Kromosom, gen,DNA, sinthesis protein dan regulasi

Oleh:Fatchiyah dan Estri Laras Arumingtyas

Laboratorium Biologi Molekuler dan SelulerUniversitas Brawijaya

Malang 2006

2.1.Pendahuluan

Era penemuan materi genetik telah dibuka oleh F Miescher

dengan menggunakan mikroskop sederhana, dia telah menetapkan

bahwa bahan aktif yang ada di dalam nukleus disebut sebagai nuclein.

Peneliti ini belum bisa menetapkan apakah nuclein ini kromosom

ataukah DNA. Kromosom ditemukan pada awal abad ke 19 merupakan

struktur seperti benang pada nukleus sel eukariot yang nampak pada

saat sel mulai membelah. Kromosom berjumlah diploid pada setiap

selnya, dan pada autosomal maupun

seks-kromosom membawa gen-gen

yang berpasangan, kecuali pada

kromosom-Y.

Gambar 1. Diagram skematik kromosom, gene dan struktur heliks

DNA.

Gena adalah unit heriditas suatu organisme hidup. Gen ini dikode

dalam material genetik organisme, yang kita kenal sebagai molekul

DNA, atau RNA pada beberapa virus, dan ekspresinya dipengaruhi oleh

lingkungan internal atau eksternal seperti perkembangan fisik atau

perilaku dari organisme itu. Gena tersusun atas daerah urutan basa

nukleotida baik yang mengkode suatu informasi genetik (coding-gene

region as exon) dan juga daerah yang tidak mengkode informasi

genetik (non-coding-gene region as intron), hal ini penting untuk

pembentukan suatu protein yang fungsinya diperlukan di tingkat sel,

jaringan, organ atau organisme secara keseluruhan.

Molekul DNA membawa informasi hereditas dari sel dan

komponen protein (molekul-molekul histon) dari kromosom

mempunyai fungsi penting dalam pengemasan dan pengontrolan

molekul DNA yang sangat panjang sehingga dapat muat didalam

nucleus dan mudah diakses ketika dibutuhkan. Selama reproduksi,

Jumlah kromosom yang haploid dan material genetik DNA hanya

separoh dari masing-masing parental, dan disebut sebgai genom.

2.2 Struktur DNA

Pada tahun 1953, James Watson and Francis Crick telah

membuka wawasan baru tentang penemuan model struktur DNA.

Publikasi dari model double heliks DNA ini disusun berdasarkan

penemuan:

1. Penemuan struktur asam nukleat dari Pauling & Corey

2. Pola difraksi DNA (Single-crystal X-ray analysis) dari Wilkins &

Franklin

3. Pola perbandingan jumlah A-T, G-C (1:1) dari Chargaff atau

dikenal sebagai Hukum Ekivalen Chargaff:

Jumlah purin sama dengan pirimidin

Banyaknya adenin sama dengan timin, juga jumlah glisin

sama dengan sitosin.

DNA terbentuk dari empat tipe nukleotida, yang berikatan secara

kovalen membentuk rantai polinukleotida (rantai DNA atau benang

DNA) dengan tulang punggung gula-fosfat tempat melekatnya basa-

basa. Dua rantai polinukleotida saling berikatan melalui ikatan

hydrogen antara basa-basa nitrogen dari rantai yang berbeda. Semua

basa berada di dalam double helix dan tulangpunggung gula-fosfat

berada di bagian luar. Purin selalu berpasangan dengan pirimidin (A-

T, G-C). Perpasangan secara komplemen tersebut memungkinkan

pasangan basa dikemas dengan susunan yang paling sesuai. Hal ini

bisa terjadi bila kedua rantai polinukleotida tersusun secara

antiparalel.

Gambar2. Struktur basa pirimidine (Cytosine, Thimine, Urasil), purine (Adenine, Guanine), Gula pentosa, ribonucleic acid, dan deoxyribonucleic acid.

Gambar 3. Pembentukan secara skematik struktur dsDNA dari gula

AB

fosfat sebagai ‘backbone’ dan basa nukleotida (A). Dua ikatan

hidrogen dari AT dan 3 ikatan hidrogen untuk GC (B).

Untuk memaksimumkan pengemasan

pasangan basa tersebut, kedua

tulangpunggung gula-fosfat tersebut

berpilin membentuk double heliks, dengan

satu putaran komplementer setiap 10

pasang basa. Polaritas dari rantai DNA

ditunjukkan dengan sebutan ujung 5’ dan

ujung 3’. Arah pembacaan basa nukleotida

dari ujung-5’ menuju ujung-3’.

Jarak antara nukleotida satu dengan berkutnya adalah 3.4 nm.

Ujung 3’ membawa gugus –OH bebas pada posisi 3’ dari cincin gula,

Gambar 4. Bentuk skematik double-helix DNA

Gambar 4. Jarak antara basa nukleotida dan lekukan minor dan major dari molekul dsDNA

dan ujung 5’ membawa gugus fosfat bebas pada posisi 5’ dari cincin

gula.

DNA dobel heliks dapat dikopi secara persis karena masing-

masing untai mengandung sekuen nukleotida yang persis

berkomplemen dengan sekuen untai pasangannya. Masing-masing

untai dapat berperan

sebagai cetakan untuk

sintesis dari untai

komplemen baru yang

identik dengan pasangan

awalnya.

2.3 Sintesis Protein

Proses sintesis protein terbagi atas transkripsi dan translasi.

