Ekspresi Gen dan Penggunaan Kode Genetik

Ekspresi Gen

Adalah proses penentuan sifat dari suatu organisme oleh gen. Suatu sifat yang dipunyai oleh suatu organisme merupakan hasil pros

es metabolisme yang terjadi di dalam sel. Proses metabolisme dapat berlangsung karena adanya enzim yang b

erfungsi sebagai katalisator proses-proses biokimia. Enzim (dan protein lainnya) diterjemahkan dari urutan/sekuen nukleot

ida yang ada pada molekul mRNA. mRNA disintesis berdasarkan template DNA strand (utas DNA cetak

an). Gen tersusun dari molekul DNA, sehingga gen menentukan sifat suat

u organisme.

Ekspresi Gen

Melalui dua proses:

TRANSKRIPSI (sintesis/pembentukan RNA)

- terjadi di dalam nukleus (inti sel)

TRANSLASI (sintesis protein)

- berlangsung di sitoplasma

Produk Transkripsi

Proses transkripsi menghasilkan 3 jenis RNA, yaitu: mRNA (messenger RNA); hanya mRNA yang akan dit

erjemahkan ke dalam protein. tRNA (transfer RNA); berperan sebagai molekul pemb

awa asam amino yang akan dirangkaikan menjadi polipeptida sesuai dengan sandi/codon yang terdapat pada mRNA.

rRNA (ribosomal RNA); berfungsi sebagai salah satu molekul penyusun ribosom.

TRANSKRIPSI(sintesis/pembentukan RNA)

Prekusor RNA (pada eukaryot adalah mRNA yang pertama kali terbentuk)

Template DNA strand (utas DNA cetakan) Enzim RNA polimerase (= transkriptase; untuk membed

akannya dari RNA polimerase yang mensintesis molekul RNA primer pada replikasi DNA)

- merupakan struktur kompleks yang tersusun atas subunit- subunit.

- bentuk aktifnya disebut HOLOENZIM, yang terbagi atas dua bagian, yaitu: enzim inti dan faktor sigma.

Template DNA strand

Molekul RNA merupakan antiparalel terhadap template DNA strand atau paralel terhadap coding DNA strand.

Pada molekul RNA, T diganti oleh U.

5`

5` 3`

5`

3`

N

3`

C

Translation

Transcription

mRNA

template DNA strand (sens)

Peptide chain

coding DNA strand (anti sens)

Template DNA strand

Ruas DNA yang akan ditranskripsikan dibatasi oleh promoter dan terminator.

Hanya satu dari dua utas DNA yang digunakan sebagai template/cetakan, sedangkan utas DNA yang lainnya disebut dengan utas pendamping.

Walaupun hanya satu utas yang berfungsi sebagai template, tetapi sepanjang molekul DNA di dalam genom suatu organisme tidak selalu utas yang sama digunakan sebagai template.

Pada satu gen, utas yang satu digunakan sebagai template, tetapi pada gen lainnya kemungkinan utas yang lain digunakan sebagai template.

Promoter

promoter: A specific region just upstream from a gene that acts as a binding site for transcription factors and RNA polymerase during the initiation of transcription

Promoter adalah situs (daerah) yang dikenali pertama kali oleh RNA polimerase sebagai tempat penempelannya.

Cell Type Location Sequence

Prokaryotic -10-35

TATAATTTGACA (Pribnow Box)

Eukaryotic about -25about -80

TATA (TATA box)CAAT (CAAT box)

• Pemberian kode +1 berarti bahwa pada situs tersebut nukleotida pertama disintesiis. • Jadi promoter terletak di daerah sebelum atau di depan (up-stream) situs +1. Daerah sebelum +1 diberi kode –1, -2, dst.

RNA polimerase

Proses transkripsi dikatalisis oleh enzym transkriptase atau RNA polimerase.

Pada organisme prokaryot (mis. E.coli), hanya terdapat satu jenis RNA polimerase untuk mengkatalisis sintesis semua jenis RNA.

