PROSES SINTESIS PROTEIN

A.      Gen, Kromosom, DNA

Gambar Hubungan gen, DNA, dan kromosom. 

1.         Gen

Gen merupakan unit fungsional yang diturunkan berkaitan dengan ruas DNA yang mengkode suatu polipeptida tertentu. Gen tidak sama dengan genom. Genom merupakan keseluruhan sekuense DNA pada organisme (seluruh material genetik).

2.         Kromosom

Kromosom adalah material genetik yang dapat dilihat selama pembelahan sel pada fase prometafase atau metafae. Kromosom merupakan bentukan pengemasan DNA.

Gambar  Kromosom.

3.         DNA

DNA merupakan tempat penyimpana informasi genetik yang berupa gen.  DNA berada di dalam nucleus. Penemuan DNA diawali oleh Bapak Genetika “Mendel” yang merupakan penemu pertama mengenai pewarisan sifat. Kemudian muncul penelitian-penelitian mengenai DNA yang dimulai dari Fred Giffith (1928) dengan menggunakan strain S (viruline) dan strain R (non-viruline) kemudian ditemukannya adanya transformasi DNA. Adanya transformasi DNA dikuatkan melalui penelitian yang dilakukan oleh Oswald Avery (1928). Selanjutnya penelitian Franklin (1951) yang mengunakan pengambilan gambar melalui sinar X-ray untuk menemukan kristal DNA. Selanjutnya penelitian DNA yang sudah menjelaskan bahwa DNA adalah double helix adalah Waton & Crick (1953).

Gambar Struktur DNA Double Helix. 

Rantai molekul DNA berpilin satu sama lainnya yang disebut dengan double helix. DNA merupakan gabungan dari nukleotida. Tiap-tiap nukleotida terdiri atas basa nitrogen, gula, dan fosfat. Nukleotida-nukelotida ini kemudian tersambung dalam satu rantai ikatan phospodiester yang kuat yang menyambungkan phospat dengan gula pentose (C5) sehingga sulit untuk dipisahkan. Sedangkan untuk menyambungkan basa nitrogen yang saling berikatan yaitu Adenin dengan Timin dan Guanin dengan Sitosin menggunakan ikatan hidrogen yang ikatannya sangat lemah sehingga mudah untuk dipisahkan. Dua strand DNA bersifat anti parallel (arahnya berlawanan). Sesuai dengan Chargaff’s Rule maka (A=T) dan (G=C) besar A+G = T+C.

B.       Replikasi DNA

Replikasi DNA terjadi ketika proses duplikasi kromosom. Rantai DNA baru dibentuk berdasarkan urutan nukleotida pada DNA yang digandakan. Proses replikasi diperlukan ketika sel akan membelah diri dan semua sel turunan memiliki informasi genetik yang sama. Proses replikasi DNA dimulai dengan memisahkan ikatan hidrogen antar basa nitrogen. Selanjutnya masing-masing rantai hasil duplikasi berfungsi sebagai template untuk rantai baru. Nukleotida baru akan bergerak menuju komplementer dengan bantuan enzim DNA Polymerase. Replikasi DNA dibagi menjadi 3 jenis yaitu: semi konserfatif, konserfatif, dan dispersive. Namun yang sesuai hanyalah pada jenis replikasi DNA semi konserfatif dimana ada randai DNA ganda kemudian rantai tersebut melepas sehingga terbentuk DNA baru.

Gambar Replikasi DNA.

C.      Perbedaan RNA dan DNA

Pembeda	DNA	RNA
Gula	Deoxyribusa (kehilangan 1 oxigen pada C2)	Ribusa
Rantai	Double stranded	Single stranded
Basa Nitrogen	Adenin, Timin, Guanin, Sitosin	Adenin, Urasil, Guanin, Sitosin
Tipe	-	Terdapat 3 tipe RNA: -       mRNA (membawa informasi genetik ke ribosom) -       rRNA (bersama dengan protein membentuk ribosom) -       tRNA (transfer asam amino ke ribosom)

D.     Sintesis Protein

Sintesis protein merupakan pembentukan rantai popipeptida dari protein-protein yang saling dihubungkan menggunakan ikatan peptida. Ekspresi gen merupakan proses di mana informasi yang dikode di dalam gen diterjemahkan menjadi urutan asam amino selama sintesis protein. Sintesis protein terdapat dua tahapan yaitu transkripsi dan translasi.

Gambar Proses Sintesis Protein.

