Ekspresi Gen

TUGAS MAKALAH

EKSPRESI GEN

BIOLOGI SEL DAN MOLEKULER

OLEH

NAMA : NAFA SAFRUDIN

NIM : NPM. 85FA14010

SEKOLAH TINGGI ILMU KESEHATAN

BINA MANDIRI GORONTALO

2015

2

MAKALAH EKSPRESI GEN – BIOLOGI SEL & MOLEKULER NAFA SAFRUDIN – NPM. 85FA14010

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur kami panjatkan kehadirat Allah SWT karena atas segalar Rahmat dan HidayahNya

sehingga makalah tentang Ekspresi Sel ini dapat diselesaikan dengan baik.

Makalah ini adalah tugas pada mata kuliah Biologi Sel dan Molekuler Jurusan Farmasi di Sekolah

Tinggi Ilmu Kesehatan Bina Mandiri Gorontalao. Makalah ini disusun berdasarkan berbagai

literatur, jurnal, artikel ilmiah dan artikel-artikel yang ada di internet yang dianggap relevan dan

dapat dijadikan sebagai acuan pustaka.

Kami mengucapkan banyak terima kasih kepada semua puhak yang telah membantu baik secara

langsung maupun tidak langsung hingga terselesaikannya makalah tenta Ekspresi Gen ini.

Kami menyadari bahwa makalah ini masih jauh dari kesempurnaan sehingga kami mengharapkan

kritik dan saran dari berbagai pihak demi untuk penulisan makalah di masa yang akan datang.

Akhir kata, semoga makalah ini memberikan manfaat baik kepada penyusun sendiri maupun

mahasiswa lain yang tertarik ingin mengetahui lebih jauh tentang Ekspresi Gen.

PENYUSUN

3


DAFTAR ISI

Halaman

KATA PENGANTAR ............................................................................................................. 2

DAFTAR ISI ............................................................................................................................ 3

BAB I PENDAHULUAN ................................................................................................. 4

1.1 Latar Belakang .............................................................................................. 4

1.2 Rumusan Masalah ......................................................................................... 5

1.3 Tujuan ........................................................................................................... 5

1.4 Manfaat ......................................................................................................... 5

BAB II PEMBAHASAN .................................................................................................... 6

2.1 Dogma Sentral Genetika Molekuler ............................................................. 6

2.2 Perkembangan Konsep tentang Gen ............................................................. 7

2.3 Transkripsi .................................................................................................... 8

2.4 Tiga Macam RNA ......................................................................................... 11

2.5 Kode Genetik ……………………………………………………………… 17

2.6 Mekanisme Pengaturan Ekspresi Gen pada Prokariot .................................. 22

2.7 Mekanisme Pengaturan Ekspresi Gen pada Eukariot ................................... 27

BAB III PENUTUP ............................................................................................................. 32

3.1 KESIMPULAN ............................................................................................. 32

3.2 SARAN ......................................................................................................... 32

DAFTAR PUSTAKA .............................................................................................................. 33

4


BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Munculnya uniseluler dan multi seluler eukariot ditentukan oleh ekspresi gen yang lebih

lengkap daripada prokariot. Beberapa nilai yang diekspresikan kode gen protein dapat

diatur dalam eukariot yaitu kontrol transkripsi, proses kontrol RNA, transpor kontrol, mRNA

tanslasi kontrol, mRNA degradasi kontrol dan degresi protein kontrol. Proses kontrol ini dapat

membantu mengkoordinir protein baru dalam perbedaan sel pada waktu yang berbeda

(Russel, 1995).

Dalam sel-sel prokariotik, sintesis RNA dibantu oleh hanya sejenis polimerasi RNA,

sedangkan pada sel-sel eukariotik diketemukan beberapa jenis polimerase. Sehingga

pengendalian sintesis protein pada sel prokariotik tergantung pada pengaturan kegiatan satu

jenis enzim tersebut agar dapat memastikan mRNA yang mana perlu ditrankripsikan

(Subowo, 1995).

Eukariot memiliki inti sejati (karion atau nukleus). Inti ini mengandung bagian terbesar dari

genom-genom sel eukariot. Genom terbagi dalam seperangkat kromosom yang dipisah

sesudah terjadi penggandaan pada peristiwa mitosis. Sel eukariot mengandung organel, yaitu

mitokondria dan kloroplast (pada tumbuh-tumbuhan), dan organel-organel ini mengandung

sebagian kecil genom lain, terutama dalam bentuk cincin tertutup molekul DNA (Schlegel,

1994). Pada organisme yang inti selnya berdinding (eukariot) AND terdapat di dalam

kromosom, artinya didalam inti sel. AND akan tetap berada di dalam inti sel, sedangkan

protein dibuat di dalam sitoplasma. Berhubung dengan itu sitoplasma mungkin ikut berperan

secara langsung pada sintesa protein. Sebagai pengganti sebuah pita dari double helix,

molekul AND digunakan untuk mencetak pita tunggal ARN duta (ARNd); proses ini

dinamakan transkripsi (Suryo, 2001).

Inti sel. Struktur inti dan cara pembelahan inti merupakan ciri khas dan mendasar

membedakan eusit dari sel prokariot. Inti (tahap antara) dibungkus oleh sebuah selongsong

inti, yaitu membran berlapis rangkap dan berlobang-lobang. Bahan yang berkaitan dengan

pewarisan (genom) dalam bentuk DNA terbagi-bagi dalam sejumlah sub unit, ialah

5


kromosom-kromosom. Kromosom-kromosom ini baru nampak waktu terjadi pembelahan inti

(Schlegel, 1994).

