SISTEM MOLEKULER

Asam nuclear termasuk dua melekul terkait, DNA dan RNA. Kedua molekul ini merupakan polimer dari subunit nuleotida. Nukleotida memiliki tiga komponen: yaitu grup fosfat, gula ribosa, dan basa nitrogen. Jika DNA mengandung deoxyribose maka RNA mengandung Ribosa. Kedua macam gula tersebut hanyalah dibedakan oleh  satu grup hydrixil. Ribosa memiliki hidroksil pada Carbon ke-2, sedangkan pada DNA gula ribose kehilangan gugus hydrosil pada karbon C-2.

Kemudian ada lima basa yang berikatan dengan gula ribose. Pada DNA : guanine, cytocine, adenine, tymine. Pada RNA thymin digantikan dengan Urasil.

Menurut Watson and Crick menyampaikan bahwa bentuk DNA yang paling stabil adalah Double helix dimana diilustrasikan seperti tangga berpilin. Bagian luar adalah fosfat, sedangkan anak tangganya adalah basa nitrogen yang dihubungkan dengan ikatan hydrogen. Basa nitrogen terdiri dari purin dan pirimidin.

Packing DNA

DNA eukaryotic DNA diikat menlingkari protein yang dikenal dengan Histon. Histon memiliki muatan positif yang dinetralkan oleh muatan negatif fosfat. DNA dan histon akan terlihat seperti manik-manik (Nukleosom) yang dikenal dengan chromatin. Nukleosom memilki 200 bp DNA dan sembilan Histon ( dua  H2A, dua H2B, dua H3, dua H4 dan H1. Semua histon kecuali H1 akan menghubungkan nukleosome dan mempertahankanya pada “region liker”.

Pada rigion DNA yang diekpresikan, histon terlihat sangat longgar sehingga memberikan akses ke protein atau enzim (region ini dikenal dengan eukariotin). Pada region yang tidak dieskpresikan, histon sangat condens, yang mencegah protein mengakses region tsn (struktur ini dikenal dengan heterokromatin).

Central Dogma

Central dogma pada biologi molekuler merupakan flow/aliran informasi dari DNA menjadi RNA hingga protein.

Transkription.

Ekspresi gen melibatkan pembuatan copi RNA dari DNA. Sintesis RNA melibatkan un-coiling DNA, kemudina pemutusan ikatan hidrogen DNa sehingga tebentuk RNA komplemen dengan DNA yang menjadi cetakan atau template yang dibantu oleh enzim RNA-Polimerase.

Produk yang dikode oleh gen pad umumnya berupa protein tapi juga bisa berupa RNA. Gen mengkode peotein ditranskripsikan menjadi mRNA, yang kemudian ditranslasikan menjadi protein. Molekul RNA lainnya, seperti tRNA, rRNA, sn RNA, digunakan langsung (mereka tidak ditranslasikan menjadi protein). Sejumalah molekul RNA seperti Large subunit rRNA disebut ribosim yang dapat mengkatalisis reaksi enzimatik. Coding region pada gene dikenal dengan istilah cistron atau stuctural gene yang dapat mengkode peotein atau non translated RNA. Selain itu, ada Open Reading Frame (ORF) yang terbentang pada DNA dan menkode protein sehingga tidak ada stop codon untuk translasi protein.

Pemasalahan lain adalah menemukan sisi start. Setiap gen memiliki region upstream sequence yang dikenal dengan promoter. RNA polimerase membentuk region ini dan memulai transkripsi disini. Promoter bakteri memiliki dua region pengenalan -10 dan -35, dengan konsensus TATAAT dan TTGACA.

Setelah promoter region adalah Transcription start site (Sisi pengawalan transkripsi). Titik ini tempat RNA polimerase mulai mensintesis RNA. Diantara titik ini dengan ORF terdapat rigion yang tidak ditraskripsikan menjadi protein yang dikenal dengan 5’untranslated region (UTR). Region ini mengandung elemen seperti sisi pengikatan ribosom. Pada bakteri terdapat sigma subunit yang mengenal sisi pengelana -10 dan -35 dan inti enzim yang mengkatalisis sistesis RNA.

Sintesis RNA Pada Bakteri

Pada bakteri, ketika sigma subunit pada RNA polimerase mengenal region -10 dan -35, inti enzim akan membentuk gelembung transkripsi dimana menyebabkan DNA terpisah, untaian yang digunakan oleh RNA polimerase dikenal dengan untaian template (non-coding/ antisense) dan pasangannya/komplementernya akan membentuk mRNA.

Strand pasangan DNA dikenal dengan untain coding (non-template atau unataian sense). Karena ini merupakan komplementer dari DNA non-coding, jadi urutan yang terbentuk akan sama dengan untaian ini kecuali thymine diganti dengan urasil.