A.  Transkripsi 

Transkripsi merupakan tahapan sintesis RNA dari DNA template, yaitu rantai sense, sedangkan rantai komplemennya disebut rantai antisense. mRNA merupakan pembawa informasi genetik pada proses sintesis protein yang akan dibawa ke ribosom. Pembentukan mRNA dengan bantuan enzim RNA polimerase. Adanya enzim polimerasi dapat memecah ikatan hidrogen sehingga membuka pilinan kedua rantai DNA hingga terpisah dan dibentuklah rantai nukleotida RNA. Sebelum mRNA masuk pada tahapan translasi maka mRNA akan dikeluarkan dari nucleus menuju sitoplasma melalui celah inti (nuclease pore).

Gambar Tahapan Transkripsi.

B. Translasi 

Dalam proses translasi, sel menginterpretasikan informasi genetik dan membentuk protein yang sesuai dengan yang diterjemahkan. mRNA setelah dikeluarkan dari inti sel maka setelah berada di sitoplasma sub unit kecil ribosom akan mengikat mRNA, setelah mRNA menempel pada sub unit kecil ribosom, barulah sub unit besar ribosom ikut bergabung. Setelah mRNA menempel pada  ribosom, molekul tRNA membawa asam amino spesifik pada salah satu ujungnya dan menerjemahkan molekul mRNA. tRNA mentransfer asam amino dari sitoplasma ke ribosom. 

Gambar Proses Translasi.

Kodon dan antikodon harus didahului oleh pelekatan yang benar antara tRNA dengan asam amino. tRNA yang telah membawa asam amino tertentu sesuai dengan urutan antikodon yang dibawanya, baru tRNA menterjemahkan kodon mRNA. Tiap asam amino digabungkan dengan tRNA yang sesuai oleh suatu enzim spesifik yang disebut aminoacyl-tRNA synthetase.  Ribosom memudahkan pelekatan yang spesifik antara antikodon tRNA dengan kodon mRNA selama sintesis protein. Sub unit ribosom dibangun oleh protein-protein dan molekul-molekul RNA yang disebut RNA ribosomal.  Kemudian dari asam-asam amino yang terbentuk maka asam amino tersebut di ikat oleh ikatan peptida sehingga terbentuk rantai polipeptida.

Translasi menjadi tiga tahap (sama seperti pada transkripsi) yaitu inisiasi, elongasi, dan terminasi. Semua tahapan ini memerlukan faktor-faktor protein yang membantu mRNA, tRNA, dan ribosom selama proses translasi. Inisiasi dan elongasi rantai polipeptida juga membutuhkan sejumlah energi. Energi ini disediakan oleh GTP (guanosin triphosphat), suatu molekul yang mirip dengan ATP. 

1. Inisiasi

Tahap inisiasi dari translasi terjadi dengan adanya start mRNA dan sebuah tRNA yang memuat asam amino pertama dari polipeptida, dan dua sub unit ribosom. Pertama, sub unit ribosom kecil mengikatkan diri pada mRNA dan tRNA inisiator khusus (lihat gambar). Sub unit ribosom kecil melekat pada tempat tertentu di ujung 5` dari mRNA. Pada arah ke bawah dari tempat pelekatan ribosom sub unit kecil pada mRNA terdapat kodon inisiasi AUG, yang membawa asam amino metionin, melekat pada kodon inisiasi. 

2. Elongasi

Pada tahap elongasi dari translasi, asam amino ditambahkan satu per satu pada asam amino pertama (metionin). Kodon mRNA pada ribosom membentuk ikatan hidrogen dengan antikodon molekul tRNA yang baru masuk yang membawa asam amino yang tepat. Molekul rRNA dari sub unit ribosom besar berfungsi sebagai enzim, yaitu mengkatalisis pembentukan ikatan peptida yang menggabungkan polipeptida yang memanjang ke asam amino yang baru tiba. 

3. Terminasi

Tahap akhir translasi adalah terminasi. Elongasi berlanjut hingga kodon stop mencapai ribosom. Triplet basa kodon stop adalah UAA, UAG, dan UGA. Kodon stop tidak mengkode suatu asam amino melainkan bertindak sebagai sinyal untuk menghentikan translasi.

E.       Sintesis Protein Pada Sel Eukariotik Dan Prokariotik

Sel Eukariotik	Sel prokariotik

Dari tabel diatas dapat dilihat bahwa pada sel prokariotik seluruh proses sintesis protein berada pada satu ruang yang sama yaitu pada sitoplasma. Sedangkan pada sel eukariotik sintesis protein terjadi pada inti sel dan sitoplasma. Hal ini dikarenakan pada sel prokariotik tidak memiliki inti sel.