Masalah utama dalam pengkajian ekspresi gen dalam sel eukariotik timbul dari suatu

kenyataan bahwa sebagian besar molekul-molekul RNA berada dalam sitoplasma, sedang

pengendalian sintesisprotien dan sintesis RNA bedangsung dalam inti. Namun dari masalah-

masalah tersebut sebagian telah dapat diperoleh jawabannya teknik dan cara penelitian

(Subowo, 1995).

1.2 Rumusan Masalah

Berdasarkan uraian latar belakang diatas, maka dapat dirumuskan permasalahan yang akan

dipaparkan dalam makalah ini adalah sebagai berikut :

1. Bagaimana dogma sentral genetika molekuler dan perkembangan konsep tentang Gen?

2. Bagaimana tahapan transkripsi dan konsep 3 macam RNA?

3. Bagaimana translasi, khususnya pada prokariot dan kode genetic

4. Bagaimana mekanisme pengaturan ekspresi gen pada prokariot dan mekanisme

pengaturan ekspresi gen pada eukariot

1.3 Tujuan

Adapun tujuan yang ingin dicapai dalam pembuatan makalah ini adalah untuk memperoleh

pengetahuan dan pemahaman tentang:

1. Dogma sentral genetika molekuler dan perkembangan konsep tentang Gen?

2. Tahapan transkripsi dan konsep 3 macam RNA?

3. Proses translasi, khususnya pada prokariot dan kode genetic

4. Mekanisme pengaturan ekspresi gen pada prokariot dan mekanisme pengaturan ekspresi

gen pada eukariot

1.4 Manfaat

Hasil penulisan makalah ini diharapkan dapat meningkatkan pemahaman, memberikan

penjelasan tentang teori mengenai ekspresi gen dan dapat memberikan informasi dan

sumbangan praktis yang bermanfaat pada masyarakat dalam upaya peningkatan pengetahuan

tentang ekspresi gen.

6


BAB II

PEMBAHASAN

2.1 Dogma Sentral Genetika Molekuler

salah satu fungsi dasar yang harus dijalankan oleh DNA sebagai materi genetik adalah fungsi

fenotipik. Artinya, DNA harus mampu mengatur pertumbuhan dan diferensiasi individu

organisme sehingga dihasilkan suatu fenotipe tertentu.

Fenotipe organisme sangat ditentukan oleh hasil interaksi protein-protein di dalam sel. Setiap

protein tersusun dari sejumlah asam amino dengan urutan tertentu, dan setiap asam amino

pembentukannya disandi (dikode) oleh urutan basa nitrogen di dalam molekul DNA.

Rangkaian proses ini, mulai dari DNA hingga terbentuknya asam amino, dikenal sebagai

dogma sentral genetika molekuler.

DNA RNA asam amino

replikasi transkripsi translasi

Gambar 1. Diagram dogma sentral genetika molekuler

Perubahan urutan basa di dalam molekul DNA menjadi urutan basa molekul RNA

dinamakan transkripsi, sedangkan penerjemahan urutan basa RNA menjadi urutan asam

amino suatu protein dinamakan translasi. Jadi, proses tanskripsi dan translasi dapat dilihat

sebagai tahap-tahap ekspresi urutan basa DNA. Namun, tidak semua urutan basa DNA akan

diekspresikan menjadi urutan asam amino. Urutan basa DNA yang pada akhirnya menyandi

urutan asam amino disebut sebagai gen. Dengan demikian, secara kimia gen adalah urutan

basa nitrogen tertentu pada molekul DNA yang dapat dieskpresikan melalui tahap-tahap

transkripsi dan translasi menjadi urutan asam amino tertentu.

Di atas telah kita katakan bahwa sejumlah asam amino dengan urutan (sekuens) tertentu akan

menyusun sebuah molekul protein. Namun, setiap molekul protein sendiri dapat dilihat

sebagai gabungan beberapa subunit yang dinamakan polipeptida. Oleh karena itu, muncul

pertanyaan tentang hakekat sebuah gen : tiap gen menyandi satu protein ataukah tiap gen

menyandi satu polipeptida ?

7


Perkembangan konsep tentang gen dapat diikuti semenjak awal abad ke-20 ketika seorang

dokter sekaligus ahli biokimia dari Inggris, Sir Archibald E. Garrod, mengajukan konsep

satu gen mutan – satu hambatan metabolisme. Garrod mempelajari sejumlah penyakit

metabolik bawaan pada manusia dan menyimpulkan bahwa setiap gangguan metabolisme

bawaan yang menimbulkan penyakit tertentu, misalnya alkaptonuria, disebabkan oleh satu

gen mutan resesif.

2.2 Perkembangan Konsep tentang Gen

Sekitar 50 tahun kemudian dua orang peneliti, G. W. Beadle dan E.L. Tatum, mempelajari

mutasi gen pada jamur Neurospora crassa dengan menumbuhkan berbagai strain mutan hasil

iradiasi menggunakan sinar X atau sinar ultraviolet pada medium lengkap dan medium

minimal. Medium minimal adalah medium untuk pertumbuhan mikroorganisme yang hanya

mengandung garam-garam anorganik, sebuah gula sederhana, dan satu macam vitamin.

Mutan yang digunakan adalah mutan dengan hanya satu kelainan, yang untuk

mendapatkannya dilakukan silang balik dengan strain tipe liar. Mutan hasil silang balik

dengan nisbah keturunan tipe liar : mutan = 1 : 1 dipastikan sebagai mutan dengan hanya

satu kelainan (mutasi).

