PS-S1 Jurusan Biologi, FMIPA, UNEJ (2016) MATERI GENETIK DAN EKSPRESI GEN Oleh: Syubbanul Wathon, S.Si., M.Si.
CAPAIAN PEMBELAJARAN MATERI GENETIK DAN EKSPRESI GEN Mahasiswa mengetahui dan mampu menjelaskan mengenai sejarah penemuan materi genetik Mahasiswa mampu menjelaskan mengenai materi genetik dan komponen komponen penyusunnya Mahasiswa mampu memahami mengenai konsep ekspresi gen Mahasiswa mengetahui dan mampu menjelaskan mengenai proses-proses ekspresi gen (replikasi DNA, transkripsi dan translasi)
A. MATERI GENETIK A.1 Riwayat Penemuan Bahan Genetik Frederick Griffith (1928): transformasi bakteri Streptococcus pnemoniae Henry Dawson (1931): transformasi dapat terjadi secara in vitro yaitu dengan mencampur IIIS mati dengan IIR IIIS hidup (tidak perlu diinjeksikan ke mencit) Lionel J. Alloway (1933): ekstrak kasar IIIS dapat menginduksi transformasi IIR menjadi IIIS Avery, MacLeod & McCarty (1944): DNA merupakan komponen bakteri penyebab transformasi bakteri Streptococcus pnemoniae dari IIR menjadi IIIS Alfred Hershey & Martha Chase (1952): fage T2 Heinz Fraenkel-Conrat & B. Singer (1956): RNA virus menentukan jenis protein mantelnya
a. Percobaan Frederick Griffith (1928) Bahan: Mencit mati Bakteri Streptococcus pnemoniae Mencit Mencit hidup Kesimpulan: Mencit mati Mencit hidup Bakteri IIIS yang telah mati bertanggungjawab terhadap perubahan (transformasi) dari IIR yang avirulen menjadi IIIS yang virulen
b. Percobaan Avery, MacLeod & McCarty Bahan: Bakteri Streptococcus pnemoniae
c. Percobaan HERSEY & CHASE Bahan : Fage T2 : virus yang menginfeksi bakteri E. coli Penyusun fage : DNA : mengandung fosfor (P) Protein : mengandung sulfur (S)
c. Tahapan Percobaan HERSEY & CHASE 1. Pelabelan fage T2 dengan radioaktif
2.Transfeksi E. coli dengan T2 berlabel radioaktif Bakteri mengandung radioaktif Bakteri tidak mengandung radioaktif Karena bakteri yang mengandung radioaktif adalah yang diinfeksi oleh fage yang dilabel pada DNAnya maka yang diwariskan dan menentukan sifat fage adalah DNA, sehingga DNA adalah Bahan Genetik
DNA mempunyai diameter sama basa purin harus berpasangan dengan pirimidin (didukung oleh data E. Chargaff) A.2 PENEMUAN HELIKS GANDA (James D. Watson dan Francis Crick) Dasar: Data Erwin Chargaff: DNA berbagai spesies jumlah Adenin = Timin, Sitosin = Guanin. Kesimpulan: DNA berutas ganda dan terjadi perpasangan basa antar utas dengan aturan A-T, G-C. Data kristalografi Rosalind Franklin dan Maurice Wilkins: DNA mempunyai struktur berulang dengan jarak 3.4 A o dan 34 A o. Kesimpulan: DNA berbentuk pilinan heliksganda
Fotografi Difraksi Sinar-X DNA (Rosalind Franklin & Maurice Wilkins) Struktur DNA heliks/ulir/berpilin, berdiameter seragam mempunyai dua jarak yang teratur, yaitu: panjang satu putaran = 3.40 nm; satu putaran/pilinan = 10 ps nukleotida jarak antar nukleotida = 0.34 nm
A.3 Model Struktur DNA Watson & Crick, 1953 (utas ganda berpilin) Struktur DNA: terdiri dari dua utas/sulur/rantai polinukleotida yang berpilin kedua utas bersifat antiparalel (5 P - OH // OH - 5 P) antar utas nukleotida berikatan pada basa-n secara komplementer (A = T) dan (G Ξ C)