Sinyal berhenti transkripsi

RNA polimerase melanjutkan transkripsi DNA hingga mencapai signal terminal. Pada bakteri, Rho-independent terminator merupakan region DNA dengan urutan yang berulang dan terbalik sehingga membentuk hairpin/ sanggul. Rho protein merupakan protein sepesial yang akan membuka pilinan DNA/RBA hybrid double helicase.

Pada bakteri sistem ekspresi genetiknya pada umumnya diregulasi oleh satu promoter untuk sekelompok gen yang berbeda yang dikenal dengan istilah operon. Oleh karena itu transkripsi ini dikenal dengan polisistronink mRNA. Berbeda dengan bakteri mRNA pada eukariotik dikenak dengan monosistronik.

Transkription pada Eukariotik

RNA polimerase pada bakteri memiliki tiga jenis yang dimentranskripsikan jenis gen yang berbeda. RNA polimerase I – mentranskripsikan gen ukariotik untuk large subunit ribosom (subunit besar ribosom). RNA polimerase II – mentraskripsikan gen yang megkode protein pada umumnya

Polimerase III – mentranskripsikan gen untuk tRNA, 5S rRNA, dan RNA molekul kecil lainnya

RNA polimerase II membutuhkan tiga region yang berbeda (Initial box, Tatabox dan elemen upstream lainnya yang mengikat protein yang dikenal dengan faktor transkripsi)

RNA polimerase membutuhkan sejumlah faktor transkripsi umum untuk memulai transkripsi pada semua promotor. Faktor transkripsi spesifik dibutukah untuk sejumlah gen tertentu. Tata box binding factor  atau (TBF) mengenali TATA-box. Protein ini akan membentuk komplek dengan sejumlah faktor transkripsi lainnya seperti TFIIA dan TFIIB untuk berikatan dengan promotor. Kemudian akan membawa RNA polimerase berikatan dengan kompleks tersebut. RNA polimerase berasosiasi dengan TFIIF kemudian TFIIE, TFIIH dan TFIJ untuk memulai transkripsi. TFIIH memfosforilasi RNA polimerase II yang menyebabkan dia bergerak.

Pada prokariot, sejumlah aktivator dan represson mengontrol gen yang akan ditranskripsikan. Kedua molekul ini bekerja dengan berikatan dengan DNA dalam region promotor. Pada E. coli 1000 – 4000 gen diekspresikan pada waktu yang bersamaan pada satu waktu. Protein aktivator bekerja dengan regulasi positif artinya protein gene diekspresikan hanya ketik aktivator memberikan sinyal positif. Represor bekerja berlawan yang bekerja seperti regulator negatif.

Lactose Operon

Sejumlah gene membutuhkan regulator spesifik untuk mengaktifkan transkrispsi via RAN polimerase. Sejumlah protein hadir dalam dua bentuk yaitu aktif dan tidak aktif. Operon Lac memiliki sejumlah promoter upstream pada gen struktural Lac Z, LacX, dan LacA. gen Lac ZYA ditranskripsikn sebagai polisistronik mRNA. Promoter upsteam adalah gen LacI, Lac operon repressor. LacZ mengkode β-galactosidase, yang memotong laktosa disakarida kedalam galaktosa dan glukosa. LacY mengokose Lactosa permease, yang mentrasport lactosa melalui membran sitoplasma kedalam bakteri. Akhirnya LacA mengkode protein lacosa acetilase. Promoter memiliki sisi pengikatan. LacO untuk protein repressor yang overlap dengan binding site RNA polimerase. Region ini dikenal dengan operator, ketika dia berikatan maka RNA polimerase tidak bisa mentranskripsikan operon.

Terdapat Binding site untuk CRP protein (Cyclic AMP repressor protein) juga dikenal dengan CAP (catabolite activator protein). Ini merupakan regulator global yang mengkatifasikan transkripsi operon berbeda untuk menggunakan sumber gula yang berbeda.

Lingkungan mengontrol apakah operon lactosa diekspresikan atau tidak. Ketika E. Coli memiliki sedikit glukosa maka operon lactosa akan dimatikan. Namun ketika glukosa ada, konsentrasi cAMP menurun. Jika E. coli kekurangan glukosa dilingkungannya maka cAMP akan meningkat konsentrasinya dan berikan dengan Crp. Crp mendimerisasi sehingga dapat berikatan dengan sisi Crp pada promoter berbeda-beda, laktosa harus selalu ada untuk mengaktifkan transkripsi. Jika laktosa ada enzim β-galactosidase mengkatalisis satu reaksi sampingan yang merubah lactosa kedalam all-lactosa. Ini akan melepaskan represon LacI.

