Download - Gen, Sintesis Dan Regulasi
Kromosom, gen,DNA, sinthesis protein dan regulasi
Oleh:Fatchiyah dan Estri Laras Arumingtyas
Laboratorium Biologi Molekuler dan SelulerUniversitas 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 maupun
seks-kromosom membawa 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 basa-basa 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, dan deoxyribonucleic acid.
Gambar 3. Pembentukan secara skematik struktur dsDNA dari gula
AB
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 tersebut
berpilin membentuk double heliks, dengan
satu 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’.
Jarak antara nukleotida satu dengan berkutnya adalah 3.4 nm.
Ujung 3’ membawa gugus –OH bebas pada posisi 3’ dari cincin gula,
Gambar 4. Bentuk skematik double-helix DNA
Gambar 4. Jarak antara basa nukleotida dan lekukan minor dan major dari molekul dsDNA
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
sebagai cetakan untuk
sintesis dari untai
komplemen baru yang
identik dengan pasangan
awalnya.
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
Gambar 4. Proses replikasi sederhana molekul DNA.
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 post-translation 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. Sekarang pertanyaannya
adalah bagaimana suatu informasi dapat 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.