a. Polinukleotida (OH) Nukleotida (ribose)
Polinukleotida Ujung 5 P Tulangpungung: gulafosfat Cabang: basa N Nt1+Nt2 : ikatan fosfodiester 5 P dari Nt2 diikatkan dengan OH Nt1 (polinukleotida) Penambahan Nt baru pada ujung OH pertumbuhan 5 P ke OH Ujung OH
b. Nukleotida (OH) (ribose) C1 dari pentosa berikatan dengan Basa Nitrogen C5 dari pentosa berikatan dengan gugus fosfat C2 dari pentosa menjadi pembeda antara DNA & RNA C3 dari pentosa sebagai tempat pengikatan dengan nukleotida lain
Nukleotida Gula & fosfat sama Dibedakan oleh basa N urutan nukleotida = urutan basa N Basa Nitrogen: Purin (Pu): A & G Pirimidin (Py): T (U) & C
c. Perpasangan nukleotida Adenin (A) berpasangan dengan Timin (T) dengan dua ikatan hidrogen Guanin (G) berpasangan dengan Citosin (C) dengan tiga ikatan hidrogen
d. Asam Nukleat Polinukleotida: DNA & RNA Beda DNA & RNA -gula pentosa: gugus H (DNA) / OH (RNA) pada C2 -basa N: pirimidin T (DNA) / U (RNA) -utas: ganda (DNA) / tunggal (RNA)
A.4 Organisasi DNA dalam Kromosom Unit struktural dasar dari kromosom eukariot adalah nukleosom. Nukleosom tersusun atas DNA dan protein histon. Ada lima macam protein histon yaitu: H1, H2A, H2B,H3,H4 DNA melingkar mengelilingi oktamer histon (H2A, H2B,H3,H4 masing-masing 2 molekul) dan sebagai pengunci adalah histon H1. Protein histon adalah protein sangat basa mengandung asam amino basa arginin dan lisin. Fungsi histon : memelihara integritas fungsi dan struktur kromatin
Compaction level in euchromatin During interphase most chromosomal regions are euchromatic Compaction level in heterochromatin
A.4 REPLIKASI DNA Pada saat sel akan membelah maka DNA yang ada di dalam kromosom akan mengalami replikasi terlebih dahulu. Replikasi DNA secara semikonservatif yaitu dua pita spiral dari double helix membuka dan setiap pita spiral dari double helix parental (induk) akan berlaku sebagai cetakan untuk pembentukan pita yang baru.
Replikasi DNA S 6j G2 4j M 1j Mitosis G1 11j
1. MODEL REPLIKASI DNA Konservatif Semikonservatif Dispersif
2. Percobaan Meselson-Stahl 1958: publikasi model replikasi DNA semikonservatif (Matthew Meselson & Franklin Stahl) E. coli di NH4Cl sebagai sumber N Dua macam N: 15 N & 14 N ( 15 N lebih berat daripada 14 N) bukan radioaktif karena stabil DNA yang mengandung 14 N dibedakan dari yang mengandung 15 N melalui perbedaan kesetimbangan sedimentasi pada saat disentrifugasi Cara awal: E. coli dibiakkan di media dengan 15 N berikutnya: E. coli dibiakkan di media dengan 14 N DNA E. coli dianalisis melalui sentrifugasi
Interpretasi Percobaan Meselson-Stahl Replikasi DNA mengikuti model/pola semikonservatif
3. Prinsip Replikasi DNA Pola semikonservatif Setiap sintesis utas ganda DNA hanya satu utas yang dibentuk baru sedangkan yang lain berasal dari utas lama Dimulai dari titik asal replikasi (ori) Hanya DNA yang mempunyai titik ori (origin of replication) yang dapat bereplikasi Sintesis DNA bergerak dwiarah atau uniarah dengan pertumbuhan 5-3 DNA disintesis mulai dari titik Ori ke dua arah Nukleotida baru ditambahkan pada ujung OH Replikasi berjalan secara bertahap (fragmen Okazaki)