Aplikasinya adalah Allo-lactose tidak digunakan, melainkan IPTG (Isopropil thio galactosidase). IPTG tidak di potong oleh β-galactosidase

 Regulation of transcription in eukaryotes

Elemen ehancer ditemukan ratusan pasang basa dari gen yang akan dikontrol. Mereka berikatan dengan protein spesifik yang berinteraksi dengan mediator complex dengan memberntuk loop pada DNA.

Contoh factor transkripsi eukariot yang bekerja sebagai activator dalam sejumlah tipe sel adalah AP-1.

Translasi kode gentik menjadi protein

mRNA menyediakan informasi yang dibutuhkan ribosom untuk membentuk protein. Proses ini dikenal dengan translasi karena melibatkan penerjemahan informasi yang dibawa oleh DNA untuk sintesis protein. mRNA membaca tiga sequence nukleotida yang dikenal dengan istilah triplet/ kodon. Setiap tiplet basa akan diterjemahkan menjadi asam amino. tRNA mengenal codon dan memabawa asam amino terkait.

Bagaimana spesifik tRNA membawa asam amino yang benar ?

Sejumlah grup yang disebut Aminoacyl tRNA Synthetase mengikat asam amino yang benar. Enzim-enzin ini bersifat  sangat spesifik dan mengenal tRNA yang benar dengan anticodon yang berada di sisi lain molekul ini.

BAHAN GENETIK

Berdasarkan pengalaman empiris suatu bahan genetic harus memiliki tiga karakteristik:

1. Bahan membawa informasi genetic harus stabil agar suatu organisme mampu mempertahankan karakter individunya
2. Informasi genetic harus dapat diwariskan secara akurat pada keturunanya
3. Informasi genetic harus membuka peluang terjadinya agar organisme mampu bertahan dalam menghadapi perubahan lingkungan

Pada tumbuhan tingkat tinggi material genetic terdapat pada, inti, mitokondria, plastid.

Semakin mudah setelah ditemukan PCR dan disimpan dlm database.

Struktur genom dan kromosom dalam suatu organisme, dimulai dengan teknik FISH dan cabang ilmu yang mempelajari disebut ilmu genomic.

DNA yang terdapat dalam inti sel maupun dalam organ sel lainnya, selanjutnya ditranskripsikan menjadi RNA dan cabang ilmu yang mempelajari disebut transkriptomik. RNA yang diekspresikan terjemahannya menjadi asam amino yang selanjutnya diproses menjadi protein yang dipelajari dalam ilmu Proteomik.

DNA sebagai Materi Genetik

Visualisasi terhadap materi genetic adalah pada tahun 1869 pada saat darah pada perban luka yang dicuci ethanol, menyisakan benang halus pada cairan ethanol yang bening. Johann Friedrich Miescher 1871 berhasil mengisolasi senyawa fosfor yang mengandung senyawa asam dari inti.

Rosalind Franklin (1951) menyempurnakan temuan franklin dalam suatu struktur spt helix ganda dan fosfor pada bagian luarnya. Pada akhirnya Watson and Crick menyempurnakan temuan franklin dalam suatu struktur yang dikenal dnegan double helix

Pengungkapan DNA sebagai Materi Genetik

Ada tiga penemuan yang mnyatakan bahwa asam nucleat berperan penting dalam menentukan sifat organisme atau sebagai bahan dasar gen

1. DNA sebagai senyawa penyusun kromosom
2. DNA berperan dalam transformasi bakteri
3. DNA pada virus yang diwariskan pada keturunan berikutnya.

DNA sebagai penyusun kromosom pertama kali dipahami oleh Robert Fluelgen yang melakukan studi pewarnaan mikroskopik dengan cara memberi perlakuan pada spasiment dengan asam sulfat (hidrochlorix acid ) yang dipanaskan hingga 60^oC. kemudian diberi pewarna dengan Schiff Reagent/Fuchine terdapat Senyawa DNA berwarna merah dengan latar blakg berwarna hijau.

Osward Avery 1944 membuktikan bahwa bahan genetic yang terlibat dalam proses transformasi adalah DNA. Sebelumnya dikemukan oleh F. Griffith menggunakan streptococcus pneumonia galur R san Galur S.

Percobaan tersebut diteruskan oleh Avery mengisolasi melekul kimia pecahan galur S. kemudian dipisahkan. Bahan yang berhasil dipisahkan ternyan DNA, RNA dan Protein, polisakarida dan lipd. Molekul tersebut diuji dengan mencampurkan bakteri R ditambah Enzim DNAase, RNAase, Protease. Ternyata bakteri yang tidak dicampurkan dengan DNA mengalami transformasi, sedangkan DNAase tidak.

Harse dan Chase (1952) – DNA merupakan bahan genetic yang diwariskan, E. coli dtumbuhkan pada media yang diberi radioisotope sebagai penanda protein dan p³² sebagai penanda DNA bakrteriofag T2 diinfeksikan pada E. coli sehingga menggunakan unsur pada sel inang.