DAFTAR PUSTAKA

Rachmadiarti F, dkk. 2007. Biologi Umum. Surabaya : Unipress.

Nuraziza, A.N. 2015. Online : http://www.academia.edu/4590317/Sintesis_Protein.html.

Diakses pada tanggal 20 November 2015 pukul 19.42.

PENJELASAN EKSPRESI GEN

EKSPRESI GEN

A.      Operon

Operon merupakan sekelompok gen struktural yang berdekatan dan ekspresinya dikendalikan oleh protein represor dan operator, site operator dan promoter. Masing-masing gen struktural mengkode protein yang berbeda untuk rangkaian metabolisme yang sama. Contoh : operon lac terdiri atas lac Z, lac Y, dan lac A. Operon merupakan tempat menempelnya repressor. Adanya sistem operon : mRNA hasil transkripsi bersifat polisistronik (1 molekul mRNA mengkode > 1 protein). Beberapa gen ditranskripsi dari satu promoter menjadi satu mRNA yang panjang. Sistem operon ini hanya dimiliki pada mekanisme sel prokariot.

·         Gen Regulator

Regulasi gen  adalah gen yang mengkode suatu produk (protein) yang mengontrol ekspresi gen pada saat transkripsi. Regulasi gen mengendalikan ekspresi genetik suatu gen atau operon. Produk dari regulasi gen adalah  adalah aktivator dan represor (protein yang bersifat menekan ekspresi suatu gen). Aktivitas produk dikendalikan oleh efektor (induksi) dan co repressor.  Efektor yaitu molekul efektor  yang mengaktifkan ekspresi suatu gen dan membiarkan RNA polymerase bekerja untuk transkripsi. Sedangkan co repressor yaitu mengubah bentuk protein  regulator sehingga dapat mengikat pada operator dan memblok transkripsi.

·         Kontrol Positif dan Negatif

-          Kontrol Negatif (protein dibutuhkan untuk memblock transkripsi)

a.       Operon dinonaktifkan oleh produk ekspresi gen regulator (represor)

b.      Repsesor  melekat pada operator à transkripsi dihambat

-          Kontrol Positif (membutuhkan suatu protein untuk terjadinya transkripsi)

a.       Operon diaktifkan oleh produk ekspresi gen regulator (aktivator)

b.      Aktivator  melekat pada operator à transkripsi  berjalan

·         Aktivator dan Reseptor

-          Aktivator

a.       Berupa protein regulator pada daerah promoter gen (operator) yg diaturnya

b.      Bersama-sama RNA polimerase mengenali daerah promoter

c.       Kontrol positif

-          Represor

a.       Protein regulator pada daerah promoter gen (operator) yg diaturnya

b.      Menghambat  ekspresi suatu gen

c.       Kontrol negatif

·         Tipe Operon

-     Inducible operon à transkripsi terjadi jika ada interaksi inducer dengan protein regulator. Contohnya: Lac Operon.

-           Repressible operon à menghambat transkripsi atau translasi dengan mengikat protein represor. Contohnya: Triptophan.

·         Regulasi Lac Operon (Lactosa)

Regulasi ekspresi protein pada Lac operon dilakukan oleh CAP. CAP merupakan protein aktivator yang aktif ketika berikatan dengan cAMP. Pada saat konsentrasi glukosa tinggi, cAMP rendah sehingga tidak bisa mengaktifkan CAP à transkripsi Lac operon rendah. Pada saat konsentrasi glukosa rendah, cAMP tinggi sehingga dapat meningkatkan transkripsi dengan berikatan dengan CAP

·         Regulasi Trp Operon (Triptophan)

Apabila ada triptofan, maka triptofan menempel pada represor sehingga represor menjadi aktif dan RNA polimerase lepas. Dengan demikian tidak terjadi transkripsi gen.

B.       Ekspresi Gen

Pada sel prokariot, pengaturan ekspresi gennya diatur oleh kelompok gen yg disebut operon. Sedangkan pada sel eukariot tidak mengenal sistem operon karena diatur oleh satu promoter tersendiri yang bersifat monocistronic dan menghasilkan single product. Pada sel prokariot, pengendalian ekspresi genetik hanya terjadi pada tahapan transkripsi, sedangkan pada sel eukariot ekspresi gennya terjadi mulai dari tahapan transkripsi sampai pasca translasi. Tanpa sistem pengaturan (operon), sel akan kehilangan banyak energi. Contohnya: jika medium pertumbuhan E. coli terdapat gula sederhana (monosakarida à glukosa), maka sel tidak menjalankan sistem ekspresi gen yg bertanggung jawab untuk metabolisme gula kompleks (disakarida à laktosa). Gen untuk metabolisme laktosa akan diaktifkan setelah melalui regulasi gen tertentu.