Seperti kita ketahui DNA sebagai media untuk proses transkripsi suatu

gen berada di kromosom dan terikat oleh protein histon. Saat

menjelang proses transkripsi berjalan, biasanya didahului signal dari

luar akan kebutuhan suatu protein atau molekul lain yang dibutuhkan

untuk proses pertumbuhan, perkembangan, metabolisme, dan fungsi

lain di tingkat sel maupun jaringan. Kemudian RNA polymerase II akan

mendatangi daerah regulator element dari gen yang akan

ditranskripsi. Kemudian RNA polymerase ini akan menempel (binding)

di daerah promoter spesifik dari gene yang akan disintesis proteinnya,

daerah promoter ini merupakan daerah consesus sequences, pada

urutan -10 dan -35 dari titik inisiasi (+1) yang mengandung urutan

TATA-Box sebagai basal promoter. Setelah itu, polimerase ini akan

membuka titik inisiasi (kodon ATG) dari gene tersebut dan mengkopi

semua informasi secara utuh baik daerah exon maupun intron, dalam

bentuk molekul immature mRNA (messenger RNA). Kemudian

immature mRNA ini diolah pada proses splicing dengan menggunakan

Gambar 4. Proses replikasi sederhana molekul DNA.

smallnuclearRNA (snRNA) complex yang akan memotong hanya

daerah intron, dan semua exon akan disambungkan menjadi satu

urutan gen utuh tanpa non-coding area dan disebut sebagai mature

mRNA.

Pada tahap berikutnya, mRNA ini diproses lebih lanjut pada

proses translasi di dalam ribosom, dalam tiga tahapan pokok yaitu

inisiasi sebagai mengawali sintesis polipeptida dari kodon AUG yang

ditranslasi sebagai asam amino methionine. Proses ini berlangsung

dengan bantuan initiation factor (IF-1, IF-2 dan IF3) dan enzim tRNA-

methionine synthethase (pada bakteri diawali oleh formylmethionine)

sehingga tRNA dan asam amino methionine membentuk ikatan

cognate dan bergerak ke ribosom tempat sintesis protein berlangsung.

Langkah selanjutnya adalah elongasi atau pemanjangan polpeptida

sesuai denga urutan kodon yang dibawa oleh mRNA.

Gambar5. Proses splicing dari pematangan mRNA.

Pada proses elongasi ini diperlukan elongation factor complex.

Seperti juga proses inisiasi enzim tRNA-amino acid synthethase

berperan dalam pembentukan cognate antara tRNA dan asam amino

lainya dari sitoplasma yang sesuai dengan urutan kodon mRNA

tersebut. Proses elongasi akan berhenti sampai kodon terminasi dan

poly-adenyl (poly-A), dan diakhiri sebagai proses terminasi yang

dilakukan oleh rho-protein. Polipeptida akan diproses sebagai molekul

protein yang fungsional setelah melalui proses post-translation di

retikulum endoplasmik (RE) hingga tingkat jaringan.

2.4 Regulasi gen

Sebelum penemuan DNA, telah diketahui bahwa gen adalah unit

fisik dan fungsional dari hereditas yang mengandung informasi untuk

sintesis protein. Jadi gen mengandung informasi hereditas. Gen-gen

membawa informasi yang harus dikopi secara akurat untuk

ditransmisikan kepada generasi berikutnya. Sekarang pertanyaannya

adalah bagaimana suatu informasi dapat diformulasikan dalam bentuk

molekul kimia? Bagaimana molekul tersebut dapat dikopi secara

akurat? Pada tahun 1940-an, peneliti menemukan bahwa informasi

genetik terutama terdiri dari instruksi untuk membentuk protein.

Protein adalah molekul makro yang berperan dalam hampir semua

fungsi sel yaitu: sebagai bahan pembangun struktur sel dan

membentuk enzim-enzim yang mengkatalisis reaksi-reaksi kimia di

dalam sel; meregulasi ekspresi gen, memungkinkan sel untuk

bergerak dan berkomunikasi antar sel.

Jadi fungsi paling penting dari DNA adalah membawa gen yang

mengandung informasi yang menentukan jenis protein yang harus

disintesis, kapan, dalam tipe sel yang mana, dan seberapa banyak

jumlah protein yang harus disintesis.

Gambar 6. Proses sintesis protein pada prokariota.

Dengan semakin berkembangnya pengetahuan molekuler maka

definisi dari gen adalah :

• Keseluruhan sekuen asam nukleat yang dapat ditranskrip

menjadi RNA fungsional dan protein, pada waktu dan tempat

yang tepat selama pertumbuhan dan perkembangan

oraganisma.

• Komposisi gen adalah: daerah pengkode (exon and intron) yang

mengkode RNA atau protein + sekuen-sekuen pengaturan

(Regulatory sequences: termasuk. promoter yang menginisiasi

terjadinya transkripsi, enhancer/silencer yang menentukan tinggi

rendahnya aktivitas transkripsi, polyadenylation site, splicing

sites serta signal terminasi transkripsi).

• Produk gen :

- RNA yang kemudian ditranslasi menjadi protein

- Hanya RNA seperti rRNA, tRNA, snRNA, snoRNA dan miRNA

• Satu gen mempunyai potensi menghasilkan banyak produk

karena adanya :

- promoter-promoter yang berbeda

- alternative splicing

Gambar 7. Daerah regulasi gen, exon, intron, dan signal akhir proses Transkripsi dari gen prokariota dan eukaryota.