. Rekombinasi sisi spesifik (site spesific recombination), terjadi umumnya pada prokaryot, yakni integrasi genom Phage kedalam bakteri. Integrasi terjadi antara sekuens pendek yang homolog Transposisi: Perpindahan satu segmen sekuens kromosom tanpa ada kaitan homology kedalam kromosom lain. Pilihan salinan (copy choice), dimana polymerase ketika sedang mensintesis RNA berpindah dari satu template ke template lainnya.

Rekombinasi Homolog    



Rekombinasi homolog terjadi saat pembelahan meiosis Frekuensi rekombinasi homolog tidak merata di sepanjang genom Frekuensi tersebut dipengaruhi oleh pengaruh global maupun lokal Frekuensi rekombinasi pada oocyt lebih sering 2 kali lipat dibanding sperma Frekuensi juga dipengaruhi oleh struktur kromosom (crossing over tertekan didaerah sekitar heterokromatin dan daerah yang mengalami kondensasi)

Rekombinasi Homolog 



Rekombinasi antara kromosom melibatkan pertukaran bagian secara fisik. Terjadi peristiwa pemutusan dan penggabungan (breakage and reunion)

Rekombinasi Homolog

Rekombinasi Homolog

Rekombinasi Homolog

Rekombinasi Homolog

Rekombinasi Homolog

Rekombinasi Homolog

Rekombinasi Homolog

Rekombinasi Homolog

Rekombinasi Homolog

Rekombinasi Homolog

Rekombinasi Homolog

Rekombinasi Homolog

Rekombinasi Homolog

Rekombinasi Homolog

Rekombinasi Homolog

Rekombinasi Sisi Spesifik





Sistem Repair / Perbaikan 





Kerusakan DNA diminimalisir oleh adanya sistem pengenalan dan perbaikan Pengukuran laju mutasi mencerminkan adanya keseimbangan antara jumlah event yang merusak dengan jumlah kerusakan yang berhasil diperbaiki (salah diperbaiki) Kerusakan DNA diartikan sebagai penyimpangan terhadap struktur double helix biasanya

Dua Kelas Utama Perubahan 



Perubahan basa tunggal: mempenagruhi sekuens, tetapi tidak mempengaruhi struktur secara keseluruhan. Biasanya tidak mempengaruhi transkripsi atau replikasi. Gangguan struktur: dapat mempengaruhi replikasi dan transkripsi.

Perubahan basa tunggal

Gangguan Struktural

Sistem Perbaikan 

  



Perbaikan langsung: melakukan pembuangan, ataupun fotoreaktifasi. Banyak terjadi dialam, terutama pada tumbuhan Perbaikan penggantian. Kerusakan pada basa dibuang, lalu diganti dengan insersi Perbaikan salah pasangan Sistem toleransi Sistem Retrieval

Sistem Eksisi/penggantian pada E. coli

Sistem Uvr

Sistem dam Methylase

Sistem Retrieval pada Bakteri

TRANSPOSON

Crossing-over yang Tidak Sama Gen 1

Gen 2

Chr 1 Cross over

Chr 1‘

Gen 1

Gen 2

Chr 1 Chr 1‘ Kromosom rekombinan resiprok

Chr 1 Cross over

Chr 1‘

Gen 1

Chr 1 Chr 1‘ Kromosom rekombinan non-resiprok

Transposon  





Faktor lain penyebab keragaman genetik Merupakan sekuens diskret di dalam genom yang bersifat „mobile“ Sekuen transposon dapat memindahkan dirinya dari satu lokasi ke lokasi lain dalam genom tsb. Perpindahan sekuens transposon tidak ada kaitannya dengan hubungan antara „donor dan resipien“

Kelas Transposon Ada dua kelas transposon:  Sekuens DNA yang mengkode protein dan mampu memanipulasi DNA untuk berpropagasi sendiri di dalam genom, terdapat pada pro- maupun eukaryot.  Sekuens retrovirus: sekuens RNA yang mampu membuat kopi DNA, kemudian kopi DNA tersebut berintegrasi kedalam sisi baru di dalam genom

Transposon dapat menyebabkan rearransemen struktur genom baik secara langsung maupun tidak langsung. 



Event transposisi dapat menyebabkan delesi ataupun inversi, atau menyebabkan perpindahan sekuens inang kepada lokasi baru. Transposon bertindak sebagai „daerah homology portable“ baik pada kromosom yang sama maupun pada kromosom yang berbeda, sehingga memungkinkan terjadinya rekombinasi resiprok. Event ini dapat menghasilkan delesi, insersi, inversi atau translokasi.

Sekuens Insersi „IS“ adalah transposon paling sederhana   

Sekuens transposon yang pertama kali teridentifikasi pada bakteri operon Insersi yang terjadi mencegah transkripsi dan/atau translasi gen yang diinsersinya. Penamaan: IS1-4 (huruf 1-4 menggambarkan sejarah isolasinya, tapi tidak menggambarkan jumlah elemen yang diisolasi selama ini.

