Kuliah 1. Introduction

Introduction
MOLECULAR BIOLOGY
Siswa Setyahadi
Sejarah klasifikasi mahluk hidup:
Aristoteles (- mid 1800-san) : Dunia Plantae;
Dunia Animalia
E. Haeckel (1866)
: Dunia Plantae;
Dunia Animalia;
Dunia Protista
E. Chatton (1937) : Prokaryotae;
Eukaryotae
R.H. Whittaker (1969): Dunia Monera
Dunia Protista
Dunia Fungi
Dunia Plantae
Dunia Animalia
Carl Woese (1978): Domain Bakteria
Domain Arkhaea
Domain Eukarya
Siswa Setyahadi
Carol J. Bult (1996) : selesai sequencing genom
Methanococcus janashii (Arkhaea)
Solomon et al. (1999 - 2002): Dunia Bakteria
Dunia Arkhae(bakteria)
Dunia Protista
Dunia Fungi
Dunia Plantae
Dunia Animalia
Five Kingdoms & Three Domain
Siswa Setyahadi
Tree of Life: Three Domain
Siswa Setyahadi
Dasar klasifikasi:
Aristoteles ( 400 SM – 1800-an) : kenampakan morfologi luar
E. Haeckel (1866): morfologi (mikroskopis) dan fisiologi
E. Chatton (1937) : struktur organisasi interna sel (prokaryotik
&
eukaryotik)
R.H. Whittaker (1969) : organisasi internal sel;
nutrisi; struktur
organisasi selular
Carl. Woese (1978) : molekul RNA ribosomal (biologi molekular)
16S rRNA (Arkhaea & Bakteria)
18S rRNA (Eukarya)
Siswa Setyahadi
18S rRNA
• 18S ribosomal RNA (abbreviated 18S rRNA) is a part
of the ribosomal RNA. The S in 18S
represents Svedberg units. 18S rRNA is a component of
the small eukaryotic ribosomal subunit (40S). 18S
rRNA is the structural RNA for the small component of
eukaryotic cytoplasmic ribosomes, and thus one of the
basic components of all eukaryotic cells.
• The genes coding for 18S rRNA are referred to as 18S
rDNA. Sequence data from these genes is widely used
in molecular analysis to reconstruct the evolutionary
history of organisms, especially in vertebrates, as its
slow evolutionary rate makes it suitable to
reconstruct ancient divergences.
Siswa Setyahadi
16S rRNA
• 16S ribosomal RNA (or 16S rRNA) is a component
of the 30S small subunit of prokaryotic
ribosomes. It is approximately 1.5kb (or
1500 nucleotides) in length. The genes coding for
it are referred to as 16S rDNA and are used in
reconstructing phylogenies.
• Multiple sequences of 16S rRNA can exist within a
single bacterium
• It is the eukaryotic nuclear homologue of 16 S
ribosomal RNA in Prokaryotes and mitochondria.
Siswa Setyahadi
Biologi Molekuler
Biologi molekular : Ilmu yang mempelajari fungsi dan organisasi jasad hidup
(organisme) ditinjau dari struktur dan regulasi molekular unsur atau
komponen penyusunnya.
Hal-hal yang dipelajari dalam biologi molekular:
•
Struktur kimia materi genetik
•
Organisasi makromolekul
•
Aktivitas gen
•
Interaksi antar komponen selular
Disiplin ilmu yang terlibat dalam biologi molekular
•
Biologi sel
•
Genetika
•
Biokimia
•
Kimia organik
•
Biofisika
Siswa Setyahadi
Organisasi Biologis Jasad hidup
Jasad hidup secara umum dikelompokan
menjadi dua :
1. Jasad hidup selular : mempunya satuan unit dasar
yaitu sel. Misalnya : bakteri, hewan tingkat tinggi,
tanaman tingkat tinggi
2. Jasad hidup non selular : Tidak tersusun atas sel
tapi berupa satuan. Misalnya virus dan
bakteriofag. Virus satuan dasarnya adalah virion
Siswa Setyahadi
Jasad hidup non-seluler
VIRUS
Virus adalah suatu partikel yang mengandung bahan genetik
berupa DNA atau RNA yang diselubungi oleh protein yang disebut
dengan kapsid dan pada beberapa jenis virus ada juga komponen
lain, misalnya lemak.