Strain tipe liar, sebagai kontrol, mampu tumbuh baik pada medium lengkap maupun pada

medium minimal, sedangkan strain mutan hanya mampu tumbuh pada medium lengkap.

Strain-strain mutan ini kemudian dianalisis lebih lanjut untuk mengetahui macam faktor

pertumbuhan yang diperlukannya dengan cara melakukan variasi penambahannya ke dalam

medium minimal. Sebagai contoh, mutan yang hanya tumbuh pada medium minimal yang

ditambah dengan tiamin adalah mutan yang mengalami mutasi pada gen untuk biosintesis

tiamin. Dengan cara seperti ini Beadle dan Tatum memperlihatkan bahwa tiap mutasi

menyebabkan kebutuhan akan pemberian satu macam faktor pertumbuhan. Selanjutnya,

dengan mengorelasikan hasil analisis genetik dengan hasil analisis biokimia terhadap strain-

strain mutan Neurospora tersebut dapat diketahui bahwa tiap mutasi menyebabkan hilangnya

satu aktivitas enzim. Maka, konsep satu gen mutan – satu hambatan metabolisme bergeser

menjadi satu gen – satu enzim.

Dalam perkembangan berikutnya, setelah diketahui bahwa sebagian besar enzim tersusun

dari beberapa polipetida, dan masing-masing polipeptida merupakan produk gen yang

8


berbeda, maka konsep terbaru tentang gen yang dianut hingga kini adalah satu gen - satu

polipeptida. Sebagai contoh, enzim triptofan sintetase pada Escherichia coli terdiri atas dua

buah polipeptida, yaitu polipeptida α dan polipeptida β. Polipeptida α merupakan produk gen

trpA, sedangkan polipeptida β merupakan produk gen trpB.

sinarX atau sinar uv

spora seksual

konidia

tipe liar silang balik medium lengkap medium minimal

riboflavin piridoksin tiamin asam pantotenat niasin inositol kholin asam folat asam nukleat

Gambar 2. Diagram percobaan yang memperlihatkan satu gen – satu enzim

2.3 Transkripsi

Tahap pertama ekspresi gen adalah transkripsi atau sintesis molekul RNA dari DNA (gen).

Sintesis RNA mempunyai ciri-ciri kimiawi yang serupa dengan sintesis DNA, yaitu

1. Adanya sumber basa nitrogen berupa nukleosida trifosfat. Bedanya dengan sumber

basa untuk DNA hanyalah pada molekul gula pentosanya yang tidak berupa

deoksiribosa tetapi ribosa dan tidak adanya basa timin tetapi tetapi digantikan oleh

urasil. Jadi, keempat nukleosida trifosfat yang diperlukan adalah adenosin trifosfat

(ATP), guanosin trifosfat (GTP), sitidin trifosfat (CTP), dan uridin trifosfat (UTP).

2. Adanya molekul cetakan berupa untai DNA. Dalam hal ini hanya salah satu di antara

kedua untai DNA yang akan berfungsi sebagai cetakan bagi sintesis molekul RNA.

Untai DNA ini mempunyai urutan basa yang komplementer dengan urutan basa RNA

hasil transkripsinya, dan disebut sebagai pita antisens. Sementara itu, untai DNA

pasangannya, yang mempunyai urutan basa sama dengan urutan basa RNA, disebut

sebagai pita sens. Meskipun demikian, sebenarnya transkripsi pada umumnya tidak

9


terjadi pada urutan basa di sepanjang salah satu untai DNA. Jadi, bisa saja urutan basa

yang ditranskripsi terdapat berselang-seling di antara kedua untai DNA.

3. Sintesis berlangsung dengan arah 5’→ 3’ seperti halnya arah sintesis DNA.

4. Gugus 3’- OH pada suatu nukleotida bereaksi dengan gugus 5’- trifosfat pada

nukleotida berikutnya menghasilkan ikatan fosofodiester dengan membebaskan dua

atom pirofosfat anorganik (PPi). Reaksi ini jelas sama dengan reaksi polimerisasi DNA.

Hanya saja enzim yang bekerja bukannya DNA polimerase, melainkan RNA

polimerase. Perbedaan yang sangat nyata di antara kedua enzim ini terletak pada

kemampuan enzim RNA polimerase untuk melakukan inisiasi sintesis RNA tanpa

adanya molekul primer.

Tahap-tahap transkripsi

Transkripsi berlangsung dalam empat tahap, yaitu pengenalan promoter, inisiasi, elongasi,

dan teminasi. Masing-masing akan dijelaskan sebagai berikut:

1. Enzim RNA polimerase mengikat untai DNA cetakan pada suatu daerah yang

mempunyai urutan basa tertentu sepanjang 20 hingga 200 basa. Daerah ini dinamakan

promoter. Baik pada prokariot maupun eukariot, promoter selalu membawa suatu

urutan basa yang tetap atau hampir tetap sehingga urutan ini dikatakan sebagai urutan

konsensus. Pada prokariot urutan konsensusnya adalah TATAAT dan disebut kotak

Pribnow, sedangkan pada eukariot urutan konsensusnya adalah TATAAAT dan

disebut kotak TATA. Urutan konsensus akan menunjukkan kepada RNA polimerase

tempat dimulainya sintesis. Kekuatan pengikatan RNA polimerase oleh promoter yang

berbeda sangat bervariasi. Hal ini mengakibatkan perbedaan kekuatan ekspresi gen.

