Kromosom, gen,DNA, sinthesis protein dan regulasi

Kromosom, gen,DNA, sinthesis protein dan regulasi Oleh:
Fatchiyah dan Estri Laras Arumingtyas
Laboratorium Biologi Molekuler dan Seluler
Universitas Brawijaya
Malang 2006
2.1.Pendahuluan
Era penemuan materi genetik telah dibuka oleh F Miescher dengan
menggunakan mikroskop sederhana, dia telah menetapkan bahwa bahan aktif
yang ada di dalam nukleus disebut sebagai nuclein. Peneliti ini belum bisa
menetapkan apakah nuclein ini kromosom ataukah DNA. Kromosom ditemukan
pada awal abad ke 19 merupakan struktur seperti benang pada nukleus sel
eukariot yang nampak pada saat sel mulai membelah. Kromosom berjumlah
diploid pada setiap selnya, dan pada
autosomal
membawa
maupun
seks-kromosom
gen-gen yang
berpasangan,
kecuali pada kromosom-Y.
Gambar 1. Diagram skematik kromosom,
gene dan struktur heliks
DNA.
Gena adalah unit heriditas suatu organisme hidup. Gen ini dikode dalam
material genetik organisme, yang kita kenal sebagai molekul DNA, atau RNA
pada beberapa virus, dan ekspresinya dipengaruhi oleh lingkungan internal
atau eksternal seperti perkembangan fisik atau perilaku dari organisme itu.
Gena tersusun atas daerah urutan basa nukleotida baik yang mengkode suatu
informasi genetik (coding-gene region as exon) dan juga daerah yang tidak
mengkode informasi genetik (non-coding-gene region as intron), hal ini
penting untuk pembentukan suatu protein yang fungsinya diperlukan di
tingkat sel, jaringan, organ atau organisme secara keseluruhan.
Molekul DNA membawa informasi hereditas dari sel dan komponen
protein (molekul-molekul histon) dari kromosom mempunyai fungsi penting
dalam pengemasan dan pengontrolan molekul DNA yang sangat panjang
sehingga dapat muat didalam nucleus dan mudah diakses ketika dibutuhkan.
Selama reproduksi, Jumlah kromosom yang haploid dan material genetik DNA
hanya separoh dari masing-masing parental, dan disebut sebgai genom.
2.2 Struktur DNA
Pada tahun 1953, James Watson and Francis Crick telah membuka
wawasan baru tentang penemuan model struktur DNA. Publikasi dari model
double heliks DNA ini disusun berdasarkan penemuan:
1. Penemuan struktur asam nukleat dari Pauling & Corey
2. Pola difraksi DNA (Single-crystal X-ray analysis) dari Wilkins &
Franklin
3. Pola perbandingan jumlah A-T, G-C (1:1) dari Chargaff atau dikenal
sebagai Hukum Ekivalen Chargaff:
·
Jumlah purin sama dengan pirimidin
·
Banyaknya adenin sama dengan timin, juga jumlah glisin sama
dengan sitosin.
DNA terbentuk dari empat tipe nukleotida, yang berikatan secara
kovalen membentuk rantai polinukleotida
(rantai DNA atau benang DNA)
dengan tulang punggung gula-fosfat tempat melekatnya basa-basa.
Dua
rantai polinukleotida saling berikatan melalui ikatan hydrogen antara basabasa nitrogen dari rantai yang berbeda. Semua basa berada di dalam double
helix dan tulangpunggung gula-fosfat berada di bagian luar.
Purin selalu
berpasangan dengan pirimidin (A-T, G-C). Perpasangan secara komplemen
tersebut memungkinkan pasangan basa dikemas dengan susunan yang paling
sesuai. Hal ini bisa terjadi bila kedua rantai polinukleotida tersusun secara
antiparalel.
Gambar2. Struktur basa pirimidine (Cytosine, Thimine, Urasil), purine
(Adenine, Guanine), Gula pentosa, ribonucleic acid,
deoxyribonucleic acid.
dan
B A Gambar 3. Pembentukan secara skematik struktur dsDNA dari gula
fosfat sebagai ‘backbone‛ dan basa nukleotida (A). Dua ikatan
hidrogen dari AT dan 3 ikatan hidrogen untuk GC (B).
Untuk
memaksimumkan
pengemasan
pasangan basa tersebut, kedua tulangpunggung
gula-fosfat
double
tersebut
heliks,
berpilin
dengan
satu
membentuk
putaran
komplementer setiap 10 pasang basa. Polaritas
dari rantai DNA ditunjukkan dengan sebutan
ujung 5‛ dan ujung 3‛. Arah pembacaan basa
nukleotida dari ujung-5‛ menuju ujung-3‛. Gambar 4. Bentuk skematik
double-helix DNA
Gambar 4. Jarak antara basa nukleotida dan lekukan minor dan major dari
Jarakmolekul
antara dsDNA
nukleotida satu dengan berkutnya adalah 3.4 nm. Ujung
3‛ membawa gugus –OH bebas pada posisi 3‛ dari cincin gula, dan ujung 5‛
membawa gugus fosfat bebas pada posisi 5‛ dari cincin gula.
DNA dobel heliks dapat dikopi secara persis karena masing-masing
untai mengandung sekuen nukleotida yang persis berkomplemen dengan
sekuen
untai
pasangannya.
Masing-masing untai dapat
berperan
untuk
sebagai
sintesis
cetakan
dari
untai
komplemen baru yang identik
dengan pasangan awalnya.
Gambar 4. Proses replikasi sederhana
molekul DNA.