Struktur Penyusun Materi Genetik

Salah satu penyusun utama adalah gula 5 atom C yang dikenal dengan ribose dan salah satu OH pada C NO.2  kehilangan atom O₂ sehingga dinamakan deoxyribose.

Komponen DNA terpusat pada gula pentosa, dimana basa akan berikatan dengan gugus C No.1, Hasil penggabungan antar senyawa basa dan gula disebut senyawa nukleosida. Selanjutnya senyawa fosfat akan berikatan denga nukeleosida pada senyawa gula pada gugus C No.5

Struktur Basa Penyusun DNA

1. Kelompok Pirimidin. Basa kelompok ini terbentuk dari satu cincin yang terdiri dari 4C dan 2N, Kedua basa itu adalah Timin dan Cytocine
2. Kelompok Purin Basa kelompok ini terbentuk dua cincin yang terdiri dari 5C dan 4N. kedua basa adalah Adenine dan Guanine.

Berdasarkan pasangan A-T dan G-C maka jumlah basa pirimidin akan sama dengan basa purin, artinya setengan dari DNA dalam suatu organisme adalah pirimidin dan setengahnya adalah purin. Pola seperti ini diajukan oleh Erwin Chargaff. Kandungan GC tinggi terdapat pada region heterokromatin dan rendah di eukraiotik.

RNA (Ribo Nucleic Acid)

Penyusunan Utas DNA menjadi Kromosom

DNA memiliki ketebalan 2 nm, mengalami beberapa penataan, sehingga membentuk kromosom dalam ketebalan 700 nm ada 5 Proses.

1. Utas ganda melilit protein Histon membentuk struktur nukleosom
2. Antara nukleosom dihubungi oleh DNA membentuk struktur manik2
3. Nukleoson dikemas jadi benang kromatin
4. Pembentukan pola gelombang kromosom dengan menempelkan benang kromatin pada protein non histon dan membentuk struktur setebal 300 nm
5. Pola gelombang membentuk memilin dengan ketebalan 700 nm membentuk kromosom.

Penggandaan DNA

Pemahaman mengenai mekanisme sintesis untuk penggandaan DNA dikemukan pertama kali oelh Arthur Konberg melalui percobaan E. coli.

Untuk pembentukan DNA baru perlu ada 4 komponen :

1. Basa penyusun utas DNA, berupa Deoxynucleotide 5-triphospate (dNTP) yang terdiri dari basa, gula pentose dan senyawa fosfat.
2. DNA template Sintesis DNA pola komplementer T-A dan G-C sehinga sintesis DNA baru memerlukan cetakan berupa utas DNA lama.
3. Enzim yang melaksanakan polimerisasi DNA yaitu DNA polymerase
4. DNA primer. Enzim DNA polymerase hanya bias bekerja dengan meningkatkan suatu DNA ke DNA lain yang sudah ada didalam utas yang akan digandakan

Penggandaan dalam SEL

Awal penggandaan dimulai pada suatu situs yang disebut ORI (Original of Replication) kemudian kedua utas membentuk Garpu replikasi. Penggandaan dimulai dari pengenalan titik awal penggandaann, pembukaan utas ganda, inisiasi penggandaan utas baru, hingga penyempurnaan utas baru terutama lagging strand.

Pengenalan ORI – berada pada sequence dengan GC rendah kemudian membentuk replication fork dan pembukaan pilinan DNA oleh ENxim topoisomerase, pemisahan utas DNA dg helicase. Pada utas lama memiliki orientasi 3 – 5 maka utas baru akan terbentuk sejalan dengan pergerakan enzim helicase  maka dikenal dengan leading strand.

Pada lagging strand untuk inisiasi utas baru ditempatkan RNA primer oleh enzim DNA primase/polymerase. Untuk menjaga agar DNA yang terpisah jadi dua tidak menyatu kembali pada lagging strand lagging strand ditempatkan pada protein SBB (Single Strand DNA binding Protein). Asosiasi antara enzim helicase dan DNA primase disebut primosome.

Sintesis DNA dimulai pada lagging strand dimulai pada RNA primer oleh enzim DNA polymerase, hingga mencapai RNA primer didepannya. RNAase (DNA polymerase 1) akan mendegradasi RNA primer menghasilkan fragmen terputus yang dinamakan Fragment okazaki.

 Reparasi DNA

Faktor endogen yang menyababkan kerusakan DNA antara lain kesalahan sintesis DNA baru oleh DNA polymerase, factor endogen ini sendiri disebut transposable element transposon maupun retrotransposon, metilasi pada basa DNA, sehingga basa tidak dapat dikenali oleh enzim yang memproses DNA , serta adanya radikal bebas dalam sel menghasilkan metabolism yang kurang sempurna.

Loading...

Taking too long?

Reload document

| Open in new tab

Download [1.67 MB]