Definisi Sintesis Protein Manusia, hewan, dan tumbuhan sangat memerlukan protein sebagai unsur utama penyusun tubuhnya. Protein pada manusia dan hewan terdapat paling banyak pada membran sel, sitoplasma, dan dalam darah. Ada yang berfungsi sebagai zat antibodi, pentranspor gas seperti pada sel darah merah, serta sebagai zat pengatur seperti hormon. Dengan kata lain, keberadaan protein sangat penting artinya untuk manusia dan tumbuhan untuk melangsungkan hidupnya. Manusia dan hewan butuh protein untuk memperbesar diri agar dapat tumbuh dan berkembang menuju kedewasaan. Protein tersebut diperoleh dari makanan yang dikonsumsi setiap hari. Jika mahluk hidup kurang makan, maka akan terjadi penipisan protein di dalam tubuh. Dan jika sudah sangat defisit, mahluk hidup tersebut dapat mati atau meninggal. Beda halnya dengan manusia dan hewan, tumbuhan dapat mengambil zat-zat anorganik dari lingkungannya seperti karbon dioksida, air dan nitrat untuk dijadikan protein. Protein tersebut akan digunakan oleh tumbuhan untuk memperbesar diri menjadi dewasa dan melangsungkan kehidupan. Inilah salah satu penyebab mengapa manusia dan hewan harus mengkonsumsi tumbuh-tumbuhan setiap hari. Protein termasuk ke dalam mahluk yang diciptakan Allah yang memiliki keterbatasan waktu. Namun masa hidup protein yang satu dengan protein yang lain berbedabeda. Darah misalnya,diperbaharui ± 3 bulan sekali. Protein yang mati harus segera diganti dengan protein 1
yang baru untuk melanjutkan system kerja tubuh agar tetap berjalan dengan baik sesuai dengan fungsinya. Protein baru akan disintesis atau dibuat oleh perangkat lain yang berada di dalam tubuh dengan satu pengawasan utama. Peoses membuat protein baru yang akan digunakan untuk memperbaiki sel-sel tubuh yang rusak atau penambahan sel-sel tubuh tersebut dinamakan dengan sintesis protein. Karena tubuh manusia dan hewan merupakan kumpulan dari bermilyar-milyar sel, maka pembuatan tersebut terjadi di dalam sel. Di dalam sintesis protein, dikenal istilah dogma pusat dari Biologi Molekuler, yang menyatakan bahwa informasi genetik itu beralih dari asam nukleat ke protein. Dengan kata lain, DNA merupakan pemegang informasi dan sekaligus pengontrol sampainya informasi ke protein.tahap pertama dari dogma itu dikenal dengan proses transkripsi yang yang menghasilkan RNA duta yang bersifat tidak menimbulkan perubahan kode (informasi) dan tahap kedua yaitu proses translasi yang menghasilkan protein, bersifat menimbulkan perubahan kode. Secara skematis, dogma sentral dapat digambarkan sebagai berikut: DNA transkripsi RNA Translasi Protein Pada tahun 1968, Barry Commoner menduga bahwa informasi genetik dapat beralih secara memutar (sirkuler), yaitu dengan DNA mencetak RNA, dan RNA dapat membuat DNA kembali dengan cara transkripsi balik menggunakan enzim DNA polymerase bergantung RNA (disebut juga transcriptase sebaliknya ). 2
DNA transkripsi RNA Transkripsi balik protein Pendapat ini menjadi sebuah hal yang penting bagi Biologi Molekuler karena ditemukannya dogma baru yang selanjutnya disebut dogma pusat sebaliknya. Adanya teori tentang dogma pusat semakin mempengaruhi perkembangan penger\tahuan sintesis protein karena berawal dari teori itulah kini sintesis protein semakin diketahui dengan jelas proses-prosesnya. 3
