14/17 November 2011 Tatap Muka 8: Heredity III
XI. Expresi Gen (From Gene to Protein) Diambil dari Campbell et al (2009), Biology 8th Pada bab sebelumnya telah dijelaskan bahwa sifat (trait) yang diturunkan dibawa oleh gen. Informasi yang dibawa gen terdapat dalam bentuk sekuen khusus nukleotida di sepanjang untai DNA. Bagaimanakah informasi ini mampu menentukan sifat suatu organisme? Atau dengan kata lain apakah sebenarnya yang dikomunikasikan oleh gen? dan bagaimana pesan dalam gen tersebut diterjemahkan oleh gen ke dalam sifat khusus seperti rambut hitam, golongan darah B, dan ada tidaknya pigmen? DNA yang diwarisi oleh organisme merujuk pada suatu sifat tertentu dengan cara mendikte sintesis protein dan sintesis molekul RNA yang trlibat dalam sintesis protein. Dengan kata lain, protein merupakan penghubung antara genotif dan fenotif. Expresi gen adalah proses dimana DNA mengarahkan sintesis protein. Expresi gen yang mengkode protein terdiri atas dua tahap: transkripsi dan translasi. Bab ini membahas aliran informasi dari gen menuju protein dan menjelaskan bagaimana mutasi mempengaruhi organisme melalui perubahan protein. Konsep kunci yang dibahas meliputi: 1. Genes specify proteins via transcription and translation 2. Transcription is the DNA-directed synthesis of RNA 3. Eukaryotic cells modify RNA after transcription 4. Translation is the RNA-directed synthesis of a polypeptide 5. Point mutations can affect protein structure and function Adapun kompetensi yang diharapkan adalah: ________________________________________________________________________ 1. Mahasiswa mampu menerangkan aliran informasi dari gen menuju protein 2. Mahasiswa mampu membandingkan transkripsi dan translasi pada prokariot dan eukariot secara umum 3. Mahasiswa mampu mendeskripsikan transkripsi menggunakan terminologi mRNA, RNA polimerase, promoter, terminator, unit transkipsi, inisiasi, elongasi, terminasi dan intron 4. Mahasiswa mampu mendeskripsikan translasi menggunakan terminologi tRNA, ribosom, ribosom, inisiasi, elongasi, dan terminasi 5. Mahasiswa mampu menerangkan dua tipe dasar point mutations ________________________________________________________________________
1. Genes specify proteins via transcription and translation Basic Principles of Transcription and Translation Gen menyimpan instruksi untuk membuat protein tetapi gen tidak menyusun protein secara langsung. Jembatan antara DNA dan sintesis protein adalah RNA. Basa nukleotida yang menyusun RNA adalah A, G, C, dan U. RNA pada umumnya tersusun atas untai tunggal. 149
Transcription adalah sintesis RNA dibawah arahan DNA. Keduanya menggunakan bahasa yang sama sehingga informasi dari DNA disalin begitu saja dari satu molekul ke molekul yang lain (basa T pada DNA disalin menjadi basa U pada RNA). Untai tunggal DNA bertindak sebagai template untuk penyusunan sekuen nukleotida RNA (seperti pada proses replikasi DNA, perbedaannya pada replikasi DNA yang disusun pada template induk adalah sekuen nukleotida DNA). Bagi gen pengkode protein, molekul RNA tersebut merupakan transkrip dari instruksi penyusunan-protein dari gen (RNA ini dapat dihasilkan dalam jumlah yang banyak melalui proses transkripsi). Tipe molekul RNA semacam ini disebut messenger RNA (mRNA) karena molekul ini membawa pesan genetik dari DNA menuju mesin pensintesa-protein dalam sel. (Transkripsi merupakan istilah umum untuk sintesis berbagai tipe RNA dari template DNA dan ada berbagai tipe RNA yang dihasilkan melalui transkripsi). Translation adalah sintesis polipeptida