2.3 Sintesis Protein
Proses sintesis protein terbagi atas transkripsi dan translasi. Seperti
kita ketahui DNA sebagai media untuk proses transkripsi suatu gen berada di
kromosom dan terikat oleh protein histon. Saat menjelang proses transkripsi
berjalan, biasanya didahului signal dari luar akan kebutuhan suatu protein
atau molekul lain yang dibutuhkan untuk proses pertumbuhan, perkembangan,
metabolisme, dan fungsi lain di tingkat sel maupun jaringan. Kemudian RNA
polymerase II akan mendatangi daerah regulator element dari gen yang akan
ditranskripsi. Kemudian RNA polymerase ini akan menempel (binding) di
daerah promoter spesifik dari gene yang akan disintesis proteinnya, daerah
promoter ini merupakan daerah consesus sequences, pada urutan -10 dan -35
dari titik inisiasi (+1) yang mengandung urutan TATA-Box sebagai basal
promoter. Setelah itu, polimerase ini akan membuka titik inisiasi (kodon ATG)
dari gene tersebut dan mengkopi semua informasi secara utuh baik daerah
exon maupun intron, dalam bentuk molekul immature mRNA (messenger RNA).
Kemudian
immature
mRNA
ini
diolah
pada
proses
splicing
dengan
menggunakan smallnuclearRNA (snRNA) complex yang akan memotong hanya
daerah intron, dan semua exon akan disambungkan menjadi satu urutan gen
utuh tanpa non-coding area dan disebut sebagai mature mRNA.
Pada tahap berikutnya, mRNA ini diproses lebih lanjut pada proses
translasi di dalam ribosom, dalam tiga tahapan pokok yaitu inisiasi sebagai
mengawali sintesis polipeptida dari kodon AUG yang ditranslasi sebagai asam
amino methionine. Proses ini berlangsung dengan bantuan initiation factor
(IF-1, IF-2 dan IF3) dan enzim tRNA-methionine synthethase (pada bakteri
diawali oleh formylmethionine) sehingga tRNA dan asam amino methionine
membentuk ikatan cognate dan bergerak ke ribosom tempat sintesis protein
berlangsung.
Langkah
selanjutnya
adalah
elongasi
atau
pemanjangan
polpeptida sesuai denga urutan kodon yang dibawa oleh mRNA.
Gambar5. Proses splicing dari pematangan mRNA.
Pada proses elongasi ini diperlukan elongation factor complex. Seperti
juga proses inisiasi enzim tRNA-amino acid synthethase
berperan dalam
pembentukan cognate antara tRNA dan asam amino lainya dari sitoplasma
yang sesuai dengan urutan kodon mRNA tersebut. Proses elongasi akan
berhenti sampai kodon terminasi dan poly-adenyl (poly-A), dan diakhiri
sebagai proses terminasi yang dilakukan oleh rho-protein. Polipeptida akan
diproses sebagai molekul protein yang fungsional setelah melalui proses posttranslation di retikulum endoplasmik (RE) hingga tingkat jaringan.
2.4 Regulasi gen
Sebelum penemuan DNA, telah diketahui bahwa gen adalah unit fisik
dan fungsional dari hereditas yang mengandung informasi untuk sintesis
protein. Jadi gen mengandung informasi hereditas. Gen-gen membawa
informasi yang harus dikopi secara akurat untuk ditransmisikan kepada
generasi berikutnya.
informasi dapat
Sekarang pertanyaannya adalah bagaimana suatu
diformulasikan dalam bentuk molekul kimia? Bagaimana
molekul tersebut dapat dikopi secara akurat? Pada tahun 1940-an, peneliti
menemukan bahwa informasi genetik terutama terdiri dari instruksi untuk
membentuk protein. Protein adalah molekul makro yang berperan dalam
hampir semua fungsi sel yaitu: sebagai bahan pembangun struktur sel dan
membentuk enzim-enzim yang mengkatalisis reaksi-reaksi kimia di dalam sel;
meregulasi
ekspresi
gen,
memungkinkan
sel
untuk
bergerak
dan
berkomunikasi antar sel.
Jadi fungsi paling penting dari DNA adalah membawa gen yang
mengandung informasi yang menentukan jenis protein yang harus disintesis,
kapan, dalam tipe sel yang mana, dan seberapa banyak jumlah protein yang
harus disintesis.
Gambar 6. Proses sintesis protein pada prokariota.
Dengan semakin berkembangnya pengetahuan molekuler maka definisi
dari gen adalah :
•
Keseluruhan sekuen asam nukleat yang dapat ditranskrip menjadi RNA
fungsional dan protein, pada waktu dan tempat yang tepat selama
pertumbuhan dan perkembangan oraganisma.
•
Komposisi gen adalah: daerah pengkode (exon and intron) yang
mengkode RNA atau protein + sekuen-sekuen pengaturan (Regulatory
sequences:
termasuk.
promoter
yang
menginisiasi
terjadinya
transkripsi, enhancer/silencer yang menentukan tinggi rendahnya
aktivitas transkripsi, polyadenylation site, splicing sites serta signal
terminasi transkripsi).
•
Produk gen : ­ RNA yang kemudian ditranslasi menjadi protein ­ Hanya RNA seperti rRNA, tRNA, snRNA, snoRNA dan miRNA
•
Satu gen mempunyai potensi menghasilkan banyak produk karena
adanya : ­ promoter-promoter yang berbeda ­ alternative splicing
Gambar 7. Daerah regulasi gen, exon, intron, dan signal akhir proses
Transkripsi dari gen prokariota dan eukaryota.