Pengantar Biologi Molekular 1

By SWDJam : 8.00 s/d selesai

Rabu, 23 November 2011

Pengantar Biologi Molekular 1:

1. Definisi Biologi Molekular2. Asam Nukleat:DNA dan RNA3. “Gene “dan “Genome”4. Peran Biologi Molekular di bidang

kesehatan

Biologi Molekular

• Cabang ilmu pengetahuan hubungan antara struktur dan fungsi molekul-molekul hayati serta kontribusi hubungan tersebut TERHADAP pelaksanaan dan pengendalian berbagai proses biokimia.

• Secara lebih ringkas mempelajari dasar-dasar molekular

Biologi Molekular

• Materi kajian utama di dalam ilmu ini adalah MAKROMOLEKUL HAYATI, khususnya ASAM NUKLEAT, serta ekspresi informasi hayati yang meliputi Replikasi, Transkripsi, Dan Translasi.

• ilmu multidisiplin yang melintasi sejumlah disiplin ilmu terutama Biokimia, Biologi Sel, dan Genetika.

1865, Gregor Mendel menduga bahwa suatu bagian dari sel bertanggung jawab atas sifat yang diturunkan dari satu generasi ke generasi berikutnya

1868, Friedrich Miescher menemukan senyawa kimia yang berasal dari inti sel

1879, Albrecht Kossel menemukan asam nukleat

1882, Walther Flemming menemukan kromosom adalah bagian dari sel yang ditemukan Mendel

Sejarah Penemuan Asam Nukleat

1910, Thomas Hunt Morgan menemukan bahwa bahan pembawa sifat adalah gen yang berada di dalam kromosom

1952, Alfred Hershey dan Martha Chase melalui penelitian menggunakan P dan S radioisotop membuktikan DNA sebagai bahan pembawa informasi genetika

1953, James Watson and Francis Crick menyatakan bahwa DNA adalah benang ganda anti paralel, berbentuk heliks yang saling berkomplemen

Sejarah Penemuan Asam Nukleat

PenelitianWatson dan CrickDengan dukungan data :

ª difraksi sinar-X dari Rosalind Franklin dan Maurice Wilkins

ª analisis kimia basa nitrogen dari Erwin Chargaff

Memformulasikan struktur DNA

Mengelompokkan basa DNA menjadi purin dan pirimidin

Memformulasikan model replikasi DNA

1957, Francis Crick dan George Gamov menjelaskan cara kerja DNA mengendalikan sintesis protein. DNA mengendalikan messenger RNA yang kemudian mengendalikan sintesis protein

1957, Matthew Messelson dan Frank Stahl mendemonstrasikan mekanisme replikasi DNA

Sejarah Penemuan Asam Nukleat

Asam Nukleat

Makromolekul yang kompleks, berbobot molekul tinggi (BM 25.000-50 milyar), dan tersusun atas rantai nukleotida yang mengandung informasi genetik.

Asam nukleat ditemukan pada semua sel hidup serta pada virus.

Asam nukleat dinamai demikian karena keberadaan umumnya di dalam inti (nukleus) sel.

Asam Nukleat

• Polimer nukleotida/polinukleotida• Rantai nukleotida yang mempunyai

“jembatan fosfat” yang menjembatani posisi 3` dengan posisi 5` dari gugus ribosa yang berseberangan

ASAM NUKLEATTerdiri dari 2 jenis :

1. Asam deoksiribonukleat ( DNA )2. Asam ribonukleat ( RNA )

Molekul penyusun asam nukleat

1. Gula : gula pentosa yang terdiri dari ribosa dan deoksiribosa

2. Basa terdiri dari Purin : senyawa aromatik dengan rumus molekul

C5H4N4 atau turunannya (adenin dan guanin)

Pirimidin : senyawa aromatik dengan rumus molekul C5H4N2 dan turunannya

Terdiri dari timin, sitosin dan urasil3. fosfat

Basa N Nukleosida NukleotidaAGCTU

adenosin guanosin sitidin timidin uridin

adenilat guanilat sitidilat timidilat uridilat

ASAM NUKLEAT

Pasangan basa (base-pairing) pada

asam nukleat

15

Asam Deoksiribonukleat

• Terdapat di nukleus, mitokondria, kloroplas, dan virus• Struktur : asam fosfat, gula deoksiribosa, basa purin: A, G dan

basa pirimidin : C, T. Ikatan khas : A-T, G-C• Jumlah basa A sama dengan T dan G sama dengan C• Bentuk DNA : dua utas polikukleotida yang saling berpilin• Tiap spesies :

1. Panjang DNA berbeda2. Urutan basa berbeda

• Kemampuan DNA : replikasi dan transkripsireplikasi menghasilkan DNA barutranskripsi menghasilkan RNA

Struktur untai ganda (double helix)

Bentuk DNA

• Ada dua bentuk” right DNA yaitu bentuk A dan B.