Komponen Sintesis Protein Pembuatan atau penyusunan protein terjadi di dalam masing-masing sel tubuh. Komponen-komponen di dalam sel yang berperan penting dalam terlaksananya proses sintesis protein adalah sebagai berikut: A. DNA DNA merupakan pusat informasi genetik. Ia dapat mengatur sebuah sel dengan informasi yang disampaikannya ke bagian-bagia sel dalam rangka pengaturan sel tersebut. DNA merupakan singkatan dari deoksiribonucleic acid, yang dalam bahasa Indonesia disebut asam deoksirbonukleat, disingkat ADN. DNA dimiliki oleh semua jenis mahluk hidup kecuali beberapa virus saja. DNA terletak di dalam sel, terutama terdapat pada kromosom. Sebuah pita molekul DNA tersusun atas tiga senyawa kimia, yaitu: a. Asam pospat, b. Gula deoksiribosa, c. Basa nitrogen, yang aterdiri atas 2 tipe dasar, yaitu: 1. Pirimidin, terdiri atas sitosin(s) dn timin(t). 2. Purin, terdiri atas adenin(a) dan guanin(g). Menurut Waston dan Crick molekul DNA terbentuk sebagai dua pita spiral yang saling berpilin 4
( double helix ). Di bagian luar terdapat deretan gula pospat yang membentuk tulang punggung dari double helix tersebut, didalamnya terdapat basa purin dan pirimidin (Figure 1). Pita spiral tersebut dihubungkan dengan pita spiral yang lain oleh atom hidrogen, yaitu antara pasangan purin dan pirimidin tertentu. Adenin hanya dapat berpasangan dengan timin yang dihubungkan dengan ikatan hidrogen, sedangakan guanin hanya dapat berpasangan dengan sitosin dengan ikatan hidrogen. Figure 1. Struktur DNA berbentuk double helix yang terdiri dari gula deoksiribosa dan asam pospat sebagai tulang punggung, serta basa nitrogen yang terdiri dari timin, adenin, guanin dan sitosin didalamnya. 5
Di dalam sintesis protein, DNA berperan sebagai pengatur jenis protein yang akan disintesis. Peran DNA ini disebabkan karena DNA memiliki kode genetik. Kode genetik adalah kode-kode pada DNA yang dapat memberikan informasi kepada bagian sel lain untuk diterjemahkan. Informasi yang dimiliki DMA berupa kode-kode tertentu yang akan dijelaskan berikut. Tulang punggung DNA selalu terdiri dari asam pospat dan gula deoksiribosa (yang sama) untuk berbagai segmen pada molekul DNA. Yang berbeda adalah dari segi basa nitrogennya. Berhubungan dengan itu, informasi genetik tergantung dari susunan basa nitrogen yang menyusun segmen molekul DNA tersebut. Jadi,kode genetik yag dimiliki DNA berupa bahasa istimewa yang menggunakan empat kode basa nitrogen tersebut. DNA merupakan polinukleotida. satu nukleotida tersusun atas satu asam pospat, satu gula deoksiribosa, dan satu basa nitrogen, baik itu sitosin, guanin, adenin, ataupun timin. Satu nukleotida dapat berikatan dengan nukleotida lain sehingga membentuk polinukleotida yang panjang. Asam amino yang ada dalam sitoplasma sel merupakan salah satu hasil dari ekspresi DNA. Satu asam amino dikodekan oleh satu kelompok nukleotida yang disebut kodon. Satu kelompok nukleotida terdiri dari tiga nukleotida dengan kata lain, tiga basa nitrogen sudah dapat menjadi kode untuk satu macam asam amino. Sistem yang menggunakan tiga basa nitrogen untuk mengkodekan satu asam amino tersebut disebut 6
dengan kode triplet (Tabel 1). Contohnya, asam amino lisin dikodekan dengan kelompok nukleotida yang memiliki basa nitrogen Adenin-Adenin-Guanin (AAG) atau Adenin- Adenin - Adenin (AAA). B. RNA RNA merupakan singkatan dari ribonucleic acid yang dalam bahasa Indonesia disebut asan ribonukleat, disingkat ARN. RNA merupakan molekul genetik dan pembawa segala informasi genetik pada beberapa mahluk hidup seperti virus yang tidak memiliki DNA. RNA yang berfungsi demikian disebut dengan RNA genetik. Pada sel-sel yang memiliki DNA sebagai penyimpan informasi, terdapat RNA dengan fungsi yang non-genetik. RNA inilah yang berperan penting dalam sintesis protein pada manusia. Perhatian kita selanjutnya akan terkonsentrasi pada RNA non-genetik ini. Molekul RNA berbentuk pita tunggal, atau pita double tetapi tidak berpilin. Satu pita RNA terdiri atas: a. Gula ribosa, b. Asam pospat, c. Basa nitrogen, yang terbagi atas: 1. Pirimidin, terdiri atas urasil(u) dan sitosin, 2. Purin, terdiri atas adenin dan guanin 7