Satuan dasar virus disebut virion. Diameternya 20-300nm jauh
lebih kecil dari sel prokariot yang paling kecil.
Klasifikasi virus berdasarkan sel inangnya
• Virus hewan
• Virus tumbuhan
• Virus bakteri (bagteriofag)
Siswa Setyahadi
Disamping virus DNA atau RNA, ada partikel yang lebih sederhana dari virus yaitu
viroid dan prion
Viroid ---- molekul kecil RNA yang terdiri atas 359 basa nukleotida dan tidak
diselubungi oleh protein
contohnya viroid yang menyebabkan penyakit panda kentang
Prion ----- suatu partikel yang terdiri atas molekul kecil protein (ada yang terdiri
atas 250 asam amino) yang tidak mempunyai asam nukleat
Prion berasal dari istilah proteinaceous infectious particle (artikel atau molekul
protein sebagai agen penyebab penyakit) ----- oleh Stanley B Prusiner.
Contoh prion : Penyebab penyakit neurogeneratif
- Penyakit BSE (bovine spongiform encephalophaty), penyakit sapi gila
- Penyakit scrapie pada domba
- Penyakit creutzfeldt-jacob pada manusia
- Penyakit Gerstmann-Straussler-scheinker pada manusia
Siswa Setyahadi
Virus bersifat parasit. Bisa memperbanyak diri jika berada didalam
suatu sel inang yang sesuai. Jika berada diluar sistem selular, maka
virus tidak bisa memperbanyak diri karena tidak mempunyai suatu
sistem enzim yang dapat digunakan untuk sintesis partikel virus
baru.
Dibawah ini beberapa gambaran skematik beberapa jenis virus
Siswa Setyahadi
Meskipun bersifat parasit. Namun dalam perkembangan genetik
molekular, telah dilakukan exploitasi virus untuk kepentingan
kepentingan praktis.
Misalnya untuk kepentingan militer : senjata biologis
medis, pengobatan kanker, dll
Salah satu protein prion ada yang bisa menyebabkan apoptosis.
Apoptosis : Progam kematian sel secara normal, dengan cara
menghilangkan sel yang tidak diinginkan. Prinsip
inilah yang
digunakan dalam pencarian obat antikanker
Siswa Setyahadi
A
B
C
Contoh penggunaan
Virus yaitu virus NDV
Strain AF 2400 Pada
pengobatan
Kanker payudara
Mekanismenya yaitu
Menyerang protein
Filamen sel
A’
Siswa Setyahadi
B’
C’
Jasad Seluler
Doktrin sel
Istilah sel pertama kali dikemukakan oleh Robert Hooke (1635-1703).
Sel -------- merupakan satuan dasar minimum suatu jasad hidup
Doktrin sel : Semua sel berasal dari sel yang sudah ada sebelumnya dan masing
masing sel mempunyai suatu sistem kehidupan sendiri
Sel bersifat dinamis yang selalu mengalami perubahan ( adanya proses
transformasi selular yang melibatkan macam macam reaksi molekular
Pengaturan selular yang dilakukan oleh sel memiliki 2 fungsi utama
•
•
Sebagai piranti kimiawi yang melakukan proses metabolisme
Sebagai piranti yang menyimpan kode kode informasi biologis yang
akan diturunkan kepada keturunannya.
Siswa Setyahadi
Penggolongan jasad selular berdasarkan satuan dasar individu :
1. Jasad bersel tunggal (unicellular organism)
2. Jasad bersel banyak (multicellular organism)
Penggolongan jasad selular berdasarkan struktur dan organisasi sel :
1. Sel prokariot ------ tanpa membran inti
2. Sel eukariot ------ ada membran inti
Penggolongan jasad selular
Satuan Dasar
Organisasi Sel
Contoh
Sel tunggal
Prokariot
Escheria coli
Eukariot
Saccharomyces
cerevisiae
Eukariot
Manusia, hewan,
tanaman tingkat
tinggi
Sel banyak
Siswa Setyahadi
Prokariot
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Secara organisasi sel prokariot lebih sederhana dibandingkan dengan jasad
eukariot.
