Tatap Muka 8 Expresi Gen (14

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