BAB VI RIBOSOM DAN SINTESIS PROTEIN I. PENDAHULUAN Bab ini menjelaskan tentang ribosom sebagai salah satu organela dalam sel, karakterisasi fisik dan kimianya serta fungsinya secara umum dalam proses sintesis protein. Setelah mengikuti pokok bahasan ini diharapkan mahsiswa dapat menjelaskan karakterisasi salah satu organela sel yaitu ribosom dan menjelaskan peran ribosom dalam sintesis protein. II. MATERI A. RIBOSOM Setiap sel hidup mempunyai ribosom. Ribosom mempunyai ukuran yang sangat kecil dan dapat dilihat dengan bantuan rnikroskop. Ribosom memungkinkan translasi terjadi yaitu suatu transkripsi mrna diterjemahkan dan protein disintesis tergantung dari informasi yang ada didalamnya. Ribosom secara aktif mengkoordinasi dan membantu proses sintesis polipeptida dan berperan secara aktif sebagai pusat aktivitas banyak proses didalam sel. Ribosom pada prokaryotes tersebar dalam sitoplasma, sementara pada eukaryotes ribosom juga melekat pada membran sel. Retikulum endoplasma kasar (Rough Endoplasmic Reticulum) adalah suatu suatu retikulum endoplasma dimana banyak ditemukan ribosom melekat padanya, sementara retikulum endoplasma yang tidak mengandung ribosom disebut Retikulum endoplasma halus (Smooth Endopiasinic Reticulum) (Gambar 6.1). Selain itu ribosom juga terdapat pada mitokondria dan kloroplas. Sintesis protein terjadi pada semua tipe ribosom ini. Virus tidak memiliki ribosom, oleh karena itu virus menggunakan ribosom sel induk (host) untuk menerjemahkan informasi genetik. B. KARAKTERISASI RIBOSOM Karakterisasi Fisik Monomer atau sub unit ribosom dapat diidentifikasi dengan mengukur nilai pengendapannya dengan sentrifugasi kecepatan tinggi. Dalam kondisi standar, monosom dan sub unit berada dalam keadaan equilibrium (titik
dimana perubahan tidak ditemukan lagi) pada daerah tertentu dalam suatu suspensi. Suatu partikel atau molekul akan berada dalarn posisi tertentu dalam urutan densitas tergantung pada ukuran bentuk dan bobot molekul. Setiap partikel atau molekul mempunyai koefisien sedimentasi yang dinyatakan dalam Unit Svedberg (S). Gambar 6.1. Bagian dari sel hati tikus yang menunjukkan retikulm enoplasma kasar dan halus (Avers, 1982). Ribosom E. coli adalah 70S dan ini dijadikan standar untuk pengukuran monosom dan sub unit ribosom dan sumber dan spesies yang lain (Gambar 6.2.). Ribosom E. coli terdiri dan sub unit besar 50S dan sub unit kecil 30S. Jumlah nilai S dan sub unit selalu lebih besar daripada nilai S monosomnya. Ribosom prokaryotes selain E. coli juga 70S, sementara untuk eukaryotes adalah 80S. Sub unit ribosom sitoplasma eukaryotes terdiri dan sub unit besar 60S dan sub unit kecil 40S (Tabel 6.1). Ribosom mitokondria dan kloroplas juga terdiri dari dua sub unit ribosom. Ribosom mitokondna bervariasi dari ukuran 55S pada hewan sampai 80S pada beberapa protozoa dan jamur. Ribosom kloroplas adalah 70S pada semua sel hijau (Tabel 6.2.). Sumber Tabel 6.1. Karakteristik ribosome sitoplasma (Avers, 1982) Ribosom UnitsRibosom rrna dalam Subunits No..Protein dalam Subunit 21 32-34 Prokaryotes Eukaryotes 70S 80S 30S 50S 16S 23S,5S 40S 18S ~30 60S a 25-28S, 5S, ~50 5.8S a rrna path sub unit 60S hewan adalah 28S, sementara pada tanaman, jamur dan protista adalah 25-26S