Pada organisme eukaryot, terdapat tiga jenis RNA polimerase, yaitu:

Type of Polymerase Product Location

RNA Polymerase I rRNA nucleolus

RNA Polymerase II hnRNA/mRNA nucleoplasm

RNA Polymerase III tRNA nucleoplasm

Degenerasi Kode Genetik

Karakteristik Proses Transkripsi

Proses sintesis mRNA mempunyai arah dari 5`P ke 3`OH

Berlangsung anti paralel bila dibandingkan dengan template strand

Mengikuti Aturan Chargaff, basa-basanya berpasangan secara komplementer (A-T; G-C)

Transkripsi

Transcription is the synthesis of RNA from a DNA template.

Transkripsi pada prokaryot dan eukaryot:1. Initiation - melekatnya RNA polymerase pada double-stranded DNA; RNA polymerase melekat pada sekuens DNA yang disebut promoter. (Initiation is the most important step in gene expression)

2. Elongation – pemanjangan mRNA

3. Termination – penyelesaian sintesis mRNA.

mRNA in Eukaryotes

Eukaryotic 　 pre-mRNAs typically include introns. Introns are removed by RNA processing called splicing.intron : A noncoding, intervening sequence within a eukaryotic gene. exon : The coding region of a eukaryotic gene that is expressed. Exons are separated from each other by introns.

Pre-mRNA Processing (Splicing)

The steps of pre-mRNA splicing (intron removal) are as follows:

• The intron loops out as snRNPs (small nuclear ribonucleoprotein particles, complexes of snRNAs and proteins) bind to form the spliceosome.

• The intron is excised, and the exons are then spliced together.

• The resulting mature mRNA may then exit the nucleus and be translated in the cytoplasm.

Protein SynthesisTranslasi

Dalam proses translasi asam amino akan dirangkaikan dengan asam amino yang lainnya dengan ikatan peptida untuk membentuk rantai polipeptida atau protein. (Dilakukan oleh ribosom).

Asam amino yang akan dirangkaikan dibawa oleh tRNA yang mempunyai anticodon spesifik dan akan dibawa ke dalam kompleks mRNA ribosom.

Ribosom mempunyai dua situs untk penempelan tRNA , yaitu situs P (peptidil) dan situs A (aminoasil).

Jenis asam amino yang dirangkaikan ditentukan oleh urutan nukleotida pada mRNA.

mRNA digunakan sebagai model cetakan bagi sintesis protein; merupakan rangkaian codon yang akan berpasangan dengan anticodon pada tRNA.

Hubungan kodon dengan asam amino diatur melalui genetic code (sandi genetik).

Protein Synthesis

Setelah RNA polimerase menempel pada promoter,double strand DNA akan membuka, sehingga RNA polimerase akan menjadi dekat dengan nukleotida.

Selama proses transkripsi, + 17 pasangan basa pada segmen DNA akan tetap terbuka buka.

Enzim inti melakukan katalisis dalam proses sintesis RNA.Faktor sigma berfungsi untuk mengenali tanda awal transkripsi pada template DNA.

Protein Synthesis Translasi

Inisiasi:

• Sintesis protein diawali dengan menempelnya subunit kecil (30S) ribosom pada molekul mRNA, pada triplet codon (AUG atau GUG) yang merupakan START CODON.• Menempelnya subunit besar (50S) ribosom, sehingga terbentuk ribosom 70S.• tRNA yang membawa metionin akan masuk ke dalam situs P di dalam ribosom.

• AA-tRNA kedua memasuki situs A (aminoacyl site/acceptor site), dan menempel pada kompleks ribosom-mRNA.

• Reaksi antara AA pertama dan AA kedua membentuk ikatan peptida, yang pada reaksi tersebut melepaskan molekul air (condensation reaction).

Protein Synthesis Translasi Elongasi:

Protein Synthesis Translasi Elongasi:

• Ribosom bergerak ke arah 3`OH, tRNA pada situs P akan keluar dari

kompleks ribosom-mRNA, dan tRNA bebas akan terlepas. • Pada saat bersamaan situs A akan menjadi kosong.• Situs A yang kosong akan diisi oleh AA-tRNA yang membawa AA

tertentu.

