materi 1 - bahan genetik dan ekspresi gen
TRANSCRIPT
-
I. BAHAN GENETIK DAN EKSPRESI GEN
I.1. Bahan Genetik
Pada tahun 1869, Friedrich Miesher (seorang ahli ilmu kimia yang berasal
dari Jerman) meneliti susunan kimia nucleus sel. Hasil penelitiannya
menunjukkan bahwa pada nucleus sel terdapat zat yang mengandung fosfor
yang sangat tinggi dan diberi nama nuklein. Nama ini kemudian diubah
menjadi asam nukleat. Asam nukleat ini terdiri dari 2 tipe, yaitu asam
deoksiribonuleat (DNA) dan asam ribonukleat (RNA)
I.1.1. Struktur DNA
I.1.1.1. Ukuran dan Bentuk DNA
Hasil penelitian Watson dan Crick (1953) menunjukkan bahwa molekul
DNA memiliki bentuk double helix yaitu pita spiral dobel yang saling berpilin.
Adapun ukuran DNA pada makhluk hidup bervariasi antara satu dengan
lainnya. Pada manusia panjang DNA kira-kira 1 juta m, lalat Drosophila
melanogaster kira-kira 16.000 m, dan pada bakteri Eschericia coli kira-kira
1100 m.
I.1.1.2. Susunan Kimia DNA
Molekul DNA tersusun atas nukleotida-nukleotida yang terdiri dari gula
deoksiribosa, fosfat (PO4), dan basa nitrogen yang dibedakan atas kelompok
pirimidin yang terdiri dari basa sitosin (C) dan timin (T) dan kelompok purin
yang terdiri dari basa adenine (A) dan guanine (G). Basa sitosin akan
berikatan dengan basa guanine, sedangkan basa timin akan berikatan
dengan basa adenine. Basa-basa pada struktur DNA tersebut saling
berikatan karena adanya ikatan hidogen Jarak antara satu basa dengan basa
berikutnya adalah 3,4 Angstrom (1 Angstrom = 0,1 nm), sehingga jarak 10
basa adalah 34 Angstrom. Adapun garis tengah DNA adalah 20 Angstrom.
Secara garis besar struktur DNA dapat dilihat pada gambar I.1.
-
Gambar I.1. Struktur DNA
-
I.1.1.3. Lokasi dan Fungsi DNA
DNA umumnya terdapat pada inti dan terletak pada kromosom, namun
demikian DNA dapat pula dijumpai pada mitokondria (tumbuhan dan hewan)
dan kloroplas (tumbuhan). Adapun fungsi DNA adalah memberi informasi
genetik, sehingga segala perintah yang ada hubungannya dengan sifat
keturunan dilakukan oleh DNA
I.1.2. Struktur RNA
Pada makhluk prokaryotik dan eukariotik selain dijumpai DNA juga
didapatkan asam nukleat yang lain yaitu asam ribonukleat (RNA). Pada virus
(misalnya virus mozaik tembakau) tidak memiliki DNA dan hanya memiliki
RNA. Secara garis besar stuktur RNA dapat dilihat pada gambar I.2.
Gambar I.2. Struktur RNA bila dibandingkan dengan DNA
-
I.1.2.1. Ukuran dan Bentuk RNA
Pada umumnya ukuran RNA lebih pendek daripada DNA. Bentuk RNA
adalah single strand atau pita tunggal.
I.1.2.2. Susunan Kimia RNA
Molekul RNA tersusun dari gula ribose, fosfat (PO4) dan basa nitrogen
yang terdiri dari kelompok pirimidin yang meliputi basa sitosin (C) dan basa
urasil (U) dan kelompok purin yang meliputi basa guanine (G) dan basa
adenine (A)
I.1.2.3. Macam-macam RNA
a. m-RNA (messenger RNA) berfungsi menerima informasi genetik dari
DNA dan proses ini disebut transkripsi yang berlangsung dalam inti sel
b. t-RNA (transfer RNA) mempunyai bentuk daun semanggi (lihat gambar
6 ). Menurut Holley (1965) yang menemukan t-RNA, pada beberapa
bagian tampak basa-basa t-RNA memperlihatkan pasangan tetapi
tidak membentuk pilin berganda seperti pada DNA. Transfer RNA ini
berfungsi menterjemahkan informasi genetik dari m-RNA pada proses
translasi yang berlangsung di ribosom.
c. r-RNA (ribosom RNA) terdapat di ribosom. Molekul-molekul RNA ini
menyusun unit kecil dan unit besar ribosom dan berperan pada proses
translasi.