Sel prokariot terdiri atas struktur utama : dinding sel, membran plasma sel ,
ribosom dan bahan genetik (nukleoid)
Tidak adanya membran inti sel (nukleus)
Contohnya yaitu kelompok bakteri, berdasarkan lingkungan tempat hidup
dibagi 2 yaitu eubakteria dan archaebakteri
Berdasarkan dinding sel prokariot, misalnya bakteri, bakteri dibedakan
menjadi 2 kelompok yaitu bakteri gram positif (bacillus substilis) dan bakteri
gram negative (E. coli).
Beberapa jenis organisme prokariot pada bakteri ada struktur tambahan
diluar dinding sel ---- kapsulntuk. Sehingga memberikan bentuk yang
bermacam-macam seperti kokus batang, spiral dan lain lain
Memiliki satu/single molekul DNA dan berbentuk sirkular
Membran plasma terdiri dari campuran lemak dan protein
(lipoprotein).Berfungsi sebagai selaput sel yang bersifat semipermeable yang
mengatur keluar masuknya ion ion dan molekul.
Siswa Setyahadi
• Pada sel prokariot, jenis bakteri gram positif membran plasma
membentuk lipatan yang dikenal sebagai mesosom.Pada bagian
yang menghadap sitoplasma mesosom sering berasosiasi dengan
DNA sehingga sering diduga sebagai tempat pelekatan DNA
• Ribosom merupakan partikel kecil yang dominan terdiri dari
RNA dan protein yang berfungsi sebagai wadah tempat translasi
protein (pada sintesis protein.
• Satu sel dapat mengandung 600-1000 ribosom sehingga
massanya dapat mencapai 40% massa bakteri.
• Materi genetik selain DNA , seringkali ada materi genetik
tambahan yang disebut plasmid.
• Ukuran sel prokariot bervariasi, berdiameter 5 mm – 750 mm.
• Sama seperti eukariot. Beberapa bakteri juga membentuk
struktur khusus yaitu flagella atau endospora.
• Beberapa contoh bakteri yang telah digunakan dalam bidang
biologi molekular : Escherichia coli, salmonella typhimurium,
streptomyces sp, Rhizobium sp, Bacillus substilis,
agrobacterium tumafaciens, dll
Siswa Setyahadi
Diagram sel prokariot
Siswa Setyahadi
Eukariot
• Mempunyai struktur dan organisasi yang lebih kompleks
dibandingkan sel prokariot.
• Pada jasad sel eukariot, bahan genetiknya (DNA) berada didalam
suatu membran nukleus sehingga memiliki struktur nukleus yang
jelas.
• Membran nukleus eukariot memiliki 2 lapisan, membran luar dan
membran dalam. Struktur membran nukleus akan menjadi salah
satu pembeda antara eukariot dan prokariot.
• Pada eukariot, bahan genetik utamanya umumnya terdiri dari lebih
dari satu kromososm yang berbentuk linear yang dikemas dalam
protein yang disebut histon.
• Sudah memiliki pembagian ruang yang jeals dalam sel, sehingga
memiliki bermacam macam organel yang masing masing memiliki
fungsi khusus.
• Pada sel eukariot dari sel tumbuhan, struktur sel terluarnya ada
dinding sel yang terdiri atas polimer selulosa (Jenis polisakarida).
Siswa Setyahadi
• Beberapa organel penting pada eukariot antara lain
mitokhondria (tempat produksi energi selular), retikulum
endoplasma (RE) kasar( berperan dalam proses sekresi
protein dan tempat lekat ribosom), RE halus (tempat
detoksifikasi senyawa tertentu dan sintesis lemak), badan
golgi (berperan dalam sekresi dan pemilahan protein), Pada
tumbuhan ada kloroplas (tempat berlangsungnya reaksi
fotosintesis), vacuola (tempat penyimpanan air dan produk
metabolisme)
• Salah satu eukariot yang banyak digunakan dalam studi
biology molekular adalah khamir sacharomyces cerevisiae
(jenis bersel satu yang mudah ditumbuhkan untuk industri
minuman
• Sebagai inang untuk memproduksi protein heterolog dan
vaksin
Siswa Setyahadi
Siswa Setyahadi
Siswa Setyahadi
I. Membrane bound organelles
Structure
Description & Function
Found in
Animals?
Found in
Plants?