TITIK ORI PADA PROSES REPLIKASI
4. PROTEIN DAN ENZIM YANG TERLIBAT DALAM PROSES REPLIKASI DNA 1. Pengudaran Heliks Ganda Helikase : Berfungsi mengudar heliks ganda Girase : Menghilangkan tegangan pada pangkal percabangan replikasi Protein SSB : Mencegah utas tunggal bergabung membentuk kembali heliks ganda 2. Sintesis Utas Baru RNA Polimerase: Sintesis RNA primer DNA Polimerase III: Sintesis perpanjangan utas DNA baru DNA Polimerase I: Pengisian celah antara dua fragmen Okazaki dan membuang RNA primer Ligase: menyambung dua fragmen Okazaki
5. BAHAN DASAR REPLIKASI DNA DNA cetakan/template DNA primer/pemula Deoksiribonukleotida (dntp) : d ATP, d CTP, dgtp, d TTP Enzim yang mengkatalisis reaksi replikasi : DNA polimerase Reaksi penambahan nukleotida baru terjadi pada ujung 5 hidroksi phospat menuju ujung OH (hidroksi bebas) sehingga sintesis DNA terjadi dengan arah 5
6. GARPU REPLIKASI Pada rantai yang terpisah pada garpu replikasi ada 2 ujung yaitu ujung dan ujung 5 Penambahan nukleotida baru dngan arah 5 Leading strand : rantai DNA disintesis terus menerus (kontinu) utuh dengan arah 5 Lagging strand : rantai DNA disintesis terputus (diskontinu) dengan arah 5 sehingga terbentuk fragmen okazaki, fragmen tsb kemudian digabungkan dengan DNA ligase
7. Mekanisme Terjadinya Replikasi 5 5 5 5 Helicase protein binds to DNA sequences called origins and unwinds DNA strands. Binding proteins prevent single strands from rewinding. Primase protein makes a short segment of RNA complementary to the DNA, a primer.
Replication 5 Overall direction of replication 5 5 5 DNA polymerase III enzyme adds DNA nucleotides to the RNA primer.
Replication Overall direction of replication 5 5 5 5 DNA polymerase proofreads bases added and replaces incorrect nucleotides.
Replication Overall direction of replication 5 5 5 5 Leading strand synthesis continues in a 5 to direction.
Replication Overall direction of replication 5 5 5 5 Okazaki fragment 5 Leading strand synthesis continues in a 5 to direction. Discontinuous synthesis produces 5 to DNA segments called Okazaki fragments.
Replication Overall direction of replication 5 5 5 5 Okazaki fragment 5 Leading strand synthesis continues in a 5 to direction. Discontinuous synthesis produces 5 to DNA segments called Okazaki fragments.
Replication Overall direction of replication 5 5 Okazaki fragment 5 5 5 Leading strand synthesis continues in a 5 to direction. Discontinuous synthesis produces 5 to DNA segments called Okazaki fragments.
Replication 5 5 5 5 5 5 Leading strand synthesis continues in a 5 to direction. Discontinuous synthesis produces 5 to DNA segments called Okazaki fragments.
Replication 5 5 5 5 5 5 Leading strand synthesis continues in a 5 to direction. Discontinuous synthesis produces 5 to DNA segments called Okazaki fragments.
Replication 5 5 5 5 5 5 Exonuclease activity of DNA polymerase I removes RNA primers.
Replication 5 5 5 5 Polymerase activity of DNA polymerase I fills the gaps. Ligase forms bonds between sugar-phosphate backbone.