2. Setelah mengalami pengikatan oleh promoter, RNA polimerase akan terikat pada suatu

tempat di dekat daerah promoter, yang dinamakan tempat awal polimerisasi.

Nukleosida trifosfat pertama akan diletakkan di tempat ini dan sintesis RNA pun segera

dimulai.

3. Selama sintesis RNA berlangsung RNA polimerase bergerak di sepanjang molekul

DNA cetakan sambil menambahkan nukleotida demi nukleotida kepada untai RNA

yang sedang diperpanjang.

4. Molekul RNA yang baru saja selesai disintesis, dan juga enzim RNA polimerase,

segera terlepas dari untai DNA cetakan begitu enzim tersebut mencapai urutan basa

10


pengakhir (terminasi). Terminasi dapat terjadi oleh dua macam sebab, yaitu terminasi

yang hanya bergantung kepada urutan basa cetakan (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) seperti pada

Gambar 3.

urutan penyela

5’ 3’

A T T A A A G G C T C C T T T T G G A G C C T T T T T T T T DNA

T A A T T T C C G A G GA AA A C C T C G G A A AAA A AA

3’ 5’

transkripsi

U U

U U

C G

C G

U A

C G

G C RNA

G C

A U

A U

5’ A U 3’

A U U U U U U U

11


Gambar 3. Terminasi sintesis RNA menghasilkan ujung berbentuk batang dan kala

Inisiasi transkripsi tidak harus menunggu selesainya transkripsi sebelumnya. Hal ini karena

begitu RNA polimerase telah melakukan pemanjangan 50 hingga 60 nukleotida, promoter

dapat mengikat RNA polimerase yang lain. Pada gen-gen yang ditranskripsi dengan cepat

reinisiasi transkripsi dapat terjadi berulang-ulang sehingga gen tersebut akan terselubungi

oleh sejumlah molekul RNA dengan tingkat penyelesaian yang berbeda-beda.

Secara umum mekanisme transkripsi pada prokariot dan eukariot hampir sama. Hanya saja,

pada prokariot produk langsung transkripsi atau transkrip primernya adalah mRNA (akan

dijelaskan di bawah), sedangkan pada eukariot transkrip primernya harus mengalami

prosesing RNA terlebih dahulu sebelum menjadi mRNA. Prosesing RNA ini mencakup dua

peristiwa, yaitu modifikasi kedua ujung transkrip primer dan pembuangan urutan basa pada

transkrip primer yang tidak akan ditranslasi (disebut intron). Ujung 5’ dimodifikasi dengan

penambahan guanosin dalam ikatan 5’-5’ yang tidak umum hingga terbentuk suatu gugus

terminal yang dinamakan cap, sedangkan ujung 3’ dimodifikasi dengan urutan poliadenosin

(poli A) sepanjang lebih kurang 200 basa. Sementara itu, panjang intron yang harus dibuang

dapat mencapai 50% hingga 90% dari panjang transkrip primer, tetapi segmen yang

mengandung ujung 5’ (gugus cap) tidak pernah dibuang. Setelah intron dibuang, segmen-

segmen sisanya (disebut ekson) segera digabungkan menjadi mRNA. Pembuangan intron

dan penggabungan ekson menjadi molekul mRNA dinamakan penyatuan RNA atau RNA

splicing.

2.3 Tiga Macam RNA

Macam-macam RNA

Transkripsi DNA menghasilkan molekul RNA yang kemudian akan mengalami diferensiasi

struktur sesuai dengan fungsinya masing-masing. Kita mengenal tiga macam RNA, yaitu

1. RNA duta atau messenger RNA (mRNA), yang mempunyai struktur linier kecuali

bagian ujung terminasinya yang berbentuk batang dan kala (Gambar 3). Molekul

mRNA membawa urutan basa yang sebagian di antaranya akan ditranslasi menjadi

urutan asam amino. Urutan basa yang dinamakan urutan penyandi (coding

sequences) ini dibaca tiga demi tiga. Artinya, tiap tiga basa akan menyandi

pembentukan satu asam amino sehingga tiap tiga basa ini dinamakan triplet kodon.

12


Daftar triplet kodon beserta asam amino yang disandinya dapat dilihat pada Tabel 1.

Pada prokariot bagian mRNA yang tidak ditranslasi terletak di depan urutan penyandi

(disebut pengarah atau leader) dan di antara dua urutan penyandi (disebut spacer

sequences atau noncoding sequences). Sementara itu, pada eukariot di samping kedua

bagian tadi ada juga bagian di dalam urutan penyandi yang tidak ditranslasi. Bagian

inilah yang dinamakan intron seperti telah dijelaskan di atas. Molekul mRNA pada

prokariot sering kali membawa sejumlah urutan penyandi bagi beberapa polipeptida

yang berbeda. Molekul mRNA seperti ini dinamakan mRNA polisistronik. Dengan

adanya mRNA polisistronik, sintesis beberapa protein yang masih terkait satu sama

lain dapat diatur dengan lebih efisien karena hanya dibutuhkan satu sinyal. Pada

eukariot hampir tidak pernah dijumpai mRNA polisistronik.

