Genetika adalah ilmu tentang hereditas yang terkait dengan gen. Gen adalah bagian dari DNA kromosom yang mengkode satu buah molekul RNA spesifik, yang selanjutnya mengkode untuk polipeptida tertentu. Gen tersusun dari DNA (Deoxyribo Nucleic Acid). DNA tersusun atas basa nitrogen, asam deoxyribosa dan fosfat. Dimana DNA adalah dasar kimia hereditas (pewarisan) dan diorganisasikan kedalam gen, yang menjadi unit dasar informasi genetika. Pembuktian bahwa DNA mengandung informasi genetik dilakukn pertama kali pada tahun 1944 dalam serangkain percobaan oleh Avery, MacLeod, McCarty. Ketiga peneliti ini memperlihatkan bahwa penetapan genetik dari karakter kapsul pneumokukus spesifik dapat dipindahkan kepada pneumokukus lain dengan tipe kapsul yang berbeda melalui penyisipan DNA yang dimurnikan sehingga memiliki tipe yang spesifik dengan pneumokukus awalnya Kandungan informasi DNA (kode genetik) terletak didalam (rangkaian) sequence tempat tersusunnya monomer-monomer deoksiribosanukleotida purin dan pirimidin yang saling berikatan sangat kuat yaitu ikatan fosfodieter. Dimana dengan seperti ini dapat ditentukan stuktur DNA membentuk heliks ganda. Gen juga mengendalikan sistesis berbagai tipe RNA (mRNA, rRNA, tRNA) dari DNA yang sebagian besar diantaranya terlibat dalam sintesis protein. DNA diperoleh melalui proses isolasi DNA didalam gen itu sendiri. Aliran Informasi genetik di dalam sel: dari gen ke protein Informasi genetik yang terdapat di dalam setiap sel makhluk hidup dikemas dalam suatu bentuk materi genetik yang kita kenal sebagai asam deoksiribonukleat (DNA). Pengetahuan tentang DNA sebagai materi genetik utama merupakan sesuatu yang sudah lama terbangun di bidang biokimia/biologi molekuler. Kode genetik yang ada di dalam DNA menentukan bagaimana protein disusun. Sejalan dengan hal tersebut, di bidang biologi molekuler muncul suatu dogma sentral aliran informasi genetik dari DNA ke protein, yang kemukakan oleh Francis Crick. Menurut dogma tersebut informasi genetik yang terdapat di dalam DNA akan ditranskripsikan (disalin) ke dalam suatu molekul asam ribonukleat (RNA) dan selanjutnya akan ditranslasikan (diterjemahkan) menjadi protein. Molekul RNA yang dimaksud disebut juga sebagai RNA duta atau messenger RNA (mRNA). Protein merupakan molekul yang sangat penting di dalam setiap proses kehidupan, dikarenakan peranannya yang demikian vital, seperti sebagai enzim yang membantu pencernaan makanan, reseptor yang menerima sinyal di otak, serta antibodi terhadap penyakit. Pada kenyataanya tidak semua urutan DNA dapat dihubungkan dengan suatu protein tertentu. Sifat/urutan DNA sebagai pembawa informasi genetik dikenal dengan istilah gen, dengan kata lain protein merupakan representasi dari gen-gen yang mengkodenya. Proses ekspresi gen merupakan aspek fundamental dalam setiap organisme hidup. Proses ini diduga dikontrol oleh suatu mekanisme yang ada pada aliran informasi genetik. Pada awalnya para ilmuwan menduga bahwa protein merupakan satu-satunya molekul yang berperan dalam meregulasi ekspresi gen pada manusia dan organisme komplek lainnya (eukariot), seperti halnya pada organisme tingkat rendah atau mikroorganisme (prokariot). Seiring dengan perkembangan bidang biologi molekuler, kemudian ditemukan bahwa dalam DNA eukariot selain terdapat bagian yang akan diekspresikan menjadi protein (ekson), terdapat pula bagian yang tidak diekspresikan (intron), dimana jumlahnya jauh lebih besar dibandingkan ekson. Dikarenakan dalam aliran informasi genetik semua DNA ditranskripsikan menjadi RNA, maka terdapat banyak sekali molekul RNA yang tidak ditranslasikan. Peran dari molekul–molekul RNA tersebut telah menjadi bahan kajian penting dalam bidang biologi molekuler selama beberapa tahun terakhir. Salah satu penemuan fundamental adalah ditemukkannya RNA interferencesebagai mekanisme yang mengontrol aliran informasi genetik, dimana penemuan ini sekaligus membantah hipotesis sebelumnya yang menyebutkan bahwa protein merupakan satu-satunya molekul yang berperan dalam meregulasi ekspresi gen. 1. Tahap replikasi Replikasi merupakan pembentukan DNA rangkap ganda yang komplemen satu dengan yang lainnya dan persis seperti DNA semula. Replikasi DNA bersifat semikonservatif, yaitu kedua untai tunggal DNA bertindak sebagai cetakan untuk pembuatan untai-untai DNA baru, seluruh untai tunggal hasil cetakan dipertahankan dan untai yang baru dibuat dari