MAKALAH BIOLOGI MOLEKULER EKSPRESI GEN
DISUSUN OLEH : Nama
:
Natsa Disa Saski
NIM
:
(F120155053)
Prodi
:
S1 Farmasi (3A)
SEKOLAH TINGGI ILMU KESEHATAN MUHAMMADIYAH KUDUS PROGRAM STUDI S1 FARMASI TAHUN AJARAN 2017
1
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang
Kehidupan ditandai oleh adanya proses metabolisme yang terjadi di dalam sel. Metabolisme merupakan proses perubahan kimiawi dari satu bentuk ke bentuk yang lainya, misalnya dari bentuk sederhana menjadi bentuk yang lebih rumit, atau sebaliknya. Proses metabolisme melibatkan transformasi materi dan energi. Penampilan morfologi yang merupakan fenotip dari suatu organisme adalah hasil proses metabolisme yang terjadi di dalam setiap sel penyusun organisme tersebut. Keragaman morfologi di antara individu anggota suatu populasi sangat tergantung dari keragaman proses dan hasil metabolisme yang terjadi pada masing-masing individu. Proses metabolisme di dalam sel merupakan reaksi biokimia yang dikatalis oleh enzim tertentu, sehingga keragaman proses dan hasil metabolisme ditentukan oleh enzim yang terlibat dalam reaksi tersebut. Keragaman enzim (baik struktur maupun susunan asam aminonya) itu sendiri sangat ditentukan oleh susunan cetakannya yaitu asam deoksiribonukleat (DNA). Ruas DNA yang menjadi cetakan untuk mensintesis enzim (protein) yang disebut dengan gen, sehingga gen merupakan pengendali proses metabolisme atau pengendali kehidupan. Keragaman morfologi suatu organisme merupakan penampakan gen-gennya. Suatu gen memiliki penyusun serta dapat melakukan ekspresi gen. 1.2 Rumusan Masalah
Rumusan masalah yang dapat disusun dalam materi struktur dan ekspresi gen yaitu: 1. Apa sajakah bagian-bagian yang menyusun suatu gen ? 2. Bagaimana struktur gen pada mahluk hidup? 3. Bagaimana mekanisme ekpresi gen prokariotik dan eukariotik pada mahluk hidup ?
2
1.3 Tujuan
Berdasarkan pada rumusan masalah, maka tujuan dari penyusunan majakah yaitu: 1. Untuk mengetahui bagian-bagian yang menyusun suatu gen 2. Untuk mengetahui struktur gen pada mahluk hidup 3. Untuk mengetahui mekanisme ekpresi gen prokariotik dan eukariotik
3
BAB II PEMBAHASAN 2.1 Struktur Gen 2.1.1 Letak Gen Pada Makhluk Hidup
Bagian utama sebuah sel adalah nukleus, di dalam nukleus terdapat benang benang halus yang disebut kromatin. Pada saat sel akan mulai membelah diri, benang-benang halus tersebut menebal, memendek dan mudah menyerap warna membentuk kromosom. Kromosom mengandung DNA. Total keseluruhan informasi genetik yang disimpan didalam kromosom disebut genom. Genom DNA tersusun atas gen-gen. Satu gen mengandung satu unit informasi mengenai suatu sifat yang dapat diamati. Gen juga dianggap sebagai fragmen DNA didalam kromosom (Suryo,2008). 2.1.2 Strutur Gen
Gen adalah bagian dari kromosom atau salah satu kesatuan kimia (DNA) dalam kromosom yaitu dalam lokus yang mengendalikan ciri-ciri genetis dari suatu makhluk hidup. Menurut Fred (2005) bahwa struktur gen tersusun dari: 1. Daerah pengkode yaitu ekson and intron yang mengkode RNA atau protein. Intron(intervening sequences) merupakan sekuens yg tidak mengkode asam amino sedangkan ekson merupakan merupakan bagian yang akan dikode menjadi asam amino. 2. Promotor Promotor
adalah
adalah
urutan
DNA
spesifik
yang
berperan