Replication Fork Overview Overall direction of replication Leading strand Origin of replication Lagging strand Leading strand DNA pol III Lagging strand OVERVIEW Leading strand 5 3 Parental DNA Lagging strand Replication fork Primase DNA pol III Primer DNA pol I DNA ligase 3 5
B. EKSPRESI GEN Gen berekspresi dengan cara mengendalikan sifat organisme Pengendalian dilakukan melalui pembentukan enzim/protein yang berperan dalam proses metabolisme Pengendalian pembentukan enzim oleh gen dilakukan melalui dua tahap : Transkripsi dan Translasi
B.1 TRANSKRIPSI TRANSKRIPSI adalah proses pembentukan RNA dengan DNA sebagai modelnya 5 --AGCTTCTAGCATAGATACAGCTA-- --TCGAAGATCGTATCTATGTCGAT--5 5 --AGCUUCUAGCAUAGAUACAGCUA-- TRANSKRIPSI memerlukan perangkat : -satu utasan DNA sebagai model -enzim transkiptase
Model Cetakan : Ruas Penyandi diapit oleh Promotor dan Terminator DNA P T 5 5 T P 5 RNA RNA 5
Holoenzim Transkriptase Faktor s Enzim Inti
Subunit transkriptase E.coli Subunit Ukuran # Subunit holoenzim transkriptase Fungsi b 155,000 1 Penempelan pada DNA b 151,000 1 Situs polimerisasi RNA a 36,000 2? w 11,000 1? s 70,000 1 Mengenali promotor Subunit pendukung nusa 69,000 1 Mengenali terminator r 46,000 1 Mengakhiri proses transkripsi
a. Inisiasi Transkripsi ---TTGACA----TATAAT----CAT---------5-35 -10 Awal Pengenalan promotor (kotak -35) oleh faktor sigma Pengudaran heliks ganda DNA pada kotak -10 Sintesis RNA mulai dari titik awal
Transkriptase Eukariot Polimerase RNA I : (dalam inti) terlibat sintesis RNA ribosom Polimerase RNA II : (dalam inti) terlibat sintesis pra-mrna/hnrna Polimerase RNA III : (dalam inti) terlibat sintesis trna Transkriptase organel (pada mitokondria atau kloroplas)
Proses Sintesis Perpanjangan RNA Setelah inisiasi selesai faktor sigma akan melepaskan diri dari enzim inti transkriptase Enzim inti akan bekerja lebih cepat tanpa faktor sigma (karena sigma bekerja sangat teliti) Faktor nusa akan bergabung dengan enzim inti untuk membantu mengenali terminator Enzim inti akan berhenti bila sampai pada terminator
Kegiatan Transkriptase Mengudar pilinan heliks ganda DNA Membaca runtunan basa DNA dan mensintesis RNA RNA Memulihkan kembali pilinan heliks ganda DNA
Proses Akhir Transkripsi (kasus E.coli) Gabungan Enzim-inti dan nusa akan mengenali terminator Berkat adanya struktur ulang balik pada terminator maka pada RNA akan terbentuk struktur jepit rambut Adanya struktur jepit rambut memberi tanda pada traskriptase untuk berhenti bekerja
Terminator E.coli (gen trp L) Struktur Ulang Balik RNA Struktur Jepit Rambut Poli A pada terminator tanpa faktor rho Terminator rho tidak mengandung PoliA
Terminator Eukariot Polimerase RNA II Tanda akhir transkripsi eukariot (polimerase RNAII) muncul berupa signal pemotongan RNA yang ditranskripsi Setelah RNA dipotong terjadi penambahan ujung polia pada ujung pra-mrna
RNA Hasil Transkripsi mrna : berfungsi sebagai model pembentukan protein dalam translasi, berstruktur linear trna : berfungsi sebagai pembawa asam amino dan penterjemah kodon mrna, membentuk lipatan tiga dimensi rrna : berfungsi sebagai kerangka ribosom dan mengenali trna dan rrna dalam proses translasia