2. RNA pemindah atau transfer RNA (tRNA), yang strukturnya mengalami modifikasi

hingga berbentuk seperti daun semanggi. Seperti halnya struktur ujung terminasi

mRNA, struktur seperti daun semanggi ini terjadi karena adanya urutan palindrom yang

diselingi oleh beberapa basa (Gambar 10.4). Pada salah satu kalanya, tRNA membawa

tiga buah basa yang komplemeter dengan triplet kodon pada mRNA. Ketiga basa ini

dinamakan antikodon. Sementara itu, pada ujung 3’-nya terdapat tempat pengikatan

asam amino tertentu. Pengikatan yang membentuk molekul aminoasil-tRNA ini terjadi

dengan bantuan enzim aminoasil-tRNA sintetase. Dalam hal ini gugus hidroksil (OH)

pada ujung 3’ tRNA terikat sangat kuat dengan gugus karboksil (COOH) asam amino.

Macam asam amino yang dibawa ditentukan oleh urutan basa pada antikodon. Jadi, ada

beberapa macam aminoasil-tRNA sesuai dengan antikodon dan macam asam amino

yang dibawanya.

antikodon

5’

3’ (tempat pengikatan asam amino)

13


Gambar 4. Diagram struktur tRNA

3. RNA ribosomal atau ribosomal RNA (rRNA), yang strukturnya merupakan bagian

struktur ribosom. Lebih kurang separuh struktur kimia ribosom berupa rRNA dan

separuh lainnya berupa protein. Molekul rRNA, dan juga tRNA, dapat dikatakan

sebagai RNA struktural dan tidak ditranslasi menjadi asam amino/protein. Akan tetapi,

mereka adalah bagian mesin sel yang menyintesis protein (lihat uraian tentang translasi

di bawah ini).

2.5 Translasi, khususnya pada Prokariot

Bila dibandingkan dengan transkripsi, translasi merupakan proses yang lebih rumit karena

melibatkan fungsi berbagai makromolekul. Oleh karena kebanyakan di antara makromolekul

ini terdapat dalam jumlah besar di dalam sel, maka sistem translasi menjadi bagian utama

mesin metabolisme pada tiap sel. Makromolekul yang harus berperan dalam proses translasi

tersebut meliputi:

1. Lebih dari 50 polipeptida serta 3 hingga 5 molekul RNA di dalam tiap ribosom

2. Sekurang-kurangnya 20 macam enzim aminoasil-tRNA sintetase yang akan

mengaktifkan asam amino

3. Empat puluh hingga 60 molekul tRNA yang berbeda

4. Sedikitnya 9 protein terlarut yang terlibat dalam inisiasi, elongasi, dan terminasi

polipeptida.

Translasi, atau pada hakekatnya sintesis protein, berlangsung di dalam ribosom, suatu

struktur organel yang banyak terdapat di dalam sitoplasma. Ribosom terdiri atas dua subunit,

besar dan kecil, yang akan menyatu selama inisiasi translasi dan terpisah ketika translasi

telah selesai. Ukuran ribosom sering dinyatakan atas dasar laju pengendapannya selama

sentrifugasi sebagai satuan yang disebut satuan Svedberg (S). Pada kebanyakan prokariot

ribosom mempunyai ukuran 70S, sedangkan pada eukariot biasanya sekitar 80S.

Tiap ribosom mempunyai dua tempat pengikatan tRNA, yang masing-masing dinamakan

tapak aminoasil (tapak A) dan tapak peptidil (tapak P). Molekul aminoasil-tRNA yang

baru memasuki ribosom akan terikat di tapak A, sedangkan molekul tRNA yang membawa

rantai polipeptida yang sedang diperpanjang terikat di tapak P.

Gambaran penting sintesis protein adalah bahwa proses ini berlangsung dengan arah tertentu

sebagai berikut.

14


1. Molekul mRNA ditranslasi dengan arah 5’→ 3’, tetapi tidak dari ujung 5’ hingga ujung

3’.

2. Polipeptida disintesis dari ujung amino ke ujung karboksil dengan menambahkan asam-

asam amino satu demi satu ke ujung karboksil. Sebagai contoh, sintesis protein yang

mempunyai urutan NH2-Met-Pro- . . . -Gly-Ser-COOH pasti dimulai dengan metionin

dan diakhiri dengan serin.

Mekanisme sintesis protein secara skema garis besar dapat dilihat pada Gambar 10.5. Sebuah

molekul mRNA akan terikat pada permukaan ribosom yang kedua subunitnya telah

bergabung. Pengikatan ini terjadi karena pada mRNA prokariot terdapat urutan basa tertentu

yang disebut sebagai tempat pengikatan ribosom (ribosom binding site) atau urutan

Shine-Dalgarno. Sementara itu, pada eukariot pengikatan ribosom dilakukan oleh ujung 5’

mRNA. Selanjutnya, berbagai aminoasil-tRNA akan berdatangan satu demi satu ke

kompleks ribosom-mRNA ini dengan urutan sesuai dengan antikodon dan asam amino yang

dibawanya. Urutan ini ditentukan oleh urutan triplet kodon pada mRNA. Ikatan peptida

terbentuk di antara asam-asam amino yang terangkai menjadi rantai polipeptida di tapak P

ribosom. Penggabungan asam-asam amino terjadi karena gugus amino pada asam amino

yang baru masuk berikatan dengan gugus karboksil pada asam amino yang terdapat pada

rantai polipeptida yang sedang diperpanjang. Penjelasan tentang mekanisme sintesis protein

yang lebih rinci disertai contoh, khususnya pada prokariot, akan diberikan di bawah ini.