• Mereka berbeda pada jarak untuk membuat kompleks heliks

• Kelompok deoksiribosa cenderung sesuai bentuknya atau melipat

A-DNA

• Bentuk A (A-DNA) pasangan basa berturut-turut 2,7Å sepanjang sumbu heliks,

B-DNA

• Bentuk B (B-DNA) lebih panjang dan tipis terdiri dari 3,4Å basa purin dan pirimidin tegak lurus dengan sumbu heliks

Bentuk left hand heliks

• Pada bentuk left hand DNA pengulangan yang penting dari dinukleotida purin dan pirimidin dengan ikatan glikosida menghubungkan basa ke dengan deoksiribosa pada bentuk berlawanan pada residu purin dan pada bentuk syn pada residu purin

Z-DNA

• Perubahan bentuk anti syn pada left handed DNA seperti zigzag (Z-DNA berbeda dengan bentuk right DNA

• Z-DNA bentuknya lebih panjang dan ramping dari B-DNA dengan pasangan basa jarak sepanjang sumbu aksis bertambah 3,8Å

• Ciri permukaan luar Z-DNA hanya satu sudut yang dalam berhubungan dengan sudut kecil B-DNA

24

Asam Ribonukleat

• Dibentuk oleh DNA melalui proses

transkripsi

• Basa purin terdiri dari adenin (A) dan

guanin (G) sedangkan basa pirimidin

terdiri dari sitosin (C) dan urasil (U)• Terdiri dari nukleotida yang dihubungkan

dengan ikatan fosfodiester -3` ke fosfodiester -5`.

RNA

• Rantai RNA berupa untai tunggal• Struktur hampir sama dengan DNA• Tidak memiliki struktur berulang kontinu

pada helix ganda• Terdiri dari 3 jenis :

– mRNA– rRNA– tRNA

mRNA : berbentuk linear, panjang pendeknya bervariasi,

membawa kodon, memiliki kodon permulaan dan kodon penghenti, kodon-kodon tersebut berfungsi untuk mengkode asam amino tertentu

RNA messenger yang ditranskrip sebagai transkrip primer panjang dari regio DNA yang mengkode protein

Ujung 5` : leader sequence atau regio non translasi 5`

Coding sequence : menentukan urutan asam amino untuk membentuk protein ketika translasi

Regio non-translasi 3` : trailer sequence non-translasi yang panjangnya bervariasi antar tiap mRNA

rRNA :• bentuk tidak diketahui, merupakan penyusun

ribosom, berfungsi sebagai adaptor dalam sintesis polipeptida

• Ribosom adalah struktur subseluler tempat berlangsungnya sintesa protein.

• Ada perbedaan ribosom pada prokariot dan eukariot :* Ribosom prokariot : ribosom 70 S ,30 S dan 50S * Ribosom eukariot : ribosom 80 S ,40 S dan 60 S

The ribosome

tRNA : terdiri dari 75-90 unit nukleutida, berfungsi

untuk mengangkut asam amino guna dirangkai menjadi polipeptida

Berfungsi membawa asam amino ke ribosom dan memastikan bahwa asam amino tersebut bergabung pada posisi yang tepat pada rantai polipeptida yang sedang tumbuh

Satu molekul tRNA khusus untuk satu macam asam amino

mRNA,rRNA dan tRNA

Definition Gen

• Bahan genetik yang terkait sifat tertentu, terletak dalam kromosom (Thomas H. Morgant, 1910)

• Bagian dari kromosom yang menentukan/menunjukkan spesifikasi suatu sifat tertentu atau “fenotip”

• George Beadle & Edward tatum (1940): gen merupakan sebagian material genetik yang menyandi 1 enzim tertentu: dikenal dengan hipotesis “SATU GEN-SATU ENZIM”

• Berkembang menjadi “SATU GEN-SATU PROTEIN”,

Gen• Terdapat banyak gen dalam 1 kromosom• Dapat dilihat dari E.coli: 1 kromosom diduga:

3000-5000 gen• Peta genetik: menggambarkan posisi gen yang

berhubungan satu dengan yang lain

DEFINISI GENOM

• keseluruhan informasi biologis untuk kehidupan/reproduksi suatu organisme.