Tabel 1. Tabel kodon triplet yang mengkodekan jenis asam amino asam amino tertentu. Kodon start adalah AUG, kodon stop atau nonsense adalah UAA, UAG, dan UGA. Phe = Asp = asam Gly = fenilalavin aspartat glisin Ala = alanin Cys = sistein His = histidin Arg = arginin Glu = Ile = glutamat isoleusin Asn = Gln = Leu = asparagin glutamin leusin Lys = lisin Thr = threonin Met = Trp = metionin triptofan Pro = Tyr = tirosin prolin Ser = serin Val = valin 8
RNA non-genetik dapat dibedakan menjadi tiga berdasarkan tempat terdapatnya dan fungsinya, yaitu sebagai berikut: a. RNA duta, disingkat RNAd ( messenger RNA = mrna). RNAd berbentuk pita tunggal, terdapat di dalam nukleus, dihasilka oleh DNA dalam proses transkripsi. Fungsi RNAd adalah sebagai penerima dan pembawa kode genetik dari DNA. b. RNAp atau RNA pemindah ( Transfer RNA = trna). Menurut R. Holley, RNAp dibentuk di dalam nukleus, lalu ditempatkan di dalam sitoplasma. Oleh karena itu, RNAp sering disebut RNA larut (disingkat RNAl, atau soluble RNA = srna). RNAp berfungsi menerjemahkan kode dari RNAd ke ribosom. c. RNA ribosom disingkat RNAr ( ribosomal RNA = rrna). RNAr terdapat di dalam ribosom, tetapi disintesis di dalam nukleus. Fungsi RNAr sampai sekarang belum diketahui, tetapi diduga mempunyai peranan penting dalam berlangsungnya proses sintesis protein yang sempurna. 9
Figure 3. Struktur RNA duta yang terdiri dari basa nitrogen, asam pospat, dan gula ribosa, tersusun atas satu pita saja. Figure 4. Bentuk trna atau RNA pemindah. Figure 5. Bentuk RNA ribosom yang sangat kompleks. Ia dapat dihasilkan dari DNA yang terdapat di dalam mitokondria. 10
C. Ribosom Ribosom adalah struktur makromolekular (organel sel) di dalam sel yang memimpin berbagai interaksi yang ada hubungannya dengan sintesis protein. Ribosom mengandung faktor-faktor yang berfungsi sebagai enzim. Di dalam menjalankan fungsinya, ribosom-ribosom berderet membentuk kelompok yang disebut poliribosom atau polisom. Banyaknya poliribosom menentukan panjangnya suatu protein. Semakin banyak poliribosom, maka protein yang dibentuk akan semakin panjang. Misalnya pembentukan polipeptida hemoglobin dibutuhkan lima ribosom atau dikenal dengan istilah pentamer. Sebuah ribosom memiliki struktur yang terdiri dari subunit besar dan subunit kecil. Subunit kecil menjadi tempat melekatnya RNA duta. Subunit kecil ini mengandung 3 faktor yang disebut dengan IFsatu, IFdua, dan IFtiga yang masing-masing memiliki peranan yang penting selama proses translasi. Subunit besar merupakan tempat pembentikan rantai polipeptida. Menurut W.D. Stanfield, subunit ini memiliki tiga sisi yang mengikat RNApemindah yang masuk, yaitu sisi A (sisi amino asil RNApemindah) dan sisi P (sisi peptidil RNA pemindah), serta sisi E (sisi exit). Kedua struktur ribosom tersebut, yaitu subunit besar dan subunit kecil hanya akan berkumpul jika akan mengadakan proses sintesis protein. Dengan kata lain, kedua subunit itu akan berpisah jika tidak akan melakukan proses sintesis protein. 11