yang terjadi melalui arahan dari mRNA. Selama proses ini terdapat perubahan bahasa. Sel harus menterjemahkan urutan molekul basa mRNA ke dalam urutan asam amino polipeptida. Tempat terjadinya penerjemahan/translasi adalah ribosom yaitu suatu komponen partikel yang memfasilitasi penggabungan asam amino yang berurutan menjadi rantai polipeptida. Mekanisme dasar dari transkripsi dan translasi pada sel prokariot dan sel eukariot adalah serupa namun terdapat perbedaan penting dalam aliran informasi genetik dalam sel. Karena sel prokariot tidak memiliki membrane nukleus, maka DNA-nya tidak terpisah dari ribosom (Figure 17.3a). Karena tidak adanya pemisahan ini maka translasi mRNA sudah dapat dimulai walaupun transkripsi sedang berlangsung. Pada sel eukariot nukleus memiliki membran inti yang memisahkan transkripsi dan translasi menurut waktu dan tempat (Figure 17.3b). Transkripsi terjadi di dalam nucleus dan mRNA ditransport menuju sitoplasma dimana translasi terjadi. Namun, sebelum meninggalkan nucleus, RNA eukariot yang mentranskrip kode dari gen (disebut pre-mRNA) mengalami berbagai modifikasi sehingga menghasilkan mRNA yang fungsional.
The Genetic Code Codons: triplets of Bases Triplet basa nukleotida adalah unit terkecil yang mampu mengkode keseluruhan jenis asam amino. Banyak percobaan yang telah membuktikan bahwa aliran informasi dari gen menuju protein didasarkan pada triplet code. Instruksi genetic untuk menyusun rantai polipeptida tertulis di dalam DNA sebagai rangkaian yang tidak saling overlap dan tersusun atas tiga nukleotida. Selama transkripsi, gen menentukan urutan dari basa sepanjang molekul mRNA (Figure 17.4). Untuk tiap-tiap gen, hanya satu dari dua untai DNA yang ditranskripsi. Untai ini disebut template strand karena untai tersebut menyediakan pola atau cetakan urutan nukleotida dalam transkrip RNA. Molekul mRNA merupakan komplemen dari DNA template karena basa RNA disusun berdasarkan aturan pasangan basa. Pasangannya adalah serupa dengan yang dihasilkan pada replikasi DNA tetapi U pada RNA menggantikan T dan berpasangan dengan A, serta nukleotida dari mRNA mengandung ribose bukan deoxyribose. Seperti pada sintesis untai baru DNA, molekul RNA yang disentesis dari template DNA juga disusun dengan arah antiparalel. Sebagai contoh, basa triplet DNA adalah ACC (dibaca 3’ACC-5’) menjadi template bagi tersusunnya 5’-UGG-3’ mRNA. Basa triplet pada mRNA ini disebut kodon, dan pada umumnya tertulis dengan arah 5’-3’. Pada contoh diatas UGG merupakan kodon bagi asam amono tryptophan (Trp). Istilah kodon juga digunakan untuk basa triplet DNA pada untai non-template. 150
Selama translasi, sekuen dari kodon di sepanjang untai mRNA di terjemahkan (translasi/dekode) ke dalam sekuen asam amino yang menyusun rantai polipeptida. Figure 17.5 menunjukkan hubungan antara kodon dan protein yang disintesis.
151
2. Transcription is the DNA-directed synthesis of RNA Molecular Components of Transcription mRNA sebagai pembawa informasi dari DNA menuju ribosom, ditranskripsi dari untai template suatu gen. Enzim RNA polimerase memisahkan dua untai DNA dan menggabungkan nukleotida RNA dengan basa pasangannya pada template DNA (Figure 17.7). Sekuen nukleotida yang spesifik pada untai DNA menandai tempat dimana transkripsi gen bermula dan berakhir. Sekuen DNA dimana RNA polimerase menempel dan memulai transkripsi dikenal sebagai promoter (pada bacteria signal yang mengakhiri transkripsi dikenal sebagai terminator). Untai DNA yang ditranskripsi ke dalam molekul RNA disebut unit transkripsi.