I.2. Replikasi DNA
Replikasi DNA adalah proses berlipatgandanya molekul-molekul DNA.
Proses ini terjadi pada fase interfase dari siklus sel bersamaan dengan proses
duplikasi kromosom. Ada 3 teori yang menjelaskan tentang replikasi DNA, yaitu :
-
1. Semikonservatif
Dua pita spiral dari pita berpilin ganda memisahkan diri. Tiap pita tunggal
(parental) dari pita berpilin ganda ini berlaku sebagai cetakan (template)
untuk membentuk pasangan baru
2. Konservatif
Molekul DNA yang lama tetap, artinya pita berpilin ganda tidak membuka
dan selanjutnya dibentuk pita pasanagan baru
3. Dispersif
Kedua pita dari pita berpilin ganda parental putus di beberapa bagian
yang kemudian dibentuk segmen-segmen baru. Selanjutnya potongan-
potongan DNA parental dan anakan yang baru bersambungan dan
menghasilkan pita berpilin ganda yang baru.
Dari ketiga teori replikasi DNA di atas, tampaknya replikasi DNA semikonservatif
lebih sesuai dengan pendapat Watson dan Crick. Adapun ketiga teori replikasi
DNA ini dapat dilihat pada gambar I.3.
Gambar I.3. Teori replikasi DNA
-
Untuk lebih jelasnya skema replikasi DNA dapat dilihat pada gambar I.4 di
bawah ini ;
Gambar I.4. Skema terjadinya replikasi DNA
-
I.3. Kode Genetik
Kode Genetik diciptakan oleh Nirenberg, Khorana, dan Holley pada tahun
1968 dan ketiganya memperoleh nobel atas prestasinya tersebut. Kode genetik
ini merupakan suatu cara untuk menetapkan jumlah serta urutan nukleotida yang
berperan dalam menentukan posisi yang tepat dari tiap asam amino pada rantai
polipeptida yang panjang.
Banyaknya nukleotida yang menyusun sebuah kodon mengikuti rumus 4n.
Angka 4 menunjukkan 4 macam nukleotida (A,G,C,U), sedangkan n
menunjukkan nukleotida yang menyusun kodon (yaitu suatu set nukleotida
spesifik untuk suatu asam amino). Seperti telah kita ketahui bersama bahwa
jumlah asam amino ada 20, dengan demikian apabila digunakan kode singlet
yaitu kode genetik yang menggunakan kodon yang terdiri dari satu nukleotida
saja, maka akan didapatkan 41 = 4 kodon saja yaitu A,G,C, dan U. Berhubung
jumlah asam amino ada 20, maka kode singlet ini tidak memenuhi syarat, karena
baru dapat mengkode 4 asam amino saja. Apabila digunakan kode dublet, maka
baru 16 macam asam amino yang dikode. Selanjutnya apabila digunakan kode
triplet, maka akan diperoleh 64 kodon yang dapat mengkode seluruh asam
amino dan beberapa diantaranya dikode lebih dari satu kodon. Berdasarkan hal
tersebut , maka kode genetik yang berlaku sampai sekarang adalah kode triplet
yaitu satu kodon terdiri dari tiga nukleotida. Kode genetik bersifat universal,
artinya bahwa kode ini berlaku untuk semua jenis makhluk hidup.
Seluruh asam amino (kecuali metionin dan triptofan) dikode lebih dari satu
kodon. Tiga asam amino, yaitu leusin, serin, dan ardinin masing-masing dikode
oleh 6 kodon yang berlainan. Suatu keadaan yang memperlihatkan bahwa setiap
asam amino dikode oleh lebih dari satu kodon disebut degenerasi. Degenerasi
dalam kode genetik ini tidak secara acak melainkan ada aturan tertentu.
Biasanya beberapa kodon yang mengkode sebuah asam amino berbeda oleh
hanya satu basa yaitu yang ketiga dari kodon.
-
Tiga macam kodon yaitu UAA, UAG, dan UGA disebut kodon terminator,
karena berfungsi untuk mengakhiri suatu proses sintesa protein. Ketiga kodon
tersebut juga disebut kodon nonsense, karena tidak mengkode satu asam
aminopun. Adapun kodon AUG berfungsi sebagai inisiator, sehingga disebut
kodon inisiator. Secara garis besar kode genetic dapat dilihat pada gambar I.5.