• keseluruhan DNA dalam sel.– Semua DNA dalam keseluruhan kromosom.– Termasuk gen, sekuens intergenik, repeats

• Secara spesifik: semua DNA yang ada dalam organel

• Genomik: ilmu tentang genom, mencakup perbedaan peta genomik; sekuens asam amino; identifikasi gen; analisis fungsi genom; evolusi genom.

GENOM PROKARIOT• Berukuran < 5 Mb• Terdiri dari satu molekul DNA sirkular tunggal• Terletak di dalam nukleoid• Contoh: pada E.coli

GENOM EUKARIOT

• Genom Inti berukuran: 10Mb – > 100.000Mb

• Besar genom ditentukan oleh:- Jumlah gen- Jumlah DNA berulang (repetitive DNA)

The nuclear and mitochondrial oh human genome

Genom Manusia1. Nuclear genome :

• terdiri dari 3 milyar pasang basa DNA• terbagi menjadi 24 molekul DNA linier

yang masing-masing mempunyai kromosom yang berbeda (22 autosom dan 2 kromosom sex X dan Y)

2. Mitokhondrial genome :• terdiri dari 16569 pasang basa

molekul DNA sirkuler• terdapat di mitokhondria

Genom Manusia

• 3 milyar pasangan basa DNA dalam genom haploid (manusia)

• 30,000 - 40,000 gen• Sekitar 3% mengkode protein.• Diketahui semua gen dalam genom, dan

sekuens protein yang dikodenya.

The Organization Of Human Genome

Genes and gene related sequences (900Mb)

• Coding DNA (90Mb) dan Non coding DNA (810 Mb)

• Daerah yang mengandung sandi genetik = exon

Genes and gene related sequences (900Mb)

• Non coding DNA (810 Mb)• Exon dipisahkan oleh intron, yaitu segmen

yang tidak mengandung sandi genetik• Bagian DNA sebelum ORF disebut “Leader

segment” dan sesudah ORF disebut “trailer segment”

• Bagian gen yang ditranslasikan menjadi protein disebut open reading frame (ORF).

• ORF dimulai dengan kodon inisiasi dan diakhiri dengan kodon terminasi

• Bagian DNA sebelum gen disebut “upstream” dan sesudahnya disebut “downstream”

Pseudogen • Merupakan sekuens nukleotida yang sama

dengan gen normal.• Merupakan kopi yang tidak fungsional dari

gen• biasanya telah mengalami mutasi sehingga

informasi biologinya tidak terbaca

• Disebut TRY5, berhubungan dekat dengan famili gen tripsinogen

• Fragmen gen: Potongan DNA selain intron dan pseudogen

yang tidak mengkode protein.

Gene Family• Merupakan sekelompok gen yang identik

(homolog) karena menghasilkan ekspresi yang sama dan terjadi karena adanya beberapa kali pengulangan copy gen.

• Berperan dalam penelusuran filogenetik dengan cara mengetahui posisi intron di antara sekuens DNA.

• Spacer DNA: daerah DNA yang tidak diterjemahkan dan terletak di antara gen tandem, seperti mis: gen RNA ribosom pada eukariot.

Extragenic DNA 2100 Mb

Repetitive DNA• Merupakan perulangan DNA

yg terjadi di dalam genom, baik dalam bentuk tandem repeat & interspersed repeat

Gen repetitif

• Genom eukariotik mengandung sekuen DNA repetitif yang tidak mengkode protein

• Sekuen ini terdapat sekitar ratusan hingga ribuan kopi per genom

• 40% DNA mamalia terdiri dari sekuen repetitif (highly repetitive sequences)

• Pengulangan ini bisa terjadi hingga 105-106 kali

Gen Tandem

• Tandem repeat: perulangan DNA yang terdiri dari 2 atau lebih nukleotida dan perulangannya bersifat terus menerus tanpa diselingi sekuens lainnya

• Pengulangan sekuen DNA yang bersifat tandem. Contoh : – ATTCGATTCGATTCG– Terjadi pengulangan ATTCG 3 Kali

Satellite DNA

• merupakan perulangan DNA yg membentuk pita satelit pada saat genom DNA difraksionisasi dengan sentrifugasi densitas gradien