152
Synthesis of an RNA Transcript Terdapat tiga tahap transkripsi (Figure 17.7) yaitu inisiasi, elongasi, dan terminasi.
153
RNA polymerase Binding and Initiation of Transcription Di dalam suatu promoter sudah terdapat signal tempat mulainya transkripsi. Selain itu promoter juga menentukan untai DNA mana yang akan dijadikan template untuk ditranskripsi (DNA memiliki dua untai berbetuk helix – double helix). Pada sel eukariot, komponen protein yang disebut factor transkripsi menjadi media pengikatan RNA polimerase, dan menjadi tempat inisiasi transkripsi. Elongation of the DNA Strand RNA polimerase bergerak sepanjang DNA, membuka untaian double helix-nya untuk dipasangkan dengan nukleotida RNA. Suatu enzim menambahkan untai nukleotida yang baru terbentuk sehingga untai RNA ini memanjang. RNA nukleotida yang baru tersebut terlepas dari template DNA, dan dua untai DNA yang terpisah menyatu kembali menjadi doublehelix. Termination of transcription Mekanisme terminasi pada sel eukariot berlangsung sebagai berikut. RNA polimerase mentranskripsi suatu sekuen DNA yang disebut signal poliadenilasi (AAUAAA), kemudian pada panjang nukleotida 10-25 suatu protein memotong rangkaian nukleotida RNA tersebut. Rangkaian RNA ini desebut sebagai pre m-RNA. Pre m-RNA selanjutnya akan mengalami modifikasi.
154
3. Eukaryotic cells modify RNA after transcription Enzim yang berada dalam nucleus sel eukariot memodifikasi pre m-RNA secara khusus sebelum pesan genetic dibawa menuju sitoplasma. Selama pemrosesan RNA, kedua ujung RNA diubah. Pemrosesan lain adalah adanya pemotongan dan penggabungan bagianbagian RNA. Alteration of mRNA Ends Tiap ujung mRNA dimodifikasi secara khusus (Figure 17.9). Ujung 5’ dimodifikasi terlebih dahulu dan menerima 5’ cap. Ujung 3’ juga dimodifikasi sebelum mRNA keluar dari nucleus. Ujung 3’ ini dimodifikasi dengan pembentukan poly-A-tail.Fungsi dari kedua ujung ini adalah memfasilitasi keluarnya mRNA dari nucleus, melindungi mRNA dari enzim hidrolitik, membantu pelekatan pada ribosom.
Split Genes and RNA splicing Pemrosesan RNA lain yang dilakukan dilakukan di dalam nucleus adalah dengan membuang bagian-bagian RNA tertentu dan menggabungkan kembali bagian-bagian yang dibutuhkan (disebut RNA splicing) (Figure 17.10).
Sebagian besar dari gen eukariot beserta transkrip RNA-nya memiliki rangkaian nukleotida noncoding yaitu bagian yang tidak ditranslasi. Rangkaian noncoding ini terletak diantara segmen gen sehingga rankaian noncoding tersebut juga terdapat pada pre mRNA. Segmen nukleotida noncoding ini disebut intron, sedangkan yang mengkode disebut exon (karena exon pada umumnya diekspresikan dengan cara ditranslasikan dalam rangkaian asam amino). 155
4. Translation is the RNA-directed synthesis of a polypeptide Molecular Components of Translation Dalam melakukan proses translasi, sel menginterpretasikan pesan genetik ke dalam pembentukan polipeptida. Pesan tersebut terdapat dalam rangkaian kodon pada molekul mRNA, sedangkan interpreter-nya adalah transfer RNA (tRNA). Fungsi tRNA adalah mentransfer asam amino dari sitoplasma menuju ribosom. Ribosom merangkai asam amino yang dibawa oleh tRNA menjadi rangkaian polipeptida (Figure 17.13).