nukleotida – nukleotida. Proses replikasi DNA Mula-mula, heliks ganda dibuka menjadi dua untai tunggal oleh enzim helikase (9) dengan bantuan topoisomerase (11) yang mengurangi tegangan untai DNA. Untaian DNA tunggal dilekati oleh protein-protein pengikat tunggal (10) untuk mencegahnya membentuk heliks ganda kembali. Primase (6) membentuk oligonukleotida RNA yang disebut primer (5) dan molekul DNA polimerisase (3 dan 8) melekat pada seuntai tunggal DNA dan bergerak sepanjang untaian tersebut memperpanjang primer, membentuk untaian tunggal DNA baru yang disebut leading strand (2) dan lagging strand (1). DNA polymerase yang membentuk lagging strand harus mensintesis segmen – segmen polinukleotida discontinue (disebut fragmen Okazaki (7)). Enzim DNA ligase (4) kemudian menyambungkan potongan – potongan lagging strand tersebut. Garpu replikasi 1. Leading strand: sintesis DNA terjadi secara kontinu. 2. Lagging strand: sintesis DNA terjadi melalui pembentukan utas-utas pendek. Lagging strand: disintesis secara tidak kontinu. Primase mensintesis primer RNA pendek, yang diperpanjang oleh DNA polymerase, membentuk fragmen Okazaki. Untaian ini disintesis dalam segmen – segmen yang disebut fragmen Okazaki. Pada untaian ini, primase membentuk primer RNA. DNA polimerisasi dengan demikian dapat menggunakan gugus OH 3’ bebas pada primer RNA tersebut untuk mensitesis DNA dengan arah 5’ ® 3’. Fragmen primer RNA tersebut lalu disingkirkan (misalnya dengan RNase H dan DNA Polimerisasi 1) dan deoksiribonukleotida baru ditambahkan untuk mengisi celah-celah yang tadinya ditempati oleh RNA. DNA ligase lalu menyambungkan fragmen – fragmen Okazaki tersebut sehingga sintesis lagging strand menjadi lengkap. Enzim yang terlibat dalam proses replikasi DNA adalah 1. Polimerase DNA : enzim yang berfungsi mempolimerisasi nukleotidanukleotida 2. Ligase DNA : enzim yang berperan menyambung DNA utas lagging 3. Primase DNA : enzim yang digunakan untuk memulai polimerisasi DNA pada lagging strand 4. Helikase DNA : enzim yang berfungsi membuka jalinan DNA double heliks. 5. Single strand DNA-binding protein : menstabilkan DNA induk yang terbuka 2. Tahap Transkripsi Transkripsi 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). Fungsi ini disebut fungsi heterokatalis DNA karena DNA mampu mensintesis senyawa lain yaitu RNA. Sebuah rantai DNA digunakan untuk mencetak rantai tunggal mRNA dengan bantuan enzim RNA polimerase. Enzim tersebut menempel pada kodon permulaan, umumnya adalah kodon untuk asam amino metionin. 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). Pertama-tama, ikatan hidrogen di bagian DNA yang disalin terbuka. Akibatnya, dua utas DNA berpisah. Salah satu polinukleotida berfungsi sebagai pencetak atau sense, yang lain sebagai gen atau antisense. Misalnya pencetak memiliki urutan basa G-A-G-A-C-T, dan yang berfungsi sebagai gen memiliki urutan basa komplemen C-T-C-T-G-A. Karena pencetaknya G-A-G-A-C-T, maka RNA hasil cetakannya C-U-C-U-G-A. Jadi, RNA C-U-C-U-G-A merupakan hasil kopian dari DNA C-T-C-T-G-A (gen), dan merupakan komplemen dari pencetak. Hasil (produk) yang didapatkan pada tahap transkripsi adalah: 1. messenger RNA (mRNA) berfungsi sebagai pembawa pesan yang mengagkut informasi dalam sebuah gen kepada ribosom 2. transfer RNA (tRNA) bertindak sebagai adapter (penyetaraan translasi informasi didalam rangkaian nukleotida mRNA menjadi asam amino yang spesifik. 3. ribosom RNA (rRNA) berfungsi mesin pemmbentukan protein dari cetakan mRNA. Ketiga produk RNA ini mengambil bagian pada proses selanjutnya dalam tahap translasi. Komponen yang terlibat pada tahap transkripsi adalah 1. DNA yang terdiri atas basa nukleotida Adenin (A), Guanin (G), Timin (T), Sitosin (S). 2. Enzim RNA polimerase 3. Prekusor (bahan yang ditambahkan sebagai peninduksi). Tahapan dalam proses transkripsi pada dasarnya terdiri dari 3 tahap : 1. 1. Inisiasi (pengawalan). Transkripsi tidak dimulai disembarang tempat pada DNA, tetapi dibagian hulu (upstream) dari gen yaitu promoter. Salah satu bagian terpenting dari promoter adalah kotak Pribnow (TATA box). 