Sekuens IS  







Strain E. coli (standar) memiliki <10 kopi elemen IS Untuk menggambarkan sekuens IS pada tempat tertentu digunakan double titik dua, contoh: λ::IS1, berarti elemen IS yang berinsersi ke dalam lambda phage. Elemen IS merupakan unit autonom yang masing-masing hanya mengkode protein yang dibutuhkan untuk mensponsori transposisinya. Setiap elemen IS memiliki sekuens yang berbeda, tetapi memiliki karakteristik umum yang sama dalam organisasinya. Elemen IS berakhir dengan sekuens ujung ulangan inversi „inverted terminal repeat“

Overview inverted sequence 987654321 987654321

123456789 123456789 Gen transposase

ATGCA TACGT Sekuens target

DNA host 987654321 987654321 Ulangan inversi

ATGCA 123456789 TACGT 123456789 Ulangan Ulangan Target inversi

Tipe

Panjang

IS1 IS2 IS4 IS5 IS10R IS50R IS903

9 bp 5 bp 11-13 bp 4 bp 9 bp 9 bp 9 bp

Panjang 23 41 18 16 22 9 18

bp bp bp bp bp bp bp

ATGCA TACGT Ulangan Target

Panjang keseluruhan

Seleksi target

768 1327 1428 1195 1329 1531 1057

Random Hotspot AAAN20TTT Hotspot NGCTNAGCN Hotspot random

bp bp bp bp bp bp bp

Transposon Komposit = Tn    

Sejenis transposon dengan ukuran besar Daerah pusat mengandung marker resistensi terhadap obat (atau lainnya) Diapit oleh lengan kiri dan kanan Lengan kiri dan kanan dapat merupakan ulangan, atau bersifat inversi.

Transposon Komposit = Tn Modul IS berulang ISL=kiri

ISR=kanan Marker transposon

Modul IS memiliki ulangan terinversi Contoh: Tn9 IS1

Modul ModulIS memiliki ulangan terinversi ulangan terinversi camR

Modul IS identik

Modul IS terinversi ISL=kiri

ISR=kanan Marker transposon

Transposon ujung kiri marker Tn903 IS903 kanR Tn10 IS10L tetR tidak fungsional Tn5 IS50L kanR tidak fungsional

Ujung kanan kedua ujung IS fungsional IS10R fungsional IS50R fungsional

Retrovirus=Retroposon=retrotransp oson RNA

Provirus

RNA

Extraselluler

Retrovirus

Siklus Retrovirus=provirus 

 

Tahap penting dalam siklus hidup provirus adalah perubahan RNA virus menjadi DNA DNA selanjutnya berintegrasi dengan genome inangnya Kemudian DNA dalam genom inangnya menghasilkan transkript dalam bentuk RNA

Siklus Retrovirus=provirus 





Pembentukan DNA duplex dari RNA retrovirus dikatalisis oleh reverse transkriptase Integrasi DNA tersebut kedalam genome inang dikatalisis oleh enzim integrase Transkripsi untuk menghasilkan RNA didalam genom inang dikendalikan oleh sistem mekanisme inang

„Genome retrovirus“ 

 

Mengandung sekuens 3 atau 4 „gene“ (coding region) Tipikalnya adalah: gag-pol-env Struktur mRNA juga konvensional memiliki strzktur cap pada ujung 5‘ dan Poly A pada ujung 3‘

„Genome retrovirus“ 80-100

R U5 10-80

gag ~2000

170-260

pol ~2900

env

U3 R

~1800

translasi

prosesing

prosesing

Supressing atau frameshift ujung gag

Masing-masing gen menghasilkan beberapa protein 





Gag : MA = matrix (terletak antara nukleocapsid dan envelop viral) CA = capsid (komponen struktur paling banyak) NC = nucleocapsid Pol : PR = protease (memutus Gag-Pol-Env) RT = reverse transkriptase (sintesis DANN) IN = integrase (integrasi polyvirus DANN ke genom) SU : SU = protein surface TM = transmembrane (mediasi fusi virus-inang)

Virus Pita Plus   

Retrovirus disebut juga dengan virus pita plus (plus strand virus). RNA-nya sendiri yang mengkode produk proteinnya Reverse transkriptase memiliki aktifitas seperti halnya DNA polymerase, mampu mengkatalisis pembentukan duplex DANN dari ssRNA

Perbandingan struktur RNA dan DNA yang dibentuk retrovirus 80-100

R U5 10-80

gag ~2000

170-1260

pol ~2900

env

U3 R

~1800

RNA virus 80-100

U3 R U5

gag ~2000

DNA linear virus

170-1260

pol ~2900

env ~1800

LTR

LTR

250-1400 bp

250-1400 bp

U3 kehilangan 2 bp pada ujung kirinya

U5 kehilangan 2 bp pada ujung kanannya 80-100

Inang

U3 R U5

U3 R U5

gag ~2000

4-6 bp ulangan DNA target

DNA terintegrasi antara inang-virus

170-1260

pol ~2900

env

U3 R U5

Inang

~1800 4-6 bp ulangan DNA target

D. Melanogaster memiliki berbagai elemen mobile     

 

Ada 3 jenis transposon: copia, FB, dan elemen P Copia memiliki banyak famili yang tidak berhubungan, tetapi memiliki struktur dan prilaku yang sama. Jumlah salinan (kopi) elemen copia bisa mencapai 20-60. Posisinya terdispersi Selama proses evolusi, terjadi peningkatan jumlah per genom antara 2-3x. Ukuran elemen copia ~5000 bp, dengan ujung ulangan yang identik. Variasi antara elemen copia disebabkan oleh delesi kecil

Transposon pada D. melanogaster Ulangan langsung Copia 20-60 kopi

Ulangan terinversi panjang FB ~30 kopi

Ulangan terinversi pendek P 0-50 kopi

Pendahuluan

Recommend Documents