Membran Plasma
Membran pembungkus cell, regulator transport sel
X
X
Nukleus
Large structure surrounded by double membrane;
species cellular proteins
X
X
Butiran inti pada nukleus; bagian of sintesis r-RNA
X
X
Reticulum
Endoplasma
Jaringan internal membran; bagian dari lipid membran
& sinthesis protein
X
X
Kompleks Golgi
Saluran membran berbentuk kantung datar ; modifies,
pemilihana & sekresi protein
X
X
Lisosom
Kantung membran; mengandung enzim untuk
mencernakan material
X
X
Vakuola
Kantung membran; transpor and penyimpanan air &
material lainnya
Mitochondria
Kantung, terdiri dari 2 membran; bagian siklus Krebs
cycle, sistem transport elektron, pabrik energi,
chemiosmosis.
Nukleolus
Plastida
Structur serupa kantung dengan membrane tilakoid
internal; tempat photosynthesis
Mikrobodi
Kantung membran yang mengandung enzim enzim,
untuk bermacam macam reaksi.
Siswa Setyahadi
X
X
X
X
X
X
II Particulate Structure
Structure
Description & Function
Found in
Animals?
Found in
Plants?
Kromosom
Kandungan DNA-protein komplex; mengandung gen - gen
X
X
Ribosom
Butiran organel terdiri dari RNA & protein; sintesis proteins
X
X
Cekungan dari tabung tubulin; struktur penyokong untuk
pergerakan organel
X
X
Padat, struktur batanagn dari actin, struktur penyokong
X
X
Lekukan silinder kecil; terlibat dalam pembelahan sel &
melekatnya flagellae & silia
X
Struktur berambut pendek; pergerakan, pengambilan
makanan, biasanya jumlahnya >>1 pada sel.
X
X
Proyeksi panjang /ekor; selular lokomotif, biasanya 1-5 pada
sell.
X
X
Mikrotubul
Mikrofilament
Sentriol
Silia
Flagella
Siswa Setyahadi
III. Extracellular Structures
Structure
Dinding sel
Siswa Setyahadi
Description & Function
Multiple-layers dari selulosa; struktur pendukung
Found in
Animals?
Found in
Plants?
X
Interaksi Makromolekul Genetik
ASAM NUKLEAT
Adalah polimer nukleotida yang berperanan dalam penyimpanan serta
pemindahan informasi genetik . Satu unit monomer terdiri dari ketiga
komponen dinamakan nukleotida terdiri atas tiga bagian yaitu :
Siswa Setyahadi
Struktur dasar nukleotida
1. Basa nitrogen : cincin purin atau pirimidin
Yaitu basa nitrogen yang terikat pada atom C no 1 suatu molekul gula (ribosa
atau deoksiribosa) melalui ikatan N-glikosidik. Ada dua macam basa nitrogen
yang menyusun asam nukleat yaitu
- Basa purin terdiri dari adenin (A) dan guanine (G)
- Basa pirimidin terdiri dari Thymine (T), cytosine (C ) dan Uracil (U).
Siswa Setyahadi
Baik DNA ataupun RNA tersusun atas A, G, C, tetapi T hanya ada pada DNA
sedangkan U hanya ada pada RNA. Ada pengecualian, ada beberapa molekul
tRNA terdapat basa T, sedangkan pada beberapa bakteriofag DNA-nya
tersusun ats U bukan basa T.
Beberapa struktur dasar basa nitrogen asam nukleat
Siswa Setyahadi
Abbr.
A
G
Base
Adenine
Guanine
Nucleoside
Nucleic Acid
deoxyadenosine
DNA
adenosine
RNA
deoxyguanosine
DNA
guanosine
RNA
deoxycytidine
DNA
cytidine
RNA
C
Cytosine
T
Thymine
deoxythymidine
(thymidine)
DNA
U
Uracil
uridine
RNA
2. Molekul gula dengan 5 atom C (pentosa)
Pasa DNA gulanya adalah gula pentosa yaitu 2-deoksirobosa dan pada RNA
gulanya adalah ribosa. Perbedaan anatar kedua bentuk gula tersebut yaitu
panda atom C no 2.Pada DNA atom C no 2 berikatan dengan atom H,
sedangkan panda RNA atom C no 2 berikatan dengan OH.
Siswa Setyahadi
3. Gugus fosfat
Dua gugus gula terhubung dengan fosfat melalui ikatan
fosfodiester
antara atom karbon ketiga pada cincin satu gula dan atom karbon
kelima
pada gula lainnya. . Gugus fosfat inilah yang menyebabkan asam
nukleat
bermuatan negatif kuat.