Struktur trna Ujung ACC, penempelan asam amino Basa termodifikasi Simpul D Simpul Kodon Simpul Variasi Simpul TyC
rrna (RNA ribosom) Ribosom bakteri 70S Ribosom eukariot 80S 50S 30S 60S 40S rrna5s rrna23s rrna16s rrna5s rrna28s rrna5.8s rrna18s
PROSES PASCATRANSKRIPSI Proses pascatranskripsi adalah proses yang berlangsung terhadap RNA setelah transkripsi selesai Bentuk mrna, trna dan rrna yang ada dalam proses translasi bukan merupakan bentuk yang ada saat transkripsi, tetapi merupakan hasil pengolahan pascatranskripsi
Proses Pascatranskripsi mrna hnrna mrna bakteri tidak mengalami proses pascatranskripsi; terlihat bahwa ribosom mulai menempel pada mrna ketika transkripsi belum selesai mrna mrna eukariot mengalami proses pascatranskripsi
Pascatranskripsi mrna Eukariot Transkripsi menghasilkan hnrna Pemasangan tudung pada ujung 5 AAAAAA Pemasangan ekor polia pada ujung Pemotongan intron
Pemotongan intron hnrna tersusun dari intron dan ekson Intron Ekson Dengan pemotongan intron akan terbentuk mrna
TRANSLASI TRANSLASI : adalah proses penterjemahan informasi genetik yang ada pada mrna kedalam rantai polipeptida/protein Informasi genetik pada mrna berupa rangkaian basa atau kodon, akan diterjemahkan menjadi rangkaian asam amino pada rantai polipeptida ---- AGU UCG CAC GAC UUC UCU GAG ---- ---- Ser - Thr - His - Asp - Phe - Ser - Glu -----
Asam amino, Polipeptida, Protein R 1 I HN-C-C H R 2 I HN-C-C H Asam amino : molekul dasar penyusun protein R 1 I HN-C-C - H R 2 I N-C-C H Polipeptida: rangkaian asam amino Protein: molekul yang telah berfungsi tersusun dari satu atau lebih polipeptida
20 asam amino dalam translasi Phe Gly Ala Val Ile Leu Met Pro Tyr Ser Thr Asn Gln Cys Polar,Netral Asam Asp Glu Lys Arg His Basa
Perangkat Translasi : mrna sebagai model Protein Polipeptida dibentuk dengan menggunakan rangkaian basa mrna sebagai modelnya Rangkaian basa mrna mengandung informasi yang akan diterjemahkan menjadi rangkaian asam amino pada rantai polipeptida ---- AGU UCG CAC GAC UUC UCU GAG ---- ---- Ser - Thr - His - Asp - Phe - Ser - Glu ----- Setiap satu asam amino disandikan oleh satu kombinasi tiga basa yang disebut kodon
Ruas Penyandi Translasi : diapit kodon awal dan kodon akhir 5 AUG mrna Prokariot (poligen) UAA AUG UAG Shine-Dalgarno Kodon awal Kodon akhir 5 AUG UGA AAAAAAAA mrna Eukariot (monogen)
trna : penterjemah kodon dan pengangkut asam amino Simpul antikodon Ujung ACC penerima asam amino
Sintetase aminoasiltrna membuat pasangan khas satu jenis asamamino dengan satu jenis trna, membentuk kompleks aminoasil-trna
Ribosom : tempat penterjemahan kodon menjadi asam amino trna mrna
Komponen Ribosom Prokariot Subunit kecil Subunit besar Eukariot rrna 5S 23S 16S 30-38 protein rrna 18S 5,8S 28S 5S 45-50 protein
Struktur dan Fungsi Ribosom Situs mrna : mrna dikenali oleh rrna16s yang terdapat pada subunit kecil Situs P: tempat peptidil-trna Situs enzim peptidiltransferase Situs A: tempat aminoasiltrna.
Situs P: tempat peptidil-trna Situs A: tempat aminoasiltrna.