dalammengendalaikan transkripsi gen struktural dan terletak di daerah upstream (hulu) dari bagian struktural gen. Promotor berfungsi sebagai tempat awal pelekatan enzim RNA polimerase yang nantinya melakukan transkripsi pada bagian structural. 3. Operator Operator merupakan urutan nukelotida yang terletak di antara promotor dan bagian struktural dan merupakan tempat pelekatan protein represor (penekan atau penghambat ekspresi gen). Jika ada represor yang
4
melekat di operator maka RNA polimerase g bisa jalan trus ekspresi gen
tidak
bisa
berlangsung.Selain
adanya
supresor
juga
terdapatenhancer.Supresor digunakan untuk menghambat sedangkan enhancer digunakan untuk meningkatkan proses transkripsi dengan meningkatkan jumlah RNA polimerase. Namun letaknya tidak pada lokasi yang spesifik seperti operator, ada yg jauh di upstream atau bahkan downstream dari titik awal transkripsi. 4. Terminator Terminator dicirikan dengan struktur jepit rambut / hairpin dan lengkungan yang kaya akan urutan GC yang terbentuk pada molekul RNA hasil transkripsi 2.1.3 Perbedaan Struktur Gen Pada Prokariotik Dan Eukariotik
Pada umumnya struktur gen pada prokariotik dan eukariotik sama yaitu tersusun dari bagian pengkode, promotor, operator, terminor. Perbedaannya terletak pada bagian pengkode. Bagian pengkode pada prokariotik terdapat bagian intron yang tidak dapat diekspresikan sehingga semuanya ekson, kecuali pada Archaebacteria dan bakteriofag ada yang memiliki intron. Sedangkan bagian pengkode pada eukariotik terdiri dari ekson dan intron (Fred,2005). 2.2 Ekpresi Gen
Ekspresi gen adalah proses penentuan sifat suatu organisme oleh gen. Suatu sifat yang dimiliki oleh organisme merupakan hasil metabolisme yang terjadi di dalam sel. Proses metaboisme dapat berlangsung karena adanya enzim yang berfungsi sebagai katalisator proses-proses biokimia. Enzim dan protein lainnya diterjemahkan dari urutan nukleotida yang ada pada molekul mRNA, dan molekul mRNA itu s endiri disintesis berdasarkan utas cetakan DNA. Gen tersusun dari molekul DNA, sehingga gen menentukan sifat suatu organisme (Fred,2005). 2.2.1 Dogma Central
Mekanisme ekspresi genetik mengikuti Dogma Sentral Biologi Molekular yaitu aliran (transfer) informasi genetik dari urutan nukleotida DNA menjadi urutan asam amino protein (Subowo,2011).
5
2.2.2 Kode Genetika
Kode genetika merupakan suatu pengkodean urutan triplet basa nitrogen DNA dan RNA pada proses sintesis protein. Suatu kode triplet basa nitrogen akan menghasilkan suatu jenis asam amino. Urutan dan jenis asam amino di dalam sel akan menetukan jenis dan fungsi protein yang dihasilkan. Kodon merupakan susunan kombinasi dari tiga basa nitrogen yang terdapat pada mRNA. Karena jumlah basa nitrogen ada 4 jenis, maka kemungkinan jumlah kodon ada sebanyak 43 atau 64 macam, artinya kemungkinan asam amino yang terbentuk ada sebanyak 64 jenis. Jumlah asam amino yang demikian menjadi berlebih mengingat jumlah asam amino di dalam sel adalah 20 jenis. Hal demikian menunjukkan bahwa ada beberapa jenis asam amino yang mempunyai lebih dari satu macam kodon. Contohnya asam amino jenis leusin mempunyai kodon SUU, SUS , SUA, SUG. Artinya asam amino leusin dapat digunakan dengan menggunakan keempat kodon tersebut (Suryo,2008).