• Ribosom bergerak membaca codon berikutnya, tRNA pada situs P akan keluar sambil memindahkan polipeptida pada asam amino yang dibawa tRNA yang berada pada situs P yang berasal dari situs A.

• Setiap proses terjadi cepat dan berulang.

Protein Synthesis Translasi Elongasi:

Termination

Terminasi polipeptida terjadi pada saat ribosom mencapai Stop Codon.

Pada terminasi, rantai polipeptida dan tRNA akan dilepas, diikuti dengan disosiasi ribosom menjadi subunit 30S and 50S.

Stop codon (UAA, UAG, UGA), merupakan triplet yang tidak bisa dikenali oleh tRNA; akan tetapi dikenali oleh dua macam protein the releasing factors (RF), yaitu RF1 (mengenali UAG dan UAA) dan RF2 (mengenali UAA dan UGA).

mRNARibosom

eCodon for

specific AA

Codon

Free amino acids

AA:tRNA

Growing Protein Chain

free tRNA

Anti-codon

Translation: RNA to PROTEIN

Kode Genetik Marshall Nirenberg,dkk. (1960)

                                           

Amino Acid Three-Letter Abbreviation One-Letter Abbreviation

Alanine Ala A

Arginine Arg R

Asparagine Asn N

Aspartic Acid Asp D

Cysteine Cys C

Glutamine Gln Q

Glutamic Acid Glu E

Glycine Gly G

Histidine His H

Isoleucine Ile I

Leucine Leu L

Lysine Lys K

Methionine Met M

Phenylalanine Phe F

Proline Pro P

Serine Ser S

Threonine Thr T

Tryptophan Trp W

Tyrosine Tyr Y

Valine Val V

Perkecualian pada Universal Genetic Code

Human mitochondria: AUA dan AUG = met ; AGA dan AGG = termination;

UGA = trp Fungal mitochondria: UGA = trp in Saccharomyces; Platyhelminth and Echinoderm mitochondria: AAA = asn Spiroplasma and Mycoplasma mollicutes:UGA = trp; CGG = termination Candida albicans: CUG = ser Pichia species (P. stipitis dan P. farinosa): CUG = ser Micrococcus: AGA = termination Beberapa Ciliata: UAA dan UGA = gln. Euplotes (Ciliata): UGA = cys

Open Reading Frame

In a DNA molecule, the sequence from an initiating codon (ATG) to a stop codon (TAA, TAG or TGA) is called an open reading frame (ORF), which is likely (but not always) to encode a protein or polypeptide.

Once a gene has been sequenced it is important to determine the correct open reading frame (ORF). 

Every region of DNA has six possible reading frames, three in each direction.

The reading frame that is used determines which amino acids will be encoded by a gene.

Typically only one reading frame is used in translating a gene (in eukaryotes), and this is often the longest open reading frame.

Once the open reading frame is known the DNA sequence can be translated into its corresponding amino acid sequence. 

An open reading frame starts with an atg (Met) in most species and ends with a stop codon (taa, tag or tga). 

Open Reading Frame

5‘                                                   　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 3'    atgcccaagctgaatagcgtagaggggttttcatcatttgaggacgatgtataa

 1 atg ccc aag ctg aat agc gta gag ggg ttt tca tca ttt gag gac gat gta taa     M   P   K   L   N   S   V   E   G   F   S   S   F   E   D   D   V   *   2  tgc cca agc tga ata gcg tag agg ggt ttt cat cat ttg agg acg atg tat      C   P   S   *   I   A   *   R   G   F  H   H   L   R   T   M   Y   3   gcc caa gct gaa tag cgt aga ggg gtt ttc atc att tga gga cga tgt ata       A   Q   A   E   *   R   R   G   V  F   I   I   *   G   R   C   I 

For example, the following sequence of DNA can be read in six reading frames.  Three in the forward and three in the reverse direction.  The three reading frames in the forward direction are shown with the translated amino acids below each  DNA seqeunce.  Frame 1 starts with the "a", Frame 2 with the "t" and Frame 3 with the "g".  Stop codons are indicated by an "*" in the protein sequence.  The longest ORF is in Frame 1.