Proses Translasi 1 Inisiasi translasi pada kodon awal 2 Pertumbuhan polipeptida Sintesis perpanjangan polipeptida 3 Akhir translasi pada kodon akhir
Insiasi Translasi Dimulai dengan penempelan subunit kecil ribosom kecil pada situs Shine Dalgarno, penempelan trna-met inisiator pada kodon awal (situs P), dan pempelan subunit besar ribosom SD 30S Kodon awal Kompleks translasi
AminoasiltRNA Situs A Sintesis Perpanjangan Polipeptida Amino asil-trna masuk ke situs A, Perangkaian asam-amino dari situs P ke situs A, Pergeseran ribosom membaca kodon berikutnya
Reaksi Transpeptidasi Situs P Situs A Asam amino/peptida di situs P dilepas dari trna dan disambungkan ke asam amino di situs A
Proses Akhir Translasi Asam amino Polipeptida A Kodon akhir Bila ribosom mencapai kodon akhir tidak ada trna yang cocok. Akan masuk RF di situs A, reaksi dengan H2O, dan pembebasan polipeptida, mrna, trna dan ribosom
Sifat Sandi Genetik Kodon disusun oleh tiga basa yang berdampingan Antara dua kodon tidak ada penyelang Terdapat 61 kodon penyandi 20 asam amino; dan tiga kodon stop Satu kodon menyandi satu asam amino, satu asam amino dapat disandi oleh lebih dari satu kodon Kodon-kodon yang menyandi satu asam amino yang sama disebut kodon sinonim
Sandi Genetik Hampir Universal Keuniversalan sandi genetik terlihat dari kesamaan sandi antara berbagai spesies, misal antara bakteri dan tumbuhan Ketidak universalan terlihat bahwa antara gen mitokondria dengan gen inti terdapat perbedaan sandi genetik
Hierarkhi Struktur Protein Struktur primer : berbentuk rantai asam amino linear sebagaimana polipeptida yang dihasilkan oleh suatu translasi Struktur sekunder : perkembangan berupa pelipatan dari struktur primer akibat adanya ikatan hidrogen antar asam amino (tiap 5 aa) Struktur tersier: bentuk tiga dimensi hasil pelipatan struktur sekindar berkat ikatan ion, ikatan disulfida antar gugus R asam-amino Struktur kuartener: Gabungan beberapa poliprptida berstruktur tersier
Pelipatan Polipeptida Karbon Ca berfungsi sebagai engsel sehingga asam-asam amino akan bebas berorientasi dan melipat
Struktur Sekunder Heliks-a terbentuk akibat munculnya ikatan hidrogen antara gugus NH dengan CO antara 2 asam amino Heliks a Lembaran b Lembaran b terbentuk ikatan hidrogen antara dua utas peptida yang berdampingan
Heliks-a dan lembar-b pada satu molekul protein
Struktur Tersier Protein Bentuk 3 dimensi yang dihasilkan berkat terbentuknya ikatan antar gugus R berbagai asam amino Ikatan hidrogen, ikatan ion, atau ikatan disulfida antar dua sistein Struktur ini juga dibentuk oleh orientasi gugus R, internal atau eksternal
Contoh Orientasi Gugus R dalam pembentukan kantong heme mioglobin Kantong heme meru-pakan situs tempat heme, yang berfungsi sebagai tempat oksigen Kantong heme terbentuk oleh sejumlah asam amino hidrofob (orientasi internal)
Struktur Kuartener Protein, merupakan gabungan dari beberapa polipeptida berstruktur tersier Hemoglobin TMV
Hubungan Struktur dengan Fungsi Protein Fungsi protein ditentukan oleh strukturnya; contoh: fungsi enzim ditentukan situs aktifnya, fungsi antibodi ditentukan oleh situs pengenal antigen Struktur yang menentukan fungsi adalah struktur akhir; struktur tersier untuk protein monomer, dan struktur kuartener untuk protein oligomer Struktur akhir ditentukan oleh runtunan asam amino struktur primer; dan runtunan asam amino ditentukan oleh runtunan basa gen penyandinya
Proses Pascatranslasi Modifikasi rantai asam amino Modifikasi asam amino: pada protein ditemukan adanya jenis asam amino yang tidak terdapat pada translasi; asam aminonya lebih dari 20 Penambahan asam amino : kemungkinan berhubungan dengan regulasi Penambahan karbohidrat pembentukan ikatan silang antar polipeptida Pemotongan rantai asam amino Praprotein protein aktif Pembuangan ruas signal (protein ekstraselular)
Pemotongan Ruas Signal Ruas signal trasport dipotong setelah protein menembus membran Retikulum endoplasma Signal dipotong
Klasifikasi protein berdasarkan Enzim Hormon fungsinya Protein Toksin Antibodi Protein Sistem Transfortasi Protein Sistem Kontraksi Protein Penyimpan dan Cadangan Protein Penyangga Struktur
Protein, Mutasi dan Keragaman Hayati Perubahan struktur gen atau mutasi akan menyebabkan terjadinya perubahan protein yang disandikannya Perubahan susunan nukleotida DNA akan menyebabkan perubahan susunan asam amino protein Perubahan protein/enzim akan menybabkan perubahan metabolisme, dan akhirnya akan menyebabkan perubahan fenotipe organisme Keragaman genetik, dan protein merupakan dasar keragaman hayati