Gambar Sistem Pengaturan Operon pada Pertumbuhan E. Coli.

Gen merupakan unit fungsional yang diturunkan berkaitan dengan ruas DNA yang mengkode suatu polipeptida tertentu. Ekspresi gen merupakan proses di mana informasi yang dikode di dalam gen diterjemahkan menjadi urutan asam amino selama sintesis protein.

Ekspresi gen pada sel prokariot tidak sama dengan sel eukariot. Hal ini dikarenakan pada sel prokariol transkripsi dan transalasi dilakukan di sitoplasma, karena pada sel prokariot tidak memiliki inti. Sedangkan pada sel eukariot memiliki inti sel sehingga proses transkripsi di nukleus sedangkan translasi di sitoplasma. Karena pada sel eukariot memiliki inti sel maka sebelum mRNA dibentuk dari DNA template terdapat tahapan pre-mRNA terlebih dahulu pada proses transkrips. Tahapan ini terjadi di nukleus. Pre-mRNA terbentuk dari adanya segment-segment exon dan intron dimana exon akan terus diterjemahkan sedangkan intron tidak diterjemahkan. Pada sel prokariot tidak terdapat tahapan pre-mRNA, dimana RNA langsung dibentuk dari DNA template pada proses transkripsi.

Gambar Pada Prokariot seluruh ruang adalah exon tidak terdapat intron.

C.      Tahapan Ekspresi Gen

Ekspresi gen merupakan pembentukan rantai popipeptida dari protein-protein yang saling dihubungkan menggunakan ikatan peptida. Ekspresi gen merupakan proses di mana informasi yang dikode di dalam gen diterjemahkan menjadi urutan asam amino selama sintesis protein. Ekspresi gen terdapat dua tahapan yaitu transkripsi dan translasi.

1.    Transkripsi 

Transkripsi merupakan tahapan pembentukan RNA dari DNA template, yaitu rantai sense, sedangkan rantai komplemennya disebut rantai antisense. mRNA merupakan pembawa informasi genetik pada proses ekspresi gen yang akan dibawa ke ribosom. Pembentukan mRNA dengan bantuan enzim RNA polimerase. Adanya enzim polimerasi dapat memecah ikatan hidrogen sehingga membuka pilinan kedua rantai DNA hingga terpisah dan dibentuklah rantai nukleotida RNA. Sebelum mRNA masuk pada tahapan translasi maka mRNA akan dikeluarkan dari nukleus menuju sitoplasma melalui celah inti (nuclease pore).

2.      Translasi 

Dalam proses translasi, sel menginterpretasikan informasi genetik dan membentuk protein yang sesuai dengan yang diterjemahkan. mRNA setelah dikeluarkan dari inti sel maka setelah berada di sitoplasma sub unit kecil ribosom akan mengikat mRNA, setelah mRNA diikat oleh sub unit kecil ribosom, kemudian sub unit besar ribosom mengikat pada ribosom sub unit kecil beserta mRNA. Setelah mRNA menempel pada  ribosom, molekul tRNA membawa asam amino spesifik pada salah satu ujungnya dan menerjemahkan molekul mRNA. tRNA mentransfer asam amino dari sitoplasma ke ribosom. 

Gambar Proses Translasi.

Kodon dan antikodon harus didahului oleh pelekatan yang benar antara tRNA dengan asam amino. tRNA yang telah membawa asam amino tertentu sesuai dengan urutan antikodon yang dibawanya, baru tRNA menterjemahkan kodon mRNA. Tiap asam amino digabungkan dengan tRNA yang sesuai oleh suatu enzim spesifik yang disebut aminoacyl-tRNA synthetase.  Ribosom memudahkan pelekatan yang spesifik antara antikodon tRNA dengan kodon mRNA selama sintesis protein. Sub unit ribosom dibangun oleh protein-protein dan molekul-molekul RNA yang disebut RNA ribosomal.  Kemudian dari asam-asam amino yang terbentuk maka asam amino tersebut di ikat oleh ikatan peptida sehingga terbentuk rantai polipeptida. Translasi dibagi menjadi tiga tahap yaitu inisiasi, elongasi, dan terminasi. Pada proses inisiasi dan elongasi rantai polipeptida, membutuhkan sejumlah energi. Energi ini disediakan oleh GTP (guanosin triphosphat).