Untaian nukleotida =
polinukleotida
DNA dan RNA disintesis dalam
sel oleh DNA polymerase and RNA polymerases.
Untaian pendek dari asam nukleat juga dihasilkan tanpa enzyme oleh
oligonucleotida synthesizers
PASANGAN BASA DAN DOUBLE STRANDED ASAM NUKLEAT
Sebagian besar DNA berada dalam bentuk double helix, yang mana terdiri dari 2
linear DNA yang berikatan berputar satu sama lainnya. Ikatan utama yang
membentuk formasi helix ini adalah ikatan antara pasangan basa : bentuk basa A
berikatan hydrogen dengan basa T (or U in RNA), dan basa G berikatan hydrogen
dengan C. Jika kita campurkan dua ATGC bersamaan , bentuk duplex akan
terbentuk
Siswa Setyahadi
Siswa Setyahadi
PENEMUAN STRUKTUR MOLEKULAR DARI DNA DOUBLE HELIX
Struktur molekular dari DNA
Struktur dari Deoxyribose Nucleic Acid (DNA)
pertama kali dipublkasikan oleh James D. Watson
and Francis crick dalam jurnal : scientific jurnal
Nature volume 171 pada halaman 737-738 (tanggal
25 April 1953).
Publicasi pertama yang
menggambarkan penemuan struktur double helix
DNA. Penemuan ini memberikan impact yang
utama pada bidang genetik khususnya dan biologi
secara umumnya
Siswa Setyahadi
Interaksi Molekuler
Semua molekul dalam sel alkan berinteraksi satu sama lain. Interaksi
antar molekul akan menentukan sifat sifat biologis molekul molekul
didalam sel. Ineraksi milekular tersebut berupa :
1. Ikatan kovalen : Ikatan yang ada diantara atom atom yang menyusun
suatu
molekul, misalnya ikatan antara C – H pada CH4. Ikatan ini paling kuat
dan paling stabil antara atom.
2. Ikatan non kovalen : Interaksi antara atom yang tidak teriakt secara
kovalen. Ikatan nya tidak sekuat ikatan kovalen, namun berperan
penting dalam menstabilkan struktur makromolekul dalam sel misalnya
asam nukleat dan protein
Beberapa ikatan nonkovalen yang penting
1. Ikatan hidrogen
Suatu bentuk interaksi lemah antara suatu atom elektronegatif (atom
akseptor) dengan hidrogen yang terikat secara kovalen dengan atom
lain (donor atom)
Siswa Setyahadi
Ikatan hidrogen banyak terdapat panda sistem biologis. Pada asam
nukleat ikatan hidrogen menyebabkan terjadinya pasangan antar
untaian (interstrand) antar basa nukleotida
Misalnya antara adenine dan tymine (A-T) dan antara guanosine dengan
cytosine (G-C)
2. Ikatan ionik
Ikatan antara atom yang terjadi karena adanya perbedaan muatan pada
atom atom yang berinteraksi. Contoh amino aspartat dan glutamat yang
bermuatan –, sedangkan lisin, histidin, dan arginin bermuatan + , muatan
yang berbeda ini menyebabkan asam amino berikatan ionik. Hal ini yang
menyebabkan rantai polipeptida protein dapat berlipat sedemikian rupa,
sehingga menjadi lebih bedekatan
3. Interaksi van der waals
Terjadi pada jarak atom yang sangat berdekatan 1-2 oA. Terjadi karena
distribusi muatan yang tidak simetris. Energi ikatan panda van der waals
panda sepasang atom < 1 kcal/mol. Energi ini lebih kecil dibandingkan
ikatan hidrogen
Contohnya : molekul antibodi dengan molekul antigen spesifiknya
antara enzim dengan substratnya yang spesifik.
Siswa Setyahadi
4. Interaksi hidrofobik.
Molekul hidrofobik merupakan molekul molekul nonpolar yang tidak larut
dalam air. Gugus samping alifatik dan aromatik suatu protein dan basa
basa pada asam nukleat mempunyai sifat nonpolar. Interaksi hidrofobik
merupakan kekuatan utama yang menyebabkan terjadinya pelipatan
makromolekul misalnya protein dan pembentukan membran.
Siswa Setyahadi