Suniber Subunit Tabel 6.2. Ribosom Organel a (Avers, 1982) Ribosom Monomer. Subunit kecil Subuni Subunit besar kecil rrna dan. t besar Mitokondria Mitokondria -Hewan 55-60S 30-35S 40-45S 12-13S a Standar acuan adalah komponen dan monomer ribosom E.coli, tikus dan yeast b Tidak diketahui rrna.yang mana yang berasal dan kedua sub unit 55. Ada kemungkinan bahwa kedua rrna berada pada tiap partikel 55S yang kemungkinan merupakan monomernibosom yang ash. Gambar 6.2. Struktur ribosom E. coli (Weaver dan Hedrick, 1993) Karaktcrisasi Kimia Ribosom terdiri dari 50-80 protein yang berbeda serta 3-4 molekul RNA. Tiap sub unit memiliki serangkaian makromolekul yang berbeda dan unik. Protein ribosom prokaryotes terkarakterisasi lebih baik dibandingkan eukaryotes termasuk jumlah absolut protein dalam tiap sub unitnya. Akan tetapi rrna pada prokaryotes dan eukaryotes secara relatif sudah terkarakterisasi dengan baik. Sub unit kecil ribosom terdiri dari satu molekul RNA dan sub unit besar terdiri dari minimal dua molekul RNA. rrna juga diidentifikasi berdasarkan nilai S-nya. rrna adalah rantai polinukleotida tunggal dimana pada daerah tertentu mengalami lipatan yang menyebabkan formasi untai ganda. Hal ini disebabkan karena adanya ikatan hidrogen antara pasangan basa yang saling berkomplementer. C. SINTESIS PROTEIN Ketepatan terbentuknya protein-protein baru memegang peranan yang sangat penting selama berlangsungnya proses seluler. Asam amino terbentuk sesuai dengan
instruksi genetik dan ribosom memfasilitasi proses translasi dimana messenger RNA (mrna) diterjemahkan sesuai dengan informasi genetik yang dikodenya. Informasi dasar mengenai struktur DNA dan RNA dan bagaimana materi dasar tersebut menentukan sintesis suatu protein sangat diperlukan. Perlu diketahui bahwa gen adalah informasi genetik dan DNA adalah substansi di dalam kromosom dimana gen dibuat. Gen didistribusikan ke dalam anak sel ketika sel membelah. Molekul DNA terdiri dari dua rantai panjang yang saling berlekatan satu sama lain oleh pasangan basa yang saling berkomplementer. Terdapat empat macam sub unit penyusun DNA yaitu deoxyribonucleotides yang mengandung basa adenin (A), cytosin (C), guanin (G) dan thymin (T). Nukleotid satu dengan yang lain dihubungkan dengan ikatan fosfodiester yang menggabungkan karbon 5 dan deoxyribose yang satu dengan karbon 3 dan deoxyribose berikutnya. DNA adalah doule helix dimana basa penyusunnya berada pada bagian dalam double helix dan gula fosfat diluar (Gambar 6.3.). Bukti menunjukkan bahwa basa A berpasangan dengan T dan basa G berpasangan dengan basa C yang disebut pasangan basa Watson-Crick. Aksi dari suatu gen atau yang lebih sering dikenal sebagai ekspresi gen adalah serangkaian proses dimana informasi genetik diterjemahkan sehingga terbentuk produk yaitu protein atau RNA. Proses ini melibatkan serangkaian proses yang disebut transkripsi dan translasi. Transkripsi adalah proses membuat copy/salinan suatu RNA dari suatu gen yang diatur oleh gen-gen tertentu yang disebut operon. Translasi adalah proses penerjemahan RNA menjadi protein yang secara aktif dikoordinasi oleh ribosom. Berikut ini adalah contoh gambaran umum bagaimana suatu gen diterjemahkan untuk akhirnya menjadi protein. Gambar Umum Gen: ATGAGTAACGCG TACT CATTGCGC Transkrip mrna: AUGAGU&ACGCG Translasi Protein: fmetserasnala
(a) (b) Gambar 7.3. Struktur DNA daij RNA (Alberts et a!, 1994) (a) struktur DNA (b) struktur RNA Gen adalah unit hereditas yang terdiri dari DNA. Molekul DNA adalah double helix yang tersusun dari dua rantai polinukleotida panjang yang saling berlekatan satu dengan yang lain oleh ikatan hidrogen diantara basa yang saling berpasangan. D. PERAN RIBOSOM DALAM SINTESIS PROTEIN Transkripsi Substansi yang memegang peranan penting dalam proses transkripsi adalah DNA yang digunakan sebagai cetakan untuk pembentukan RNA, RNA polymerase yaitu enzim yang memfasilitasi proses transkripsi. Secara garis besar proses transkripsi terdiri dari tiga tahap utama yang meliputi proses inisiasi, elongasi dan terminasi (Gambar 6.4.)