1. Inisiasi

Tahap inisiasi dari translasi terjadi dengan adanya start mRNA dan tRNA yang memuat asam amino pertama dari polipeptida, dan dua sub unit ribosom. Pertama, sub unit ribosom kecil mengikatkan diri pada mRNA. Sub unit ribosom kecil melekat pada tempat tertentu di ujung 5` dari mRNA. Pada tempat pelekatan ribosom sub unit kecil pada mRNA terdapat kodon yang akan diterjemahkan oleh tRNA inisiasi yang membawa anti kodon AUG dengan membawa asam amino pertama yaitu metionin.

Gambar Tahap Inisiasi.

 2. Elongasi

Pada tahap elongasi dari translasi, asam amino ditambahkan satu per satu pada asam amino pertama (metionin). Kodon mRNA pada ribosom membentuk ikatan hidrogen dengan antikodon molekul tRNA yang baru masuk yang membawa asam amino yang tepat. Molekul rRNA dari sub unit ribosom besar berfungsi sebagai enzim, yaitu mengkatalisis pembentukan ikatan peptida yang menggabungkan polipeptida yang memanjang ke asam amino yang baru tiba. 

Gambar Tahap Elongasi.

3. Terminasi

Tahap akhir translasi adalah terminasi. Elongasi berlanjut hingga kodon stop mencapai ribosom. Triplet basa kodon stop adalah UAA, UAG, dan UGA. Kodon stop tidak mengkode suatu asam amino melainkan bertindak sebagai sinyal untuk menghentikan translasi.

Gambar Tahap Terminasi.

D.      Sistem Pengaktivan Ekspresi Gen

1.         Ekspresi gen secara konstitutif selalu diekspresikan dalam keadaan apapun. Contohnya: metabolisme energi atau sintesis komponen-komponen sel, gen penghasil protein ribosomal, rRNA, tRNA, RNA polimerase, dan enzim-enzim pengkatalis reaksi metabolisme untuk pemeliharaan sel.

2.         Ekspresi gen secara induktif hanya diekspresikan jika ada keadaan yang memungkinkan atau ada proses induksi. Contohnya pada efisiensi selular.

E.       Perbedaan Ekspresi Gen Sel Eukariot dan Sel Prokariot

Seluruh tahapan yang dilalui dalam ekspresi gen baik sel prokariot maupun sel eukariot maka hasil akhir yang diperoleh adalah suatu rangkaian protein (polipeptida).

Gambar Dogma Central of Genetic

Pada sel prokariotik seluruh proses sintesis protein berada pada satu ruang yang sama yaitu pada sitoplasma. Sedangkan pada sel eukariotik sintesis protein terjadi pada inti sel dan sitoplasma. Hal ini dikarenakan pada sel prokariotik tidak memiliki inti sel. Dalam proses ekspresi gen perlu adanya bantuan enzim yaitu enzim DNA polymerase (pada tahap duplikasi DNA) dan RNA polymerase (pada tahap pembentukan mRNA).

Tabel Perbedaan Sel Prokariot dan Sel Eukariot

Sel Prokariot	Sel Eukariot
Tidak terdapat nukleus	Terdapat nucleus
Sifat mRNA hasil transkripsinya Polycistronik	Sifat mRNA hasil transkripsinya Monocistronic
Pengaturan ekspresi gen menggunakan sistem operon	Pengaturan ekspresi gen tanpa sistem operon
Circular DNA	Linear DNA
1 molekul mRNA mengkode > 1 protein	1 molekul mRNA mengkode hanya 1 protein
Bersifat haploid (single gene copy)	Bersifat diploid (double gene copies)
Tahapan transkripsi dan translali terjadi di tempat yang sama yaitu di sitoplasma.	Tahapan transkripsi dan translali terpisah di tempat berbeda.
High gene density	Low gene density
Terdapat tahapan pre-mRNA (processing mRNA)	Tanpa tahap pre-mRNA
Tidak memiliki intron	Memiliki intron

DAFTAR PUSTAKA

Rachmadiarti F, dkk. 2007. Biologi Umum. Surabaya : Unipress.

Manangkalangi, V. 2015. Online : https://www.academia.edu/17827003/Regulasi_Ekspere_ Gen. Diakses pada tanggal 26 November 2015 pukul 13.40.

Riefani, M. 2015. Online: https://www.academia.edu/9173603/Regulasi_gen_operon. Diakses pada tanggal 26 November 2015 pukul 13.32.