• DNA Satelit: DNA yang letaknya dekat dengan sentromer kromosom, dan terlibat dalam perlekatan benang mitosis, terdiri dari sejumlah besar ulangan yang berurutan (tandem repeats) berupa sekuens pendek(2 sampai dengan 30 bp)

• Kebanyakan satelit DNA terlokalisasi pada telomer atau sentromer

Minisatelit• Merupakan perulangan DNA yg kaya

akan guanin-sitosin• Berukuran 10 – 100 Bp• Membentuk kluster sepanjang 20 Kb

dengan unit perulangan sampai 25 Bp• Digunakan untuk mempelajari

mekanisme DNA turn over• Juga digunakan untuk DNA

fingerprinting.• Mini satelit; atau disebut variabel

number tandem repeats (VNTRs). Lebih sering ditemukan dekat ujung kromosom.

• Urutan rangkaian mini satelit merupakan dasar dari teknik sidik DNA yang kerap digunakan untuk mengidentifikasi individu serta kekerabatan

Mikrosatelit

• Merupakan perulangan DNA yang lebih pendek • Berukuran < 150 Bp• Perulangan-perulangan tersebut terkonsentrasi pada lokus

yg sama• Unit perulangan <13 Bp• Jumlah perulangan pada lokus ttt bersifat hipervariabel

(highly polymorphic) di antara masing-masing individu pada spesies yg sama→ genetic fingerprinting & paternity testing

• Mikrosatelit terdiri dari sekuens basa DNA/nukleotida spesifik yang terdiri dari mono, di, tri atau tetra tandem repeats. Biasanya juga disebut short tandem repeats (STR), lebih sering ditemukan di sepanjang kromosom

Unique and low copy number (1680Mb)

Interspersed genome- wide repeats

1. Elemen LTR (Long Terminal Repeats):

• Bagian dari Interpresed genome-wide repeats yang ujungnya berulang panjang

2. LINEs : Long Interspersed Nuclear Elements):– long intersperesed elements, merupakan sekuens

DNA yang panjang yang merupakan reverse-transcribed RNA yang ditranskripsi oleh RNA pol II menjadi mRNA.

– Bagian dari Interpresed genome-wide repeats yang terdiri atas 1000-7000 bp.

– LINEs mengkode 2 gen yaitu reverse transcriptase dan integrase.

– LINEs berkembang dengan mengkopi dirinya sendiri

– Human genome terdiri atas 500ribu LINEs– LINEs berguna untuk menghasilkan genetic

fingerprints

3. SINEs : Short Interspersed Nuclear Elements– Merupakan sekuens DNA yang lebih pendek yang

merupakan reverse-transcribed RNA yang ditranskripsi oleh RNA pol III menjadi tRNA, rRNA.

– Bagian dari Interpresed genome-wide repeats yang terdiri dari beberapa ratus bp

– SINEs tidak mengkode protein reverse transcriptase – Bergantung dengan mobile element lainnya untuk

proses transposisi.– SINEs merupakan sekuens Alu yang terdiri dari 300

bp dan tidak mengandung coding sekuens.– sekarang telah diketahui perannya dalam proses

evolusi gene dan berkaitan dengan penyakit genetik dan kanker.

4. DNA Transposon:

• DNA yang dapat berpindah-pindah posisi, dari satu molekul DNA ke molekul DNA lain, atau dari satu kromosom ke kromosom lain.

• Sekuens DNA yg dapat berpindah posisi dalam satu genom pada satu sel. Disebut juga jumping genes atau mobile genetic element

• Transposon dapat menyebabkan mutasi dan perubahan jumlah DNA dalam suatu genom

• Transposon sederhana mengandung gen penyandi enzim transposon (transposase).

• Transposon kompleks: lebih dari satu atau beberapa gen tertentu. Contoh: gen-gen penyandi resistensi terhadap antibiotik

• Kegunaan transposon: mutagenesis menjadi mutan, menandai suatu sel, menandai suatu gen, melacak keberadaan suatu gen, menemukan letak suatu gen di dalam kromosom, penting dlm teknologi DNA rekombinan

Peran biologi molekuler di bidang kesehatan

1. Diagnosa penyakit berdasarkan teknik hibridisasi DNA

2. Diagnosa dan pengobatan penyakit genetik

3. Terapi gen dalam pengobatan penyakit genetik

4. Forensik dengan penggunaan DNA fingerprinting

1. Diagnosa penyakit berdasarkan teknik hibridisasi DNA

• DNA dapat di isolasi dari darah pasien, yang mengandung DNA virus dan DNA manusia.