Gb.2.2.3 Kode genetika
6
2.2.3 Mekanisme Ekspresi Gen A. Trankripsi
Transkripsi merupakan proses pembentukan molekul RNA dengan menggunakan DNA sebagai cetakannya. Tidak semua bagian DNA akan ditranskripsikan, tetapi hanya bagian tertentu saja. Bagian tertentu tersebut disebut dengan gen. keseluruhan DNA baik gen maupun sekuensi DNA bukan penyandi (non-coding) yang dikandung oleh suatu organism disebut genom. Ruas DNA yang ditranskripsikan dibatasi oleh prometer dan terminator. Hanya satu dari dua utas DNA yang digunakan sebagai cetakan sintesis RNA. Utas DNA yang digunakan sebagai cetakan bagi sintesis RNA disebut dengan utas cetakan (template), sedangkan utas yang lain disebut utas pendamping. Walaupun hanya satu utas yang berfungsi sebagai cetakan, tetapi tidak selalu utas yang sama digunakan sebagai utas cetakan sepanjang molekul DNA di dalam genom suatu organism. Jadi pada gen, utas yang satu digunakan sebagai cetakan, tetapi pada gen lainnya kemungkinan utas yang lain digunakan sebagai c etakan (Yuwono, 2005). Proses transkripsi menghasilkan tiga jenis RNA yaitu: RNA duta (mRNA= messenger RNA), RNA transfer (tRNA = transfer RNA) dan RNA ribosomal (rRNA =ribosomal RNA). Ketiga jenis RNA ini berperan dalam proses translasi. Hanya mRNA yang akan diterjemahakan ke dalam protein. tRNA berperan sebagai molekul pembawa asam amino yang akan dirangkaikan menjadi polipeptida yang sesuai dengan sandi yang terdapat pada mRNA. rRNA berfungsi sebagai salah satu penyusun ribosom (Yuwono, 2005). Proses transkripsi dikatalis oleh enzim transcriptase atau RNA polymerase. Pada organism prokariot seperti E. Coli, hanya terdapat satu jenis RNA polymerase untuk mengkatalisis sintesis semua jenis RNA. Pada organism eukariot, terdapat tiga jenis RNA polymerase, yaitu: (1) RNA polymerase I yang berfungsi untuk mengkatalisis pembentukan RNA. (2) RNA polymerase II yang berperan dalam sintesis tRNA dan beberapa molekul rRNA, dan (3) RNA polymerase III yang bertugas mengkatalisis proses sintesis mRNA (Yuwono, 2005).
7
Enzim RNA polymerase lengkap (disebut holoenzim) tersusun dari enzim inti dan faktor transkripsi. Enzim inti terdiri dari dua subunit. Proses transkripsi mempunyai beberapa karakteristik yaitu bahwa: proses sintesis mempunyai arah dari 5’P ke 3’OH, berlangsung secara anti parallel bila dibandingkan dengan utas cetakannya, dan mengikuti aturan Chargaff atau basa-basanya berpasangan secara komplementer (A-T ; G-C). Proses transkripsi dapat terbagi menjadi tiga tahap, yaitu inisiasi sintesis RNA, pemanjangan (elongasi) RNA dan penyelesaian (terminasi ) sintesis RNA.Transkripsi berlangsung dalam 3 tahap, yaitu inisiasi, elongasi, dan teminasi. Masing-masing tahap akan dijelaskan secara singkat sebagai berikut. 1. Inisiasi,
setelah
mengalami
pengikatan
oleh
promoter,
RNA
polimerase akan terikat pada suatu tempat di dekat promoter, yang dinamakan tempat awal polimerisasi atau tapak inisiasi (initiation site) . Tempat ini sering dinyatakan sebagai posisi +1 untuk gen yang
akan ditranskripsi. Nukleosida trifosfat pertama akan diletakkan di tapak inisiasi dan sintesis RNA pun segera dimulai. 2. Elongasi merupakan pengikatan enzim RNA polimerase beserta kofaktor-kofaktornya pada untai DNA cetakan membentuk kompleks transkripsi. Selama sintesis RNA berlangsung kompleks transkripsi
akan bergeser di sepanjang molekul DNA cetakan sehingga nukleotida demi nukleotida akan ditambahkan kepada untai RNA yang sedang diperpanjang pada ujung 3’ nya. Jadi, elongasi atau polimerisasi RNA berlangsung dari arah 5’ ke 3’, sementara RNA polimerasenya sendiri bergerak dari arah 3’ ke 5’ di sepanjang untai DNA cetakan. 3. Terminasi yaitu berakhirnya polimerisasi RNA ditandai oleh disosiasi kompleks transkripsi atau terlepasnya enzim RNA polimerase beserta kofaktor-kofaktornya dari untai DNA cetakan. Begitu pula halnya dengan molekul RNA hasil sintesis. Hal ini terjadi ketika RNA polimerase mencapai urutan basa tertentu yang disebut dengan terminator .Terminasi transkripsi dapat terjadi oleh dua macam sebab,
yaitu terminasi yang hanya bergantung kepada urutan basa cetakan
8
(disebut terminasi diri) dan terminasi yang memerlukan kehadiran suatu protein khusus (protein rho). Di antara keduanya terminasi diri lebih umum dijumpai. Terminasi diri terjadi pada urutan basa palindrom yang diikuti oleh beberapa adenin (A). Urutan palindrom
adalah urutan yang sama jika dibaca dari dua arah yang berlawanan. Oleh karena urutan palindom ini biasanya diselingi oleh beberapa basa tertentu, maka molekul RNA yang dihasilkan akan mempunyai ujung terminasi berbentuk batang dan kala (loop) (Yuwono, 2005). B. Translasi
Translasi adalah tahap penerus dari transkripsi, dalam tahap ini terjadi proses penerjemahan urutan kodon pada mRNA oleh tRNA menjadi urutan asam amino. Proses ini terjadi di sitoplasma oleh ribosom. Ribosom terdiri atas 2 unit yaitu unit besar dan unit kecil. Penerjemahan satu kodon mengahsilkan satu asam amino. Dalam proses translasi terjadi 3 tahap yaitu inisiasi, elongasi, terminasi (Yuwono, 2005). 1. Inisiasi dimulai dengan pengenalan rangkaian AUG, kemudian mengenal dan berikatan dengan molekul tRNA pada antikodon untuk asam amino yang khusus, seperti ACC untuk tryptophan, dengan cara ini activating enzymes mengikatkan molecules tRNA ke asam amino tertentu, setelah itu baru fase pemanjangan dengan cara pembacaan yang sama. 2. Elongasi yaitu proses penyusunan polipeptida yang dibawa oleh RNAt.