Figure 6. Gambar struktur ribosom yang memiliki subunit besar dan subunit kecil. Subunit Ribosom Ribosom terdiri atas subunit kecil dan subunit besar. Subunit besar memiliki tiga sisi, yaitu sisi E, sisi A, dan sisi P. 12
Polipeptida A. Struktur polipeptida Polipeptida merupakan nama lain dari protein. Polipeptida tersusun atas asam amino-asam amino yang terhubung satu sama lain dengan ikatan peptida membentuk diri seperti rantai. Protein merupakan zat yang sangat penting bagi kehidupan mahluk hidup. Kata protein berasal dari bahasa Yunani protos atau proteos yang artinya pertama atau utama. Disebut demikian karena protein memegang peranan penting dalam penyusunan tubuh mahluk hidup, dan jika tidak karena protein yang menyusunnya, maka manusia dan mahluk lainnya tidak akan hidup.jika kekurangan saja, ia akan sakit, dan jika sudah sangat kronis kekurangannya, maka ia akan mati secara perlahanlahan. Manusia memperoleh protein dari tumbuhan dan hewan karena ia tidak dapat membentuk protein. Protein yang didapatkan atau berasal dari hewan disebut protein hewani, sedangkan protein yang didapatkan dari tumbuhan disebut protein nabati. Beberapa makanan yang mengandung protein diantaranya susu, ikan, telur, dan daging. Tumbuhan dapat membentuk protein dari zat-zat anorganik, yaitu karbon dioksida, air, dan senyawa nitrogen. Hewan dan manusia yang memakan tumbuhan dan hewan adalah suatu proses mengubah protein nabati menjadi protein hewani. Komposisi rata- 13
rata unsur kimia yang terdapat pada protein antara lain: Karbon 50 %, hidrogen 7%, oksigen 23%, nitrogen 16%, belerang 0-3%, dan fosfor 0-3%. Sebuah protein tersusun atas asam amino-asam amino dalam jumlah yang banyak. Asam amino merupakan asam karboksilat yang mempunyai gugus amino. Rumus umum dari asam amino adalah sebagai berikut: Gugus amino Asam karboksilat Terdapat dua puluh jenis asam amino yang sampai sekarang sudah diketahui. Asam amino-asam amino tersebut dapat dikelompokkan menjadi asam amino esensial dan asam amino non-esensial. Asam amino esensial adalah asam amino yang tidak dapat dibuat atau disintesis oleh tubuh manusia. Sedangkan asam amino non-esensial adalag asam amino yang dapat dibuat oleh tubuh manusia. Berikut merupakan jenis asam amino-asam amino yang termasuk essensial dan non-esensial. 14
Asam amino non-esensial Asam amino esensial Triptofan Isoleusin Tirosin Arginin Treonin Fenilalanin Sistein Glutamin Metionin Valin Serin Histidin Lisin Leusin Prolin Alanin Glisin Asparagin Asam glutamat Asam aspartat Pada pembahasan sebelumnya diketahui bahwa asam amino-asam amino dapat dibuat atau disintesis oleh tubuh. Asam amino tersebut dikodekan dengan sebuah kodon. Ingat bahwa sebuah kodon terditi dari tiga buah nukleotida, yang dengan kata lain terdiri dari tiga gula, tiga asam pospat, dan tiga basa nitrogen. Jadi, satu asam amino dikodekan oleh tiga basa nitrogen. Pada proses sintesis protein dengan cara transkripsi dan translasi, protein disusun dengan cara penerjemahan kode-kode basa nitrogen menjadi asam amino, dan asam amino-asam amino disusun menjadi sebuah protein. Demikianlah proses yang terjadi pada sebuah sel yang memproduksi protein untuk keperluan dirinya melanjutkan hidup. B. Fungsi polipeptida Protein yang dikonsumsi manusia dan hewan akan berfungsi untuk: a. Pembentukan dan pertumbuhan tubuh dengan cara berikatan dengan lipid atau lemak,atau zat anorganik seperti fosfor menjadi fosfolipid. 15