Kunci dari translasi pesan genetic menjadi rangkaian asam amino tertentu adalah bahwa tiap-tiap molekul tRNA mentranslasikan kodon mRNA ke dalam asam amino tertentu. tRNA yang masuk ke dalam ribosom membawa asam amino pada ujungnya sedangkan pada ujung yang lainnya terdapat triplet nukleotida yang disebut antikodon, yang berpasangan dengan kodon mRNA.
156
Ribosomes Ribosom tersusun atas dua sub unit yaitu subunit besar dan subunit kecil (Figure 17.6). Subunit ribosom tersusun atas protein dan molekul RNA yang disebut ribosomal RNA (rRNA). Setiap ribosom memiliki selain memiliki tempat untuk mengikat mRNA juga memiliki tempat untuk mengikat tRNA yaitu sisi P, sisi A, dan sisi E. Sisi P mengikat tRNA yang membawa rangkaian polipeptida, sisi A mengikat tRNA yang membawa asam amino berikutnya yang akan dirangkai, sisi E adalah tempat keluarnya tRNA.
Building a Polypeptide (Translasi dapat dibagi menjadi tiga tingkatan yaitu inisiasi, elongasi dan terminasi). Ribosom Association and Initiation of Translation Inisiasi diawali dengan mengumpulnya mRNA, tRNA yang membawa asam amino pertama, dan dua subunit ribosom. Subunit ribosom kecil mengikat mRNA dan tRNA yang membawa asam amino methionin, kemudian subunit ribosom besar menempel. Secara keseluruhan komponen ini disebut sebagai translation initiation complex. Suatu protein ynag 157
disebut initiation factor dibutuhkan untuk menjaga translation initiation complex tetap menyatu. Elongation of the Polypeptide Chain Pada elongasi translasi, asam amino ditambahkan satu persatu ke asam amino sebelumnya. Setiap penambahan asam amino membutuhkan protein yang disebut elongation factor. Elongasi berlangsung dalam siklus yang terdiri atas tiga tahap yaitu pengenalan kodon, pembentukan ikatan peptide, dan translokasi (Figure 17.18).
Termination of Translation Tahap akhir translasi adalah terminasi (Figure 17.19). Elongasi akan berjalan terus menerus hingga kodon “stop” pada mRNA mencapai sisi A pada ribosom. Protein yang disebut release factor terikat secara langsung pada kodon “stop” di sisi A.
158
Completing and Targeting the Functional Protein Proses translasi seringkali tidak mampu membentuk protein fungsional sehingga perlu dimodifikasi. Protein folding and post-transitional Modifications Selama disintesisi, rantai polipeptida secara spontan menggulung dan melipat sebagai akibat dari urutan asam aminonya sehingga membentuk protein dengan bentuk tertentu. Modifikasi juga masih diperlukan sehingga protein dapat berfungsi dalam sel. Asam amino tertentu secara kimiawi dimodifikasi dengan penambahan gula, lipid, pospat dan lain-lain. Targeting Polypeptides to Specific Locations Dua kelompok ribosom terdapat dalam sel eukariot yaitu ribosom bebas dan ribosom terikat pada ER. Ribosom bebas pada umumnya mensintesis protein yang digunakan dan berfungsi dalam sitosol sedangkan ribosom terikat mensintesis protein untuk sistem endomembran (membran inti, ER, badan Golgi, lisosom, vakuola, membran plasma) dan protein yang disekresikan oleh sel seperti insulin. Kedua kelompok ribosom tersebut identik dan dapat bertukar tempat. Faktor apakah yang menentukan suatu ribosom akan bebas atau terikat ER? Sintesis polipeptida selalu berawal di sitosol yaitu ketika ribosom bebas mulai mentranslasikan molekul mRNA. Proses tersebut akan berlangsung di sitosol tetapi jika terdapat signal, maka ribosom akan menempel pada ER. Signal tersebut adalah signal peptida (signal-recognition particle – SRP) (Figure 17.21).