Gambar 6.4.Proses transripsi (Weaver dan Hendrikck,1992) Secara umum proses inisiasi diawali dengan perlekatan RNA polymerase pada promoter. Setelah terjadi ikatan yang kuat, peluluhan setempat sepanjang 10 bp segera terjadi dan RNA polymerase memulai membentuk rantai RNA. Selanjutnya RNA polymerase mengarahkan pembacaan nukleotida dengan arah 5 3 pada proses elongasi. Produk akhir proses elongasi adalah satu untai RNA yang merupakan salinan dari untai DNA. Proses transkripsi diakhiri dengan bertemunya RNA polymerase pada daerah terminator (Terminasi). Sampai pada daerah ini proses transkripsi berhenti dan dengan bantuan protein yang lain RNA terpisah dari cetakan DNAnya. Sintesis protein terjadi pada nbosom. Seperti halnya proses transkripsi terdapat tiga tahap utama terjadinya sintesis protein yang meliputi proses inisiasi, elongasi dan Translasi Seperti halnya dengann proses transkripsi, proses translasi terbagi menjadi tiga tahap utama yang meliputi inisiasi, i elongasi dan terminasi. Dalam tahapan proses tersebut beberapa substansi terlibat antara lain ribosom, trna, aminoacyl-trna synthetase dan mrna. Selain itu juga terdapat beberapa protein faktor, ion anorganik (Mg 2, K +, NH + 4 ) dan guanosine triphosphate (GTP).
trna adalah RNA rantai tunggal (single stranded) yang terdiri dari 75-85 nukleotida. RNA ini bertanggung jawab dalam proses pengenalan kodon pada mrna. Pengenalan dimulai dengan pasangan basa yang saling berpasangan antara kodon pada mrna dan antikodon pada trna. Anti codon adalah nukleotida triplet yang terdapat pada daerah trna molekul Aminoacyl-tRNA synthetase adalah enzim yang berperan dalam pengaktifan asam amino, bereaksi dengan ATP. Enzim ini juga membantu proses pelekatan asam amino dengan trna. Dan 20 asam amino yang berbeda dikatalisis oleh enzyme yang berbeda. Peran enzim aminoacyl-trna dapat digambarkan sebagai berikut: asam amino + ATP + enzyme aminoacyl-adenylate-enzim + pryrophosphate (PP) (intermediate) aminoacyl-adenylate-enzim +trna amnioacyl-trna +AMP + enzim Secara umum proses inisiasi pada translasi dimulai pada urutan AUG (methionine) yang merupakan initiator kodon mrna (gambar 6.5.). Pada prokaryotes trna yang membawa N-formylmethionine dikenal sebagai tmet-trna dan pada eukaryotes disebut Met-tRNA. fmet-trna berinteraksi hanya dengan inisiator AUG sedangkan Met-tRNA dapat berinteraksi dengan kodon selain AUG pada molekul mrna. fmet-trna atau Met-tRNA hanya berhubungan dengan ribosom inisiasi dan tidak yang lain (tidak pada AUG internal).
Gambar 6.5. Pembentukan kompleks inisiasi pada sintesis protein prokaryotes (Avers, 1982).(a) ikatan antara mrna dengan ribosom sub unit 30S dengan bantuan satu atau lebih faktor inisiasi (Initiation Factors/IF) (b) ikatan fmettrna Met, inisiasi aminoacyl trna dan pembentukan kompleks inisiasi (c) elongasi dan polipeptida terjadi setelah ribosom sub unit SOS berikatan dengann kompleks inisiasi dan IF terdisosiasi dan kompleks. Pada dasarnya terdapat dua posisi aktif pada ribosom yang dikenal dengan posisi A yaitu tempat masuknya arninoacyl-trna dan posisi P yaitu tempat pelepasan trna yang sudah bebas setelah menempatkan rantai peptidyl pada posisi A. Proses elongasi dimulai dengan penerimaan aminoacyl-trna pada posisi A yang dapat terjadi bersamaan dengan ketika peptidyl-trna masih terdapat pada posisi P (Gambar 6.6.). Jenis aminoacyl-trna yang masuk pada posisi A tergantung dari kodon yang terdapat pada mrna. Selanjutnya terjadi ikatan antara rantai peptidyl pada posisi P dan aminoacyl trna pada posisii A yang dikatalis oleh peptidyl transferase.translokasi (perpindahan peptidyl-trna yang sudah diperpanjang) segera terjadi setelah ikatan peptida terbentuk dengan bantuan GTP dan protein translocase (faktor G). trna bebas dilepas, ribosom kembali ke posisi semula dengan hasil polypeptida lebih panjang 1 unit asam amino. Ribosom kemudian bergerak ke triplet codon berikutnya.
