Gen dan ekspresi gen

GEN DAN EKSPRESI GEN

SITI MARYAM

ILMU YANG MEMPELAJARI

MAKHLUK HIDUP (biologi)

DILIHAT DARI SUDUT

MOLEKULER

DEFINISI

Replication

Transcription

Reverse Transcription

Translation

DOGMA SENTRAL of Molecular Biology

The Central Dogma of Molecular Biology

Transcription Translation

Replication

AC

UA A G C A

G

AC

UGUAC

DNA mRNAprotein

Phenotype

Struktur DNA

Basa :struktur cincin karbon-nitrogen Ada dua jenis struktur cincin, yaitu purin

dan pirimidin Basa purin : dua cincin ( A dan G) dan

pirimidin : satu cincin (T dan C) keduanya dibedakan oleh rantai

samping

Nukleosida : gula pentosa dan basa nitrogen yang terikat melalui ikatan glikosida DNA, gula penyusunnya adalah deoksiribosa DNA, deoksinukleosida: deoksiadenosin , deoksiguanosin, deoksitimidin, dan deoksisitidin RNA, nukleosida mempunyai ribosa sebagai komponen gula sehingga disebut ribonukleosida.

BASA - RIBOSA - FOSFAT

NUKLEOSSIDA

NUKLEOTTIDA

O

HH

H

HH

H2C O

O P

O

O-

Basa

O

HH

H

HH

H2C O

O P

O

O-

Basa

O

HH

H

HH

H2C O

O P

O

O-

Basa

O

5'

3'

5'

3'

5'

3'

Nukleotida

Merupakan ester fosfat

dari nukleosida.

1

2

3

POLIMER NUKLEOTIDA = ASAM NUKLEAT

NUKLEOTIDA

NUKLEOTIDA

NUKLEOTIDA

NUKLEOTIDA

NUKLEOTIDA

HN

N N

N

O

H2N

Sugar

1

23

4

56 7

89

N

N N

N

NH2

Sugar

2

1

3 4

56

7

89

Adenine Guanine

Purines

N

N

NH2

O1

6

54

32

Sugar

HN

N

CH3

O

O1

2

34

5

6

Sugar

Cytosine Thymine

Pyrimidines

NUCLEOTIDE

ATPADPAMP

STRUKTUR ASAM NUKLEAT

Urutan DNA

urutan deoksinukleotida dapat dinyatakan secara sederhana sebagai urutan basa

ACTTTCAGACC merupakan bagian urutan basa dari satu gen

TGGAACCGTAG merupakan bagian urutan basa dari gen lain yang mengkode protein yang berbeda

DNA HELIKS GANDA

Watson dan Crick : struktur DNA dengan difraksi sinar-X

DNA tersusun dari dua rantai yang saling mengelilingi satu sama lain dengan membentuk heliks ganda (double helix).

basa-basa nitrogen berada di bagian dalam dan tulang punggung gula-fosfat berada di bagian luar

DNA double helix

Organisasi DNA dalam kromosom

Kromoson prokariotDNA ini mengandung 4,6 juta ps basa (E Coli)

DNA sirkuler terdapat dlm sel dis nukleoid

Nukleoid DNA : 50 atau lebih domain (loop) yang terikat pada protein scaffold

Kebanyakan protein pengikat DNA adalah HU, HLP-1, dan H-NS.

(a)Asosiasi DNA bakteri sirkuler dengan scaffold protein; (b) molekul DNA ganda sirkuler;

(c) DNA supercoil

Kromosom eukariot DNA genom sel eukariot terdapat dalam

inti sel Sel manusia mengandung DNA lebih dari

1000 kali dari DNA E. coli (bakteri) manusia, mempunyai dua kopi setiap

kromosom, satu diwariskan dari ayah dan satu diwariskan dari ibu

Kromosom mengandung DNA dan protein (kromatin).