159
5. Point mutations can affect protein structure and function Perubahan informasi genetic dari suatu sel yang disebut mutasi bertanggungjawab terhadap diversitas gen pada suatu organisme karena mutasi adalah sumber pembentukan gen baru. Point mutation adalah perubahan kimiawi dari satu pasangan basa suatu gen. Jika point mutasi terjadi dalam gamet atau sel penghasil gamet, maka mutasi tersebut akan diteruskan ke keturunannya. Jika mutasinya memberikan efek yang kuat terhadap fenotip organisme maka kondisi mutant dikatakan memiliki kesalahan genetic atau penyakit keturunan. Types of Point Mutations Point mutasi dalam gen dapat dibedakan menjadi dua kategori yaitu substitusi pasangan basa dan penyisipan atau penghilangan pasangan basa. Substitutions Substitusi pasangan basa adalah penggantian satu nukleotida dan pasangannya dengan pasangan nukleotida yang lain. Suatu substitusi dikatakan silent mutation karena tidak memiliki efek terhadap protein yang dikode. Dengan kata lain perubahan dalam pasangan basa dapat mengubah kodon tetapi tidak mengubah asam amino yang ditranslasikan. Substitusi yang mengubah asam amino menjadi asam amino lain disebut missense mutation. Mutasi ini mungkin hanya memiliki efek sedikit terhadap protein yang dihasilkan karena asam amino baru (hasil mutasi) dapat memiliki sifat yang sama dengan asam amino yang digantinya, atau mutasi terjadi pada area dimana urutan asam amino tidak menggangu fungsi protein secara esensial. Substitusi pasangan basa dapat mengakibatkan perubahan besar pada protein yang dikode. Point mutasi dapat mengubah kode asam amino menjadi kode “stop” (disebut 160
nonsense mutation) dan menjadikan translasi berhenti secara premature. Polipeptida yang dihasilkan menjadi lebih pendek dari pada yang seharusnya. Hampir keseluruhan mutasi nonsense menghasilkan protein yang tidak berfungsi.
Insertions and Deletions Insertion dan deletion adalah penambahan atau pengurangan pasangan basa suatu gen. Mutasi ini lebih sering memberikan efek menghancurkan terhadap protein yang dihasilkan dari pada mutasi substitusi. Penambahan atau pengutrangan pasangan basa mengubah pembacaan frame dari pesan genetic (perubahan pembacaan kodon). Mutasi semacam ini disebut frameshift mutation. Mutagens Mutasi dapat terjadi melalui bebrapa cara. Kesalahan selama replikasi DNA atau rekombinasi dapat menyebabkan substitusi pasangan basa, penambahan atau pengurangan pasangan basa. Jika basa yang tidak tepat ditambahkan pada rantai yang sedang terbentuk 161
dalam replikasi DNA maka basa ini tidak memiliki pasangan yang tepat pada untai pasangannya. Pada umumnya kekeliruan seperti ini akan diperbaiki oleh sistem. Namun demikian, jika tidak terdapat perbaikan maka untai dengan basa yang keliru akan digunakan sebagai template pada periode replikasi berikutnya (satu dari 10 10 nukleotida berubah dan diturunkan). Mutagen adalah factor kimiawi dan fisik yang berinteraksi dengan DNA sehingga menyebabkan mutasi. Sinar X menyebabkan perubahan genetic pada lalat buah. Sinar X dan bentuk energi radiasi yang tinggi menyebabkan kerusakan materi genetic. Radiasi mutagenic diantaranya adalah UV. Mutagen kimiawi dapat dikelompokkan menjadi beberapa kategori. Basa analog adalah substansi kimia yang menyerupai basa DNA normal yang keliru dipasangkan selama replikasi DNA. Sebagian mutagen kimiawi mengintervensi replikasi dengan cara menyisipkan diri pada DNA sehingga mengubah bentuk double helix.
162