arah gerakan ribosom

ribosom

5’ CUG GGG 3’ mRNA

GAC

tRNA aminoasil-tRNA

aa aa

NH2 NH2 COOH

ikatan peptida

Gambar 5. Skema garis besar sintesis protein

Inisiasi sintesis protein dilakukan oleh aminoasil-tRNA khusus, yaitu tRNA yang membawa

metionin (dilambangkan sebagai metionil-tRNAiMet). Hal ini berarti bahwa sintesis semua

AUC ACC

UAG UGG

aa aa COOH aa

P A

15


polipeptida selalu dimulai dengan metionin. Khusus pada prokariot akan terjadi formilasi

gugus amino pada metionil-tRNAiMet (dilambangkan sebagai metionil-tRNAf

Met) yang

mencegah terbentuknya ikatan peptida antara gugus amin tersebut dengan gugus karboksil

asam amino pada ujung polipetida yang sedang diperpanjang sehingga asam amino awal

pada polipeptida prokariot selalu berupa f-metionin. Pada eukariot metionil-tRNAiMet tidak

mengalami formilasi gugus amin, tetapi molekul ini akan bereaksi dengan protein-protein

tertentu yang berfungsi sebagai faktor inisiasi (IF-1, IF-2, dan IF-3). Selain itu, baik pada

prokariot maupun eukariot, terdapat pula metionil-tRNA yang metioninnya bukan

merupakan asam amino awal (dilambangkan sebagai metionil-tRNAMet).

Kompleks inisiasi pada prokariot terbentuk antara mRNA, metionil-tRNAfMet, dan subunit

kecil ribosom (30S) dengan bantuan protein IF-1, IF-2, dan IF-3, serta sebuah molekul GTP.

Pembentukan kompleks inisiasi ini diduga difasilitasi oleh perpasangan basa antara suatu

urutan di dekat ujung 3’ rRNA berukuran 16S dan sebagian urutan pengarah (leader

sequence) pada mRNA. Selanjutnya, kompleks inisiasi bergabung dengan subunit besar

ribosom (50S), dan metionil-tRNAfMet terikat pada tapak P. Berpasangannya triplet kodon

inisiasi pada mRNA dengan antikodon pada metionil-tRNAfMet di tapak P menentukan urutan

triplet kodon dan aminoasil-tRNAfMet berikutnya yang akan masuk ke tapak A. Pengikatan

aminoasil-tRNAfMet berikutnya, misalnya alanil- tRNAala, ke tapak A memerlukan protein-

protein elongasi EF-Ts dan EF-Tu. Pembentukan ikatan peptida antara gugus karboksil pada

metionil-tRNAfMet di tapak P dan gugus amino pada alanil-tRNAala di tapak A dikatalisis

oleh enzim peptidil transferase, suatu enzim yang terikat pada subunit ribosom 50S. Reaksi

ini menghasilkan dipeptida yang terdiri atas f-metionin dan alanin yang terikat pada tRNAala

di tapak A.

Langkah berikutnya adalah translokasi, yang melibatkan (1) perpindahan f-met-ala- tRNAala

dari tapak A ke tapak P dan (2) pergeseran posisi mRNA pada ribosom sepanjang tiga basa

sehingga triplet kodon yang semula berada di tapak A masuk ke tapak P. Dalam contoh ini

triplet kodon yang bergeser dari tapak A ke P tersebut adalah triplet kodon untuk alanin.

Triplet kodon berikutnya, misalnya penyandi serin, akan masuk ke tapak A dan proses seperti

di atas hingga translokasi akan terulang kembali. Translokasi memerlukan aktivitas faktor

elongasi berupa enzim yang biasa dilambangkan dengan EF-G.

16


Pemanjangan atau elongasi rantai polipeptida akan terus berlangsung hingga suatu tripet

kodon yang menyandi terminasi memasuki tapak A. Sebelum suatu rantai polipeptida selesai

disintesis terlebih dahulu terjadi deformilisasi pada f-metionin menjadi metionin. Terminasi

ditandai oleh terlepasnya mRNA, tRNA di tapak P, dan rantai polipeptida dari ribosom.

Selain itu, kedua subunit ribosom pun memisah. Pada terminasi diperlukan aktivitas dua

protein yang berperan sebagai faktor pelepas atau releasing factors, yaitu RF-1 dan RF-2.

Sesungguhnya setiap mRNA tidak hanya ditranslasi oleh sebuah ribosom. Pada umumnya

sebuah mRNA akan ditranslasi secara serempak oleh beberapa ribosom yang satu sama lain

berjarak sekitar 90 basa di sepanjang molekul mRNA. Kompleks translasi yang terdiri atas

sebuah mRNA dan beberapa ribosom ini dinamakan poliribosom atau polisom. Besarnya

polisom sangat bervariasi dan berkorelasi dengan ukuran polipeptida yang akan disintesis.

Sebagai contoh, rantai hemoglobin yang tersusun dari sekitar 150 asam amino disintesis oleh

polisom yang terdiri atas lima buah ribosom (pentaribosom).

Pada prokariot translasi seringkali dimulai sebelum transkripsi berakhir. Hal ini

dimungkinkan terjadi karena tidak adanya dinding nukleus yang memisahkan antara

transkripsi dan translasi. Dengan berlangsungnya kedua proses tersebut secara bersamaan,

ekspresi gen menjadi sangat cepat dan mekanisme nyala-padam (turn on-turn off) ekspresi

gen, seperti yang akan dijelaskan nanti, juga menjadi sangat efisien.