Gambar I.5. Kode genetik
I.4.Sintesa Protein
Sintesa protein merupakan transfer informasi genetik dari DNA ke RNA
dan selanjutnya dari RNA ke protein dibagi menjadi dua tahap yaitu proses
transkripsi dan proses translasi. Proses transkripsi merupakan proses
penerimaan informasi genetik oleh m-RNA dari DNA dan proses translasi
merupakan proses penterjemahan informasi genetik dari m-RNA.
-
I.4.1. Proses transkripsi
Proses transkripsi berlangsung di dalam inti sel. Proses ini dimulai dengan
membukanya pita berpilin ganda DNA dengan bantuan enzim RNA polymerase.
Setelah sebagian pita berpilin ganda DNA membuka, maka m-RNA dibentuk
sepanjang salah satu pita DNA tersebut. Pita DNA ini mempunyai urutan 3-
-5 (pita sense). Basa pada m-RNA ini komplementer dengan basa
yang menyusun pita DNA tersebut. Apabila basa pada pita DNA tersebut adalah
3-GCTCGACTAA-5, maka akan dicetak ke m-RNA menjadi 5-CGAGCUGAUU-
3. Pada keadaan ini m-RNA dikatakan telah menerima informasi genetik dari
DNA. Messenger-RNA (m-RNA) yang telah menerima informasi genetik dari
DNA kemudian meninggalkan inti sel melaui pori-pori dari membran inti dan
menuju ke ribosom untuk proses translasi.
I.4.2.Proses translasi
Proses ini berlangsung di dalam sitoplasma. Pada proses ini untuk dapat
menterjemahkan m-RNA menjadi asam amino diperlukan t-RNA yang mampu
membaca kode-kode genetik dalam m-RNA. Dalam hal ini t-RNA memiliki urutan
tiga nukleotida spesifik yang disebut antikodon yang mampu berpasangan
secara komplementer dengan kodon-kodon yang ada pada m-RNA. Dengan
perantaraan antikodon ini molekul t-RNA yang membawa asam amino spesifik
akan membaca urutan kodon yang ada pada m-RNA. Selanjutnya secara
berturut-turut t-RNA spesifik asam amino yang berikatan dengan kodon-kodon
m-RNA akan melepaskan asam-asam amino yang dibawanya. Proses ini terjadi
secara berkesinambungan sampai terbentuk suatu rantai polipeptida tertentu
yang terdiri dari asam-asam amino dengan urutan tertentu. Polipeptida yang
terbentuk dapat berupa protein fungsional atau protein struktural.
-
Secara garis besar proses transkrisi dan translasi dapat dilihat pada gambar I.6
dan I.7.
Gambar I.6. Proses transkripsi
-
Gambar I.7. Struktur t-RNA dan proses translasi
-
I.5. Ekspresi Gen
Berdasarkan penjelasan di atas, maka jelaslah bahwa gen merupakan
potongan DNA yang mempunyai urutan nukleotida tertentu yang membawa
informasi genetik. Urutan asam amino tersebut berbeda-beda untuk tiap gen dan
hal tersebut menentukan urutan asam amino yang dibentuk.
Pada proses metabolisme diperlukan adanya enzim sebagai perantara.
Menurut Archibald E. Garrot terbentuknya tiap enzim dikontrol oleh satu atau
beberapa gen. Apabila gen yang dibutuhkan untuk terbentuknya enzim tertentu
tidak ada, maka akan terjadi blok metabolisme. Berdasarkan hal tersebut
kemudian dikenal adanya hipotesa Garrod yaitu :
Sebuah gensebuah enzim
Sebuah gen mutansebuah blok metabolisme
Selanjutnya hipotesa ini oleh G.W. Beadle and E.L. Tatum diubah menjadi :
Sebuah gensebuah polipeptida
Hal ini dilakukan karena produk gen tidak selalu protein fungsional (enzim), tapi
dapat pula berupa protein struktural.
Adanya blok metabolisme mengakibatkan terjadinya kesalahan
metabolisme yang oleh Garrod dinamakan kesalahan metabolisme bawaan.
Salah satu contohnya adalah kelainan albino. Kelainan geneti ini disebabkan
karena tidak adanya enzim yang dapat mengubah tirosin menjadi beta-3,4
dihidroksifenilalanin untuk membentuk melanin. Keadaan ini mengakibatkan
penderita albino tidak memiliki pigmen baik di kulit, mata, maupun rambut.
Terjadinya blok metabolisme pada albino disebabkan karena adanya gen resesif
yang terdapat di autosom.
Keadaan albino pada beberapa makhluk hidup dapat dilihat pada gambar
I.8.
-
Gambar I.8. Kelainan albino pada beberapa makhluk hidup