Tahap ini terus berlangsung untuk tiap residu asam amino sampai rantai terminasi ditemukan. Terdapat banyak komponen-komponen yang terlibat dalam proses sintesis polipeptida antara lain faktor elongasi (Elongation Factorsf/EF). Seperti yang terlihat pada gambar 6.7. faktor elongasi harus ada dalam proses elongasi rantai polipeptida yang berlangsung secara normal. Dalam hal ini faktor elongasi (EF) bergabung dgn GTP, dan kompleks yang terjadi bergabung dengan aminoacyl-trna menuju posisi A. Suatu aminoacyl-trna hanyaa terikat pada posisi A dimana pada posisi P terdapat suatu peptidyl-trna. Setelah berikatan dengan ribosom, GTP dan kompleks terhidrolisis oleh enzim GTPase dimana enzim ini akan menghidrolisis GTP kedua dan faktor G pada proses transloksi. Gambar.6. Proses elongasi rantai polipeptida path ribosom (Avers, 1982)
Sebelum polipeptida dilepaskan dari ribosom terjadi pemutusan ikatan antara asam amino terakhir pada rantai dan trna. dimana asam amino melekat. Pelepasan trna dan polipeptida memerlukan signal kodon terminasi (UAA, UGA, UAG) dengan bantuan fakto terminasi. Gambar 6.8. menunjukkan siklus kerja subunit ribosom pada proses sintesis protein. Gambar 6.7. Diagram yang memperlihatkan komponen-komponen yang terlibat dalam perpanjangan rantai polipeptida (Avers, 1982)
Gambar 6.8. Siklus sub unit ribosom pada prokariotik dan eukariotik (Avers, 1982) Gambar 6.9. Diagram yang memperlihatkan proses umum ekspresi suatu gen (Avers, 1982).
Dari penjelasan sebelumnya dapat disimpulkan bahwa secara umum banyak substansi terlibat dalam sintesis protein yang diantaranya adalah DNA dan minimum tiga macam RNA (mrna, rrna dan trna) (Gambar 6.9). Disamping itu terdapat protein regulasi serta enzim-enzim yang berperan dalam replikasi, enzim yang diperlukan untuk sintesis RNA, katalist protein ribosom, aminoacyl-trna synthetase dan enzim lain yang berhubungan dengan koordinasi sintesis protein. E. TUGAS DAN CONTOR SOAL TUGAS: 1. Diskusikan dengan teman sekelas bagaimana suatu gen dapat terekspresi menjadi protein! Lengkapi penjelasan anda dengan diagram! 2. Carilah sumber di perpustakaan atau sumber bacaan yang lain bagaimana ribosom berperan dalam proses elongasi rantai polipeptida! CONTOH SOAL: 1. Ribosom adalah 2. Dimanakah ribosom ditemukan pada prokaryotes dan eukaryotes? 3. Sebutkan tiga. tahap utama pembentukan rantai polipeptida! III. PENUTUP Ringkasan Ribosom tersusun atas dua subunit yang berukuran tidak sama. Masing-masing sub unit terdiri dari 20 atau lebih protein yang berbeda dan satu atau lebih molekul rrna yang berbeda. Sintesis polipeptida terjadi pada sekelompok ribosom yang disebut polisom. Proses transkripsi dan translasi terjadi melalui tiga tahap, inisiasi, elongasi dan terminasi. Pada pokok bahasan benkutnya akan diterangkan bagaimana proses pembangkitan energi dalam sel.