b. Sebagai biokatalis, yaitu protein yang menyusun sebuah enzim, berfungsi untuk mempercapat reaksireaksi kimia yang ada di dalam tubuh. c. Mengangkut berbagai jenis gas. Misalnya jenis protein yang membangun hemoglobin yang berada di dalam sel-sel darah merah(eritrosit), berfungsi mengangkut oksigen dan karbon dioksida dari paru-paru ke seluruh tubuh dan sebaliknya. d. Sebagai antigen atau antibodi yang melawan zat-zat asing yang masuk ke dalam tubuh manusia, misalnya sel darah putih. e. Sumber energi. Protein dapat dijadikan sebagai bahan bakar untuk menghasilkan energi jika sumber energi utama, yaitu karbohidrat, sedang mengalami kekurangan, atau karena aktivitas otot yang terlalu aktif. f. Sebagai zat yang menguatkan ikatan antara tulang dan daging, misalnya tendon dan kolagen. g. Untuk penyimpanan, misalnya feritin untuk menyimpan besi dalam darah dan gliadin untuk menyimpan asam amino dalam biji gandum yang dorman. 16
Mekanisme Sintesis Protein A. Transkripsi Pada organisme eukariot (memiliki dinding inti sel), DNA terdapat pada kromosom, artinya bahwa DNA berada si dalam inti sel. DNA akan tetap berada di dalam sel, sedangkan protein dibuat di dalam sitoplasma. DNA tidak ikut berperan secara langsung dalam pembuatan protein, tetapi pita double helix DNA sangat berperan penting dalam terbentuknya RNA duta. Transkripsi adalah proses pembentukan molekul RNA dari DNA. Proses transkripsi memerlukan kerja sekelompok enzim yang disebut dengan RNA polimerase. Untuk memulai proses ini, dibutuhkan adanya sinyal atau tanda yang berupa gen tertentu. Gen yang menjadi tanda itu adalah kodon AUG. Tempat mulainya transkripsi ini disebut hulu, atau dikodekan dengan bentuk 5`. Proses dimulainya transkripsi dikenal dengan istilah inisiasi. Pada pengakhiran proses transkripsi, ada daerah yang disebut hilir yang sering ditandai dengan bentuk 3`. Proses diakhirinya transkripsi dikenal dengan istilah terminasi. Proses transkripsi selalu berjalan dari hulu ke hilir, artinya selalu berjalan menurut arah 5` ke 3`. Sudah kita ketahui bahwa DNA memiliki dua untai atau dua pita. Pada proses transkripsi, hanya satu untai saja yang berfungsi sebagai pencetak RNA. Pita DNA yang mencetak RNA duta ini dikenal dengan istilah DNA sens. Pita DNA komplementer (pelengkap) lainnya yang tidak mencetak RNA duta disebut DNA antisens (). Proses antara inisiasi dan terminasi adalah proses pemanjangan atau dikenal dengan proses elongasi. Pita 17
RNA duta dengan pita DNA memiliki panjang yang berbeda. Untaian RNA lebih pedek dari pada untaian DNA. Di dalam satu untai DNA double helix bisa terjadi beberapa proses transkripsi yang menghasilkan beberapa untai RNA duta. Informasi yang diterjemahkan dari DNA ke RNA adalah basa nitrogennya. Jika pada untai DNA sens terdapat basa nitrogen adenin(a), maka pada rantai RNA duta akan diterjemahkan sebagai basa nitrogen urasil(u). Jika pada untai DNA sens terdapat basa nitrogen guanin(g), maka pada untai RNA duta akan diartikan sebagai basa nitrogen sitosin(s). Hal ini berlaku sebaliknya. Untai inisiasi pada DNA-pun akan diterjemahkan menjadi untai terminasi pada RNA duta, dan sebaliknya. RNA duta yang telah selesai dicetak (dalam arti telah selesai menerima informasi genetik dari DNA) akan meninggalkan DNA, keluar dari inti sel melalui pori-pori membran inti sel menuju sitoplasma untuk melanjutkan proses translasi. Figure 7. RNA dibuat dari untai DNA. Tahap elongasi merupakan tahap 18