• Jika telah diketahui virus yang dicari dan jika urutan DNA virus ini sudah tersedia dalam sumber literature maka dapat segera dirancang oligonukleotida pendek (probe) yang dilabeli radioaktif dan akan dapat berhibridisasi dengan DNA virus.

• Jadi apabila terdapat DNA virus dalam sampel, maka probe akan menempel dan dapat dilihat dengan autoradiografi.

1. Diagnosa penyakit berdasarkan teknik hibridisasi DNA

• Masalah yang dihadapi dengan teknik ini adalah bila level infeksinya rendah, hanya terdapat sedikit DNA virus, sehingga sulit dideteksi.

• Namun masalah ini dapat di atasi dengan adanya teknik PCR (untuk memperbanyak DNA)

• Setelah itu produk PCR dihibridisasi menggunakan probe seperti diatas.

• Diagnosa ini sangat akurat, spesifik dan cepat dibandingkan teknik tradisional seperti pengkulturan organisme

2. Diagnosa dan pengobatan penyakit genetik

• Penyakit genetik adalah penyakit yang disebabkan karena kerusakan inforamsi genetik baik tingkat gen maupun tingkat kromosom, dan diturunkan ke generasi berikutnya.

• Penyakit ini bisa disebabkan karena kerusakan pada banyak gen atau pada satu gen.

2. Diagnosa dan pengobatan penyakit genetik

• Seperti penyakit Alzheimer, probe DNA yang dirancang dapat berhibridisasi untuk mendeteksi mutasi tersebut. Sehingga diagnosa genetik dapat dilakukan menggunakan teknik yang sama dengan yang digunakan untuk diagnosa penyakit infeksi.

• Pengobatannya dapat digunakan dengan terapi gen.

3. Terapi gen dalam pengobatan penyakit genetik

Terapi gen adalah teknik untuk mengoreksi gen-gen yang cacat yang bertanggung jawab terhadap suatu penyakit.

Contohnya pada terapi sel reproduksi dan terapi sel somatic

Cara nya yaitu1. Menambahkan gen-gen normal ke dalam sel

yang mengalami ketidak normalan. 2. Melenyapkan gen abnormal dengan gen

normal dengan melakukan rekombinasi homolog.

3. Mereparasi gen abnormal dengan cara mutasi balik selektif, sedemikian rupa sehingga akan mengembalikan fungsi normal gen tersebut.

4. mengendalikan regulasi ekspresi gen abnormal tersebut

3. Terapi gen dalam pengobatan penyakit genetik

4. Forensik dengan penggunaan ´DNA fingerprinting´

• Teknik ini berdasarkan pada aplikasi RFLP (Restriction Fragment Length Polymorphism) yang berdasarkan bahwa setiap individu, walaupun mempunyai gen yang sama, tapi pasti punya perbedaan pada materi genetiknya (DNA).

• Perbedaan ini umumnya terjadi pada daerah ´bukan pengkode protein´.

4. Forensik dengan penggunaan ´DNA fingerprinting´

• DNA fingerprinting bertujuan untuk mengidentifikasi perbedaan materi genetik, dalam rangka menentukan apakah dua sampel DNA berasal dari orang yang sama atau orang yang berbeda.

• Teknik ini dapat digunakan untuk membuktikan suatu tindak kriminal.

4. Forensik dengan penggunaan ´DNA fingerprinting´

• Metoda yang digunakan adalah PCR, RFLP, elektroforesis dan hibridisasi.

• Sampel DNA dapat disiapkan dari materi yang ditemukan dilokasi kriminal, seperti darah, semen atau rambut. PCR digunakan untuk mengamplifikasi fragmen DNA spesifik dari tersangka dan korban kejahatan.

4. Forensik dengan penggunaan ´DNA fingerprinting´

• Produk PCR dipotong dengan enzim restriksi dan dipisahkan dengan gel elektroforesis, diikuti dengan transfer ke membran nitroselulosa dan hibridisasi dengan probe spesifik.

• Bila sampel DNA dari tersangka dan korban memperlihatkan pita DNA yang sama setelah hibridisasi, maka dengan perhitungan statistik dapat dikatakan bahwa sampel tersebut berasal dari orang yang sama.

POST TEST