Proses tersebut terjadi pada saat RNAt
masuk kedalam
ribosom pada posisi A kemudian bergeser ke posisi P untuk melepaskan asam amino yang dibawanya . kemudian RNAt bergeser lagi ke posisi E untuk keluar dari ribosom. Setelah satu RNAt keluar dari ribosom maka ribosom bergeser satu rantai kodon ke arah ujung 3’ pada mRNA sehingga RNAt lainnya akan menduduki posisi Apada ribosom yang telah kosong. Proses tersebut akan berlangsung terus sampai pada kodon stop yaitu UGA atau UAA atau UAG. Kodon stop
9
itu sendiri adalah triplet yang menandai berakhirnya proses penyusunan rantai polipeptida. 3. Terminasi merupakan tahap akhir dari proses translasi dan merupakan tahap pelepasan rantai polipeptida dari ribosom. Dalam pelepasan rantai polipeptida ada satu protein yang disebut sebagai faktor pelepasan yang akan mengikatkan diri pada kodon stop di site A dan menambahkan air pada rantai polipepida. Reaksi ini akan memutuskan ( menghidrolisis ) ikatan antara polipeptida yang sudah selesai tRNA disitus P, sehingga polipeptida akan terlepas. 2.2.4 Perbedaan mekanisme ekspresi gen pada prokariotik dan eukariotik
Ekspresi gen pada organisme prokariotik dan eukariotik memiliki perbedaan yang sangat signifikan. secara umum, ekspresi gen pada prokariotik sangat bersifat efisien, dimana ketika sumber makanan berlimpah di lingkungam prokariotik tidak akan membuat sesuatu yang terlalu berlebihan. A. Transkripsi
Transkripsi merupakan proses sintesis molekul RNA pada DNA template. Proses ini terjadi pada inti sel / nukleus (Pada organisme eukariotik, sedangkan pada organisme prokariotik berada di sitoplasma karena tidak memiliki inti sel) tepatnya pada kromosom. Transkripsi Prokariotik pada dasarnya adalah proses penyalinan urutan nukleotida yang terdapat pada molekul DNA. Dalam proses transkripsi, hanya salah satu untaian DNA yang disalin menjadi urutan nukleotida RNA (transkrip RNA). Urutan nukleotida pada transkrip RNA bersifat komplementer dengan urutan DNA cetakan/template, tetapi identik dengan urutan nukleotida DNA pada untaian pengkode/ coding DNA strand/nontempate strand ). Salah satu ciri dari prokariot adalah adanya struktur operon. Operon adalah organisasi dari beberapa gen yang ekspresinya dikendalikan oleh satu promotor. Misalnya operon lac, pada metabolisme laktosa pada bakteri E.coli. Pada waktu ditranskripsi operon lac akan menghasilkan satu mRNA yang membawa kode-kode genetik untuk polipeptida berbeda yang disebut dengan mRNA polisistronik. pada
10
operon lac mempunya 3 gen struktural yaitu lac Z, lac Y dan lac A. Masing-masing dari gen itu punya start codon dan stop codon sendirisendiri namun ekspresinya tetep dikendalikan dengan operon yang sama. Pada waktu ditranskripsi hasilnya 1 mRNA yang membawa kodon untuk 3 macam polipeptida yang beda (Yuwono, 2005) Mekanisme transkripsi pada eukariotik pada dasarnya menyerupai mekanisme pada prokariot. Namun, begitu banyaknya polipeptida yang berkaitan
dengan
mesin
transkripsi
pada
eukariotik
menjadikan
mekanisme tersebut jauh lebih kompleks daripada mekanisme pada prokariotik. Secara umum mekanisme transkripsi dimulai dari inisiasi, elongasi dan terminasi. Tetapi pada eukariotik terdapat tiga gen kelas yang berperan dalam proses transkripsi, karena itu transkripsi harus dilakukan pada
masing-masing
gen
kelas
tersebut.