perpajangan ratai RNA dari untai DNA templat atau pita sense. B. Translasi Pada proses ini, RNA duta telah keluar dari inti sel. Sekali RNA duta keluar dari inti sel dan telah berada dalam sitoplasma, maka RNA duta akan bergabung dengan satu atau lebih ribosom yang memungkinkan asa-asam amino disusun menjadi rantai polipeptida sesuai dengan kode genetik yang diamanahkan pada rantai RNA duta. Jadi proses translasi merupakan proses pemindahan informasi genetik dari RNA ke protein. Proses translasi dibantu dengan bantuan molekulmolekul perantara lain yang terdapat di dalam sitoplasma, yaitu RNA transfer atau RNA pemindah. RNA pemindah berfungsi untuk mengikat asam amino pada satu ujungnya, sedangkan ujung yang lain mampu untuk mengenal kodon RNA duta untuk tempat melekatnya asam amino yang dia ikat. Asam amino-asam amino yang terdapat di dalam sitoplasma akan diikat oleh RNA pemindah. Pengikatan ini dibantu dengan menggunakan energi yang berupa ATP(adenin tripospat). ATP berfungsi untuk mengaktifkan asam amino agar siap untuk diangkut ke subunit ribosom. Proses pertama translasi disebut dengan inisiasi atau permulaan. RNA duta yang telah keluar dari inti sel(nukleus) dan sudah berada di sitoplasma akan bersatu dengan subunit kecil ribosom. Ribosom akan menempel pada RNA duta yang memiliki kodon AUG. Kodon ini merupakan kodon penanda yang menandai akan dimulainya sintesis protein. Kodon AUG adalah 19
kode kodon untuk asam amino metionin. Kodon AUG biasanya ada di ujung 5`. Setelah ditemukan kodon ini, maka akan dilanjutkan dengan tahapan translasi selanjutnya, yaitu tahap elongasi atau perpanjangan. Tahap kedua yaitu tahap elongasi. Setelah kodon AUG ditemukan, RNA pemindah akan membawa asam amino dari sitoplasma yang memiliki kode UAS sebagau terjemahan dari metionin. kodon-kodon. Setelah metionin diterjemahkan, subunit besar ribosom akan bersatu dengan subunit kecil yang membentuk ribosom yang sempurna. Setelah menerjemahkan metionin, kodon-kodon selanjutnya akan terbaca dan akan diterjemahkan dengan cara yang sama. RNA pemindah membawa asam amino masuk ke dalam subunit besar dan melekat pada sisi A, lalu akan dilepaskan pada sisi P. RNA pemindah akan keluar melalui sisi E pada bagian subunit besar ribosom. Misal setelah AUG terdapat kodon ASG. Maka RNA pemindah akan mencarikan terjemahan dari kodon itu, yaitu UGS, yang berarti kode untuk asam amino treonin. Kodon treonin itu akan diangkut oleh RNA pemindah memasuki bagian sisi A dan melepaskannya pada sisi P. RNA pemindah akan keluar dari ribosom melalui sisi E pada subunit besar untuk membawa asam amino yang lainnya.. Demikian proses yang terjadi sampai terbentuk untaian yang cukup panjang, sampai ditemukan kode untuk menghentikan proses ini. Tahap ketiga yaitu tahap terminasi atau penghentian sintesis protein. Tahap ini terjadi karena terdapat kode-kode yang menandai RNA duta untuk 20
menghentikan proses pengangkutan asam amino. Kodekode itu berbentuk kodon UAA, UAG, atau UGA. Jika salah satu kodon itu ditemukan oleh RNA pemindah, maka secara langsung proses sintesis protein akan terhenti karena RNA pemindah tidak mengikat asam amino kembali. Setelah selesai tahap terminasi, maka secara otomatis ribosom akan berpisah antara subunit besar dan subunit kecilnya, serta asam amino akan membentuk zat lain yang sedang dibutuhkan oleh sel. Sub unit besar dan subunit kecil akan bersatu kembali jika akan dilakukan proses sintesis kembali. Berikut merupakan gambar proses sintesis protein yang meliputi transkripsi dan translasi sampai terbentuk polipeptida yang berupa rantai. 21
22