Namun, tidak demikian halnya pada eukariot. Transkripsi terjadi di dalam nukleus,

sedangkan translasi terjadi di sitoplasma (ribosom). Pertanyaan yang muncul adalah

bagaimana mRNA hasil transkripsi dipindahkan dari nukleus ke sitoplasma, faktor-faktor

apa yang menentukan saat dan tempat translasi? Sayangnya, hingga kini kita belum dapat

menjawab pertanyaan-pertanyaan tersebut dengan memuaskan. Kita baru mengetahui bahwa

transkripsi dan translasi pada eukariot jauh lebih rumit daripada proses yang ada pada

prokariot. Salah satu di antaranya seperti telah kita bicarakan di atas, yaitu bahwa mRNA

hasil transkripsi (transkrip primer) pada eukariot memerlukan prosesing terlebih dahulu

sebelum dapat ditranslasi.

17


2.6 Kode Genetik

Penetapan triplet kodon pada mRNA sebagai pembawa informasi genetik atau kode genetik

yang akan menyandi pembentukan suatu asam amino tertentu berawal dari pemikiran bahwa

macam basa nitrogen jauh lebih sedikit daripada macam asam amino. Basa nitrogen pada

mRNA hanya ada empat macam, sedangkan asam amino ada 20 macam. Oleh karena itu,

jelas tidak mungkin tiap asam amino disandi oleh satu basa. Begitu juga, kombinasi dua basa

hanya akan menghasilkan 42 atau 16 macam duplet, masih lebih sedikit daripada macam

amino yang ada. Kombinasi tiga basa akan menghasilkan 43 atau 64 triplet, melebihi jumlah

macam asam amino. Dalam hal ini, satu macam asam amino dapat disandi oleh lebih dari

satu macam triplet kodon.

Tabel 1. Kode genetik

Basa I

(5’)

Basa II Basa III (3’)

U C A G

U

U

Phe Ser Tyr Cys

Phe Ser Tyr Cys C

Leu Ser Stop Stop A

Leu Ser Stop Trp G

C

Leu Pro His Arg U

Leu Pro His Arg C

Leu Pro Gln Arg A

Leu Pro Gln Arg G

A

ILe Thr Asn Ser U

Ile Thr Asn Ser C

ILe Thr Lys Arg A

Met Thr Lys Arg G

G

Val Ala Asp Gly U

Val Ala Asp Gly C

Val Ala Glu Gly A

Val Ala Glu Gly G

18


Keterangan :

phe =

fenilalanin

ser = serin his = histidin glu = asam

glutamat

leu = leusin pro = prolin gln = glutamin cys = sistein

ile = isoleusin thr = treonin asn = asparagin trp = triptofan

met = metionin ala = alanine lys = lisin arg = arginin

val = valin tyr = tirosin asp = asam

aspartat

gly = glisin

AUG (kodon metionin) dapat menjadi kodon awal (start codon)

stop = kodon stop (stop codon)

Bukti bahwa kode genetik berupa triplet kodon diperoleh dari hasil penelitian F.H.C. Crick

dan kawan-kawannya yang mempelajari mutasi pada lokus rIIB bakteriofag T4. Mutasi

tersebut diinduksi oleh proflavin, suatu molekul yang dapat menyisip di sela-sela pasangan

basa nitrogen sehingga kesalahan replikasi DNA dapat terjadi sewaktu-waktu, menghasilkan

DNA yang kelebihan atau kekurangan satu pasangan basa. Hal ini akan menyebabkan

perubahan rangka baca (reading frame), yaitu urutan pembacaan basa-basa nitrogen untuk

diterjemahkan menjadi urutan asam amino tertentu. Mutasi yang disebabkan oleh perubahan

rangka baca akibat kelebihan atau kekurangan pasangan basa disebut sebagai mutasi rangka

baca (frameshift mutation).

Jika mutan (hasil mutasi) rangka baca yang diinduksi oleh proflavin ditumbuhkan pada

medium yang mengandung proflavin, akan diperoleh beberapa fag tipe liar sehingga mutasi

seolah-olah dapat dipulihkan atau terjadi mutasi balik (reverse mutation). Pada awalnya

mutasi balik diduga karena kelebihan pasangan basa dibuang dari rangka baca yang salah

sehingga rangka baca tersebut telah diperbaiki menjadi seperti semula. Namun, karena

mutasi bersifat acak, maka mekanisme semacam itu kecil sekali kemungkinannya untuk

terjadi dan dugaan tersebut nampaknya tidak benar. Crick dan kawan-kawannya menjelaskan

bahwa mutasi balik disebabkan oleh hilangnya (delesi) satu pasangan basa lain yang letaknya

tidak terlalu jauh dari pasangan basa yang menyisip (adisi). Rangka baca yang baru ini akan

menghasilkan urutan asam amino yang masih sama fungsinya dengan urutan sebelum terjadi

mutasi. Dengan perkataan lain, mutasi balik terjadi karena efek mutasi awal akibat

penambahan basa ditekan oleh mutasi kedua akibat pengurangan basa sehingga mutasi yang

kedua ini disebut juga sebagai mutasi penekan (suppressor mutation).