Pada
eukariotik
RNA
polimerasenya beda-beda ada RNA polimerase I, II dan III sehingga penggunaannya dalam sintesis molekul berbeda. Sebelum RNA polimerase menempel pada promotor, ada faktor-faktor transkripsi yang membantu RNA polimerase. Jika RNA polimerase I dibantu SL1 dan UBF, RNA polimerase II dibantu dengan TFIIA, TFIIB, TFIID, TFIIE, TFIIF, TFIIH dan TFIIJ. RNA polimerase III dipandu ama TFIIIA, TFIIIB, TFIIIC ama protein TBP. faktor TBP merupakan protein yg diperlukan jika gen-gen tidak mempunyai TATA box. setelah RNA polimerase dibantu dengan faktor transkripsi (TF) menuju ke TATA box kemudian terjadi proses elongasi dan berhenti sampai bertemu terminator (Yuwono, 2005). Tabel 2.2.4 Perbedaan Proses Transkripsi Pada Prokariotik Dan Eukariotik Kriteria
Prokariotik
Eukariotik
Faktor transkripsi
Tidak ada, RNA
memiliki satu set
mengenali promoter
promotore yang utama
dengan membentuk RNA
merupakan kotak TATA
polimerase holoenzim Lokasi
Sitoplasma
Nukleus
Waktu terjadinya
Bersamaan
Tidak bersamaan
11
transkripsi dan translasi Hasil
RNA matang
Pre-mRNA
Modifikasi RNA
Tidak ada
Penambahan tudung 5’ splicing Penambahan poli A diujung 3’ Modifikasi mRNA pasca splicing
Jumlah mRNA yang
Pasti 1
Bisa lebih dari 1
Bisa lebih dari 1
Hanya 1
Ketika ada terminator
Beberapa nukleotida
maka langsung diakhiri
setelah terminator sampai
dihasilkan Jumlah protein yang dikode mRNA Tahapan terminasi
sekitar 100 nukleotida (ada protein yang melepaskan RNA polimerase dari DNA) RNA polimerasi yang
Hanya 1
Hanya 3
berperan
B. Translasi
Translasi pada prokariotik terjadi sebelum transkripsi sepenuhnya di selesaikan. Hal ini dimungkinkan karena pada prokariotik molekul mRNA di translasikan berdasarkan arah dari ujung 5` ke ujung 3`. Selain dari itu, pada prokariotik tidak terdapat membran inti, sehingga tidak ada yang memisahkan transkripsi dan translasi (sebagaimana yang terjadi pada eukariot) sehingga translasi dapat segera dilakukan (Yuwono, 2005) Translasi pada eukariotik terjadi tidak bersamaan dengan translasi. Dengan adanya membran inti, pada eukariot dapat dibedakan tempat terjadinya transkripsi dan translasi, transkripsi terjadi di dalam inti sedang translasi terjadi di
12
sitoplasma. Waktunya pun tidak dapat terjadi secara bersamaan, sebab sebelum dapat melakukan translasi, harus merampungkan terlebih dahulu proses transkripsi. Proses transkripsi dan translasi pada eukariotpun lebih kompleks daripada prokariot (Yuwono, 2005).
13
BAB III PENUTUP 3.1 Kesimpulan
Gen adalah bagian dari kromosom atau salah satu kesatuan kimia (DNA) dalam kromosom yaitu dalam lokus yang mengendalikan ciri-ciri genetis dari suatu makhluk hidup.Gen tersusun dari bagian pengkode (intron, ekson), promotor, operator dan terminator. Ekspresi gen adalah proses penentuan sifat suatu organisme oleh gen. Ekspresi gen melalui proses transkripsi dan translasi. 3.2 Saran
Dengan makalah ini diharapkan dapat menambah wawasan pembaca mengenai struktur dan ekspresi gen. apabila terdapat materi yang kurang sesuai diharapkan mencari referensi yang lain.
14
DAFTAR PUSTAKA
Fried, GH dan Hademenis, GJ.2005. Bioloi edisi dua.Jakarta:Erlangga Subowo.2011. Biologi Sel .Jakarta:Sagung Seto Suryo.2008.Genetika Manusia.Yogyakarta:Gadjah Mada University Press Yuwono,T.2005. Biologi Molekuler .Jakarta:Erlangga
15