Histon : protein basa (lisin atau arginin) sehingga bermuatan positif

Nukleosom : Kompleks DNA yang mengelilingi kelompok protein histon

Setiap partikel inti nukleosom : meng DNA 146 bp, terikat pada kompleks delapan histon (oktamer histon)

REPLIKASI DNA

replikasi semikonservatif tangga berpilin mengalami pembukaan terlebih dahulu sehingga kedua untai polinukleotida akan saling terpisah

replikasi konservatif seluruh tangga berpilin DNA awal tetap dipertahankan dan akan mengarahkan pembentukan tangga berpilin baru

replikasi dispersif kedua untai polinukleo tida meng fragmentasi di sejumlah tempat

Replikasi DNAReplikasi DNA prokariot DNA polimerase I E. coli mengkatalisis

penambahan bertahap deoksiribonukleotida pada ujung 3’ dari rantai DNA:

(DNA)n + dNTP → (DNA)n+1 + PPi enzim ini mengenal nukleotida berikutnya pada

cetakan DNA , menambahkan nukleotida komplementer pada ujung 3’-OH dari primer shg membentuk ikatan 3’, 5’ fosfodiester dan membebaskan pirofosfat.

REPLIKASI DNA

Enzim ini akan bekerja dengan syarat empat dNTP (dATP, dGTP, dTTP, dan dCTP)

harus ada, ion Mg2+ juga diperlukan; cetakan DNA untuk dikopi oleh DNA polimerase; primer dengan 3’-OH bebas, tempat enzim

memperpanjangnya. DNA polimerase I juga memperbaiki kesalahan

selama sintesis DNA dengan menghilangkan nukleotida yang salah (aktivitas proof reading).

selama polimerisasi, jika nukleotida yang dimasukkan tidak tepat, DNA polimerase I menghilangkan nukleotida tersebut dengan menggunakan aktivitas eksonuklease 3’ → 5’.

DNA polimerase I juga mempunyai aktivitas eksonuklease 5’ → 3’, : menghilangkan nukleotida mulai dari ujung 5’ pada rantai polinukleotida

PEMANJANGAN ASAM NUKLEAT

Garfu reflikasi

Replikasi kromosom sirkuler bakteri.

(a) Replikasi mulai dari tempat awal replikasi (ori) dan berlangsung dalam dua arah. (b) gelembung replikasi bergerak mengelilingi kromosom pada waktu yang bersamaan. Dua garfu replikasi bertemu dan bergabung. Dua molekul DNA rantai ganda dihasilkan, masing-masing mempunyai satu rantai DNA induk (garis tipis) dan satu rantai DNA baru (garis tebal).

Fragmen Okazaki

DNA heliks ganda terorientasi scr antiparalel

Satu rantai berorientasi 5’ → 3’ dan rantai komplementernya berorientasi dalam arah 3’ → 5’.

DNA heliks ganda induk akan dibuka pada garfu replikasi dan DNA yang baru akan dibuat dari masing-masing rantai cetakan.

DNA polimerase hanya dapat mensintesis DNA dalam arah 5’ → 3’.

DNA baru yang disintesis secara kontinyu ini disebut leading strand

Pada cetakan dengan orientasi 5’ → 3’, sintesis DNA berlangsung secara diskontinyu dalam arah 5’ → 3’ shg terbentuk fragmen-fragmen DNA pendek ( fragmen Okazaki)

Rantai DNA baru yang dibuat secara diskontinyu ini disebut lagging strand.

Primer RNA

DNA polimerase tanpa primer. Primer yang digunakan berupa potongan RNA pendek (panjangnya kira-kira 5 nukleotida) dan disintesis oleh RNA polimerase (primase).Primer RNA yang dibuat oleh primase kemudian diperpanjang oleh DNA polimerase III shg terbentuk leading strand maupun lagging strand.