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). Inisiasi dimulai ketika holoenzim RNA polimerase menempel pada promoter. Tahapannya dimulai dari pembentukan kompleks promoter terbuka, penggabungan beberapa nukleotida awal dan perubahan konfirmasi RNA polymerase karena struktur sigma dilepas dari kompelks holoenzim. Dimana tahapan yang terjadi pada inisiasi adalah: a) enzim RNA polimerase menyalin gen b) pengikatan RNA polimerase terjadi pada tempat tertentu yaitu tepat didepan gen yang akan ditranskripsi. c) empat pertemuan antara gen (DNA) dengan RNA polimerase disebut promoter. d) kemudian RNA polimerase membuka double heliks DNA. e) salah satu utas DNA berfungsi sebagai cetakan. 1. Elongasi (pemanjangan) Proses selanjutnya adalah elongasi (pemanjangan). Pemanjangan disini adalah pemanjangan nukleotida. Setelah RNA polymerase menempel pada promoter, maka enzim tersebut akan bergerak sepanjang molekul DNA, menguraikan dan meluruskan heliks. 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. Dalam pemanjangan, nukloetida ditambahkan secara kovalen pada ujung 3’ molekul RNA yang ditambahkan adalah Urasil (U) dan seterusnya. Laju pemanjangan maksimim molekul transkripsi RNA berkisar antara 30 – 60 nukleotida per detik. Kecepatan elongasi tidak konstan. 3. Terminasi (pengakhiran) Terminasi juga tidak terjadi disembarang tempat. Transkripsi berakhir ketika menemui nukleotida tertentu berupa stop kodon. Selanjutnya RNA terlepas dari DNA templat menjadi ribosom. 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. 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. Selama transkripsi, gen menentukan urutan dari basa sepanjang molekul mRNA (Gambar 5). 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. Synthesis of an RNA Transcript Terdapat tiga tahap transkripsi yaitu inisiasi, elongasi, dan terminasi. 1. Translasi Translation adalah sintesis polipeptida yang terjadi melalui arahan dari mRNA. Sel harus menterjemahkan urutan molekul basa RNA 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.Translasi merupakan suatu proses penerjemahan urutan nukleotida yang ada pada molekul mRNA menjadi rangkaian asam-asam amino yang menyusun suatu polipeptida atau protein. Yang diperlukan dalam proses translasi adalah mRNA, ribosom, tRNA, dan asam amino. 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 (Gambar 8). Kunci dari translasi pesan genetik 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. Seperti halnya pada tahap transkripsi, tahap translasi ini juga dibagi tiga tahap: 1. Inisiasi Tempat terjadinya penerjemahan/translasi adalah ribosom yaitu suatu komponen partikel yang memfasilitasi penggabungan asam amino yang berurutan menjadi rantai polipeptida. Ribosom tersusun atas dua sub unit yaitu subunit besar dan subunit kecil 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. 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 metionin, kemudian subunit ribosom besar menempel. Secara keseluruhan komponen ini disebut sebagai translation initiation complex. Suatu protein yang disebut initiation factor dibutuhkan untuk menjaga translation initiation complex tetap menyatu. Pertama tRNA mengikat asam amino menyebabkan tRNA teraktivasi (dinamakan peristiwa amino-asilasi). Proses amino-asilasi ini dikatalis oleh enzim tRNA sistetase. Kemudian ribosom mengalami pemisahan menjadi subunit besar dan kecil. Subunit kecil dapat menempel pada mRNA dengan kodon awal tempat menempel : 5’ – AGGAGG – 3’. Urutan tempat menempelnya subunit kecil disebut urutan Shine-Dalgamo. Subunit kecil dapat menempel pada mRNA bila ada IF-3. Pembentukan kompleks IF-2/tRNA-fMet dan IF-3/mRNA-fMet disebut asam amino N-formilmetionin dan memerlukan banyak GTP sebagai sumber energi. tRNA-fMet kemudian menempel pada kodon pembuka P subunit kecil. Pada proses IF-1 dan IF-2 dilepas dan GTP dihidrolisis menjadi GDP, dan siap melakukan elonganasi. 1. Elongasi Perbedaan pada proses transkripsi, pada translasi asam amino yang dipanjangkan. Tahapan yang dilakukan pada proses elongasi, pertama adalah pengikatan tRNA pada sisi A yang ada pada ribosom. Yang saling berikatan membentuk ikatan peptida. 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 1. Terminasi Translasi akan berakhir pada salah satu dari tiga kodon terminasi (UAA, UGA, UAG) yang ada pada mRNA mencapai posisi A pada ribosom. Ketiga sinyal penghentian ini disebut release factor (RF) pada kodon terminasi (stop kodon). Tahap akhir translasi adalah terminasi (Gambar 11). 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. Selama translasi, sekuen dari kodon di sepanjang untai mRNA di terjemahkan (translasi/dekode) ke dalam sekuen asam amino yang menyusun rantai polipeptida.