5’ 3’

Fragmen Okazaki

Leading strand

Lagging strand

Pol III

Pol III

Pol I

Primer RNAPrimase

HelikaseProtein SSB

Molekul DNA

5’3’ 5’3’

Replikasi DNA. (a) Primase mengikat pada rantai cetakan DNA dan (b) mensintesis RNA primer pendek; (c) DNA polimerase III memperpanjang RNA primer dengan mensintesis DNA baru; (d) selama sintesis lagging strand, fragmen Okazaki dipisahkan oleh RNA primer; (e) RNA primer sekarang dihilangkan dan gap diisi dengan DNA oleh DNA polimerase I (f) menghasilkan fragmen DNA berdekatan yang kemudian (g) digabungkan oleh ligase.

Protein pelengkap Protein yang diperlukan oleh DNA

polimerase I dan III, primase, dan DNA ligase untuk aktivitas.

Agar dapar berlangsung replikasi, kedua rantai heliks ini harus dibuka oleh DNA helikase

Replikasi DNA eukariot Siklus sel

Siklus sel eukariot. Fase S lamanya 6-8 jam, G2 adalah fase

di mana sel menyiapkan diri untuk mitosis dan berakhir selama 2-6 jam Mitosis sendiri (M) berlangsug singkat hanya kira-kira 1 jam. Lamanya fase G1 sangat bervarisasi dan tergantung pada tipe siklus sel. Sel dapat memasuki fase G0, (fase istirahat).

Replikasi DNA kromosom eukariot.Replikasi mulai pada beberapa tempat awal replikasi dan berlangsung dua arah pada masing-masing lokasi. Akhirnya ‘mata’ replikasi bergabung bersama untuk menghasilkan dua molekul DNA, masing-masing terdiri dari satu rantai DNA induk (garis tipis) dan rantai DNA yang baru disintesis (garis tebal).

Multiple repliconPada eukariot, replikasi DNA kromosom

terjadi hanya pada fase S dalam siklus sel Replikasi setiap molekul DNA linier dalam

kromosom dimulai pada beberapa tempat awal replikasi (multiple replicon)

Banyaknya tempat awal replikasi yang pada saat repliasi DNA eukariot menjamin bahwa DNA kromosom dapat direplikasi dalam waktu singkat

DNA polimerase

Ada lima DNA polimerase: α, β, γ, δ, dan ε.

DNA polimerase (replikasi) : α dan δ.

Perbaikan DNA : β dan ε

Semua DNA polimerase ini kecuali γ terletak dalam inti dan γ pada mitokondria.

Leading dan lagging strand

DNA polimerase α mensintesis lagging strand secara diskontinyu melalui fragmen Okazaki

DNA polimerase δ mensintesis leading strand ecara kontinyu

Enzim δ mempunyai aktivitas eksonuklease 3’ → 5’ dan dapat memperbaiki kesalahan DNA yang sedang disintesis

Replikasi telomer ujung kromosom (telomer)

Masing-masing telomer mengandung bebe rapa kopi urutan heksanukleotida berulang yang kaya G

Transkripsi Proses penyalinan kode kode genetik yang

ada pada urutan DNA menjadi molekul RNA. Molekul RNA dibedakan : mRNA, tRNA dan

rRNA RNA sintesis membutuhkan ensim RNA

polimerase Mekanisme dibagi menjadi 3

Inisiasi Elongasi Terminasi

The Central Dogma of Molecular Biology

Transcription Translation

Replication

ACUA A G C A

G

AC

UGUAC

DNA mRNAprotein

Phenotype

TRANSKRIPSI

DNA

RNA Polimerase

tRNA (transfer RNA)

rRNA (ribosomal RNA)

mRNA (messenger RNA)

Sintesis RNA

1.Inisiasi :•RNA polimerase mengenal sisi spesifik di daerah hulu (upstream) DNA dari gen yang akan dikopi(promoter)

•kemudian RNA polymer membuka double heliks DNA. •salah satu utas DNA berfungsi sebagai cetakan.

Promoter prokariot menunjukkan urutan –10 dan –35 dan titik awal transkripsi dinyatakan sebagai +1.

Tahap Transkripsi

TTGACA TATAATTempat mulai

transkripsi

5’ 3’

2. Elongasi : Enzim RNA polymerase bergerak sepanjang molekul DNA, membuka double heliks dan merangkai ribonukleotida ke ujung 3’ dari RNA yang sedang tumbuh.

Arah transkripsi

Pelipatan kembali transkripsi

Pembukaan lipatan

DNA cetakan

RNA yang disintesis5’ppp

Hibrid RNA-DNA5’

5’3’

3’

3’

3. Terminasi :

Terjadi pada tempat tertentu. Proses terminasi transkripsi ditandai dengan terdisosiasinya enzim RNA polymerase dari DNA dan RNA dilepaskan.

•Bagian dari molekul DNA (gene) terbuka pilinannya sehingga basa-basanya terekspos.

•Nukleotida mRNA bebas, di dalam nukleus berpasangan basa-basanya dengan satu utas molekul DNA yang telah terbuka pilinannya.

•mRNA dibuat dengan bantuan RNA polymerase. Enzim ini menyatukan nukleotida mRNA untuk membuat utas mRNA.

•Utas mRNA ini bersifat komplementer terhadap DNA (gen)

•mRNA meninggalkan nukleus menuju sitoplasma melalui pori nuklear

Transkripsi gen eukariot

RNA polimerase I terletak dalam inti, mentranskripsi gen rRNA 28S, 18S, dan 5,8S;

RNA polimerase II terletak dalam nukleoplasma, mentranskripsi gen pengkode protein (mRNA) dan kebanyakan gen small nuclear RNA (snRNA);

RNA polimerase III juga terletak dalam nukleoplasma. Enzim ini mentranskripsi gen tRNA, rRNA 5S, satu snRNA, dan RNA 7S yang diasosiasikan dengan partikel pengenal signal (signal recognition particle, SRP). SRP terlibat dalam translokasi protein menyebrangi membran retikulum endoplasma.

Mekanisme dasar sintesis RNA pada eukariot sama prokariotInisiasi : sisi promoter pada daerah 5’ dari titik awal transkripsi RNA polimerisase mengkopi satu rantai, yaitu rantai antisense (-) dari cetakan DNA Sintesis RNA terjadi dalam arah 5’→3’

TATAA

TATAA

D

D Pol II

TFIID

TFIIA, TFIIB, TFIIF-RNA polimerase II

D Pol II

TFIIE, TFIIH, TFIIJ

Transkripsi mulai

A B F

EA B F H J

Elongasi dan terminasi

Elongasi rantai RNA berlanjut terus sampai terminasi terjadi

RNA Polimerase mengakhiri transkripsi pada jarak yang bervarisasi di daerah hilir gen

Molekul RNA yang dibuat dari gen pengkode protein oleh RNA polimerase II disebut transkrip primer.

Tanskrip primer : perlu diproses agar menghasilkan mRNA yang siap untuk ditranslasi spt penambahan topi (capping), penambahan ekor poli A (polyadenilation), dan potong sambung (splicing) RNA.

5pppNpNp

ppNpNp

G5ppp5NpNp

Penghilangan fosfat terminal oleh fosfatase

Pembentukan ikatan 5’5’ trifosfat selama penambahan residu G terminal

Gugus metil ditambahkan pada G dari S-adenosil metionin membentuk cap 0

Gugus metil ditambahkan pada ribosa dari nukleotida pertama setelah G membentuk cap 1 atau pada ribosa dari dua nukleotida setelah G membentuk cap 2

GTP

PPi

GpppNpNp

CH3

GpppNpNp

CH3

CH3 CH3

Poliadenilasi

Ekson 1 GU A AG Ekson 2

Sisi potong sambung

Sisi potong sambung

Titik percabangan

Kelompok pirimidin

Intron

20-50 nukleotida

GU A AG

GU

A AG

P

P

3’OH +

GU

A AG

P

3’OH+

P

P

P

3’-5’

5’

2’