19


Protein rIIB pada T4 mempunyai bagian-bagian yang di dalamnya dapat terjadi perubahan

urutan asam amino. Perubahan ini dapat berpengaruh atau tidak berpengaruh terhadap fungsi

proteinnya. Jika dua strain mutan T4 yang satu sama lain mengalami mutasi berbeda di dalam

bagian protein rIIB disilangkan melalui infeksi campuran pada suatu inang, maka T4 tipe liar

akan diperoleh sebagai hasil rekombinasi genetik antara kedua tempat mutasi yang berbeda

itu. Akan tetapi, ketika kedua strain mutan rIIB yang disilangkan merupakan strain-strain

yang diseleksi secara acak (tidak harus mengalami mutasi yang berbeda), ternyata tidak

selalu diperoleh tipe liar. Hasil ini menunjukkan bahwa strain-strain mutan dapat dibagi

menjadi dua kelompok, yaitu strain + dan strain -. Dalam hal ini, strain + tidak harus selalu

mutan adisi, dan strain – tidak harus selalu mutan delesi. Namun, sekali kita menggunakan

tanda + untuk mutan adisi berarti strain + adalah mutan adisi. Begitu pula sebaliknya, sekali

kita gunakan tanda + untuk mutan delesi berarti strain + adalah mutan delesi.

Persilangan antara strain + dan strain – hanya menghasilkan rekombinasi berupa fenotipe

tipe liar, sedangkan persilangan antara sesama + atau sesama – tidak pernah menghasilkan

tipe liar. Hal ini karena persilangan sesama + atau sesama – akan menyebabkan adisi atau

delesi ganda sehingga selalu menghasilkan fenotipe mutan. Sementara itu, persilangan antara

starin + dan – akan menyebabkan terjadinya mutasi penekan (adisi ditekan oleh delesi atau

delesi ditekan oleh adisi) atau hanya menghasilkan mutasi pada urutan asam amino yang

tidak berpengaruh terhadap fungsi protein sehingga diperoleh fenotipe tipe liar.

20


AUG UUU CCC AAA GGG UUU . . . . . . CCC UAG mRNA tipe liar

met phe pro lys gly phe pro stop

penambahan pasangan basa A=T (mutasi rangka baca I)

AUG AUU UCC CAA AGG GUU U . . . . . CCU AG . . . mRNA mutan

met ile ser gln arg val leu

pengurangan pasangan basa G = G(mutasi rangka baca II)

AUG AUU UCC AAA GGG UUU . . . . . . CCC UAG mRNA ‘tipe liar’

met ile ser lys gly phe pro stop

urutan asam urutan asam amino tipe liar

amino yang berubah

Gambar 6. Mutasi penekan yang memulihkan rangka baca

Oleh karena persilangan sesama + atau sesama – tidak pernah menghasilkan tipe liar, kode

genetik jelas tidak mungkin terdiri atas dua basa. Seandainya, kode genetik berupa duplet,

maka akan terjadi pemulihan rangka baca hasil persilangan tersebut. Kenyataannya tidak

demikian. Pemulihan rangka baca akibat mutasi penekan justru terjadi apabila persilangan

dilakukan antara strain + dan strain -.

Apabila kode genetik berupa triplet, maka persilangan teoretis sesama + atau sesama – akan

menghasilkan fenotipe mutan, sesuai dengan hasil kenyataannya. Namun, rekombinasi

antara tiga + atau tiga - akan menghasilkan tipe liar. Hal ini memperlihatkan bahwa kode

genetik terdiri atas tiga basa.

21


urutan yang bila berubah tidak berpengaruh urutan yang bila berubah berpengaruh

tipe liar AB CD EF GH IJ KL MN OP QR ST UV WX protein tipe liar

+1 AB C1 DE FG HI JK LM NO PQ RS TU VW X protein mutan

+2 AB CD E2 FG HI JK LM NO PQ RS TU VW X protein mutan

-1 AB DE FG HI JK LM NO PQ RS TU VW X protein mutan

-2 AB CD FG HI JK LM NO PQ RS TU VW X protein mutan

+1 x +2 AB C1 DE 2F GH IJ KL MN OP QR ST UV WX protein tipe liar

-1 x -2 AB CD EF GH IJ KL MN OP QR ST UV WX protein tipe liar

+1 x -1 AB C1 DE FG HI JK LM NO PQ RS TU VW X protein mutan

a)

urutan yang bila berubah tidak berpengaruh urutan yang bila berubah berpengaruh

tipe liar ABC DEF GHI JKL MNO PQR STU VWX protein tipe liar

+1 AB1 CDE FGH IJK LMN OPQ RST UVW X protein mutan

+2 ABC DE2 FGH IJK LMN OPQ RST UVW X protein mutan

+3 ABC DEF GHI J3K LMN OPQ RST UVW X protein mutan

+1 x +2 AB1 CDE 2FG HIJ KLM NOP QRS TUV WX protein mutan

+1 x +2 x +3 AB1 CDE 2FG HIJ 3KL MNO PQR STU VWX protein tipe liar

b)

Gambar 7. Diagram persilangan mutan rIIB pada T4 yang memperlihatkan

bahwa kode genetik berupa triplet kodon

a) Jika kode genetik berupa duplet, hasil persilangan teoretis tidak sesuai dengan

kenyataan yang diperoleh.

b) Jika kode genetik berupa triplet, hasil persilangan teoretis sesuai dengan kenyataan

yang diperoleh.

Sifat-sifat kode genetik

Kode genetik mempunyai sifat-sifat yang akan dijelaskan sebagai berikut.

1. Kode genetik bersifat universal. Artinya, kode genetik berlaku sama hampir di setiap

spesies organisme.

22


2. Kode genetik bersifat degenerate atau redundant, yaitu bahwa satu macam asam amino

dapat disandi oleh lebih dari satu triplet kodon. Sebagai contoh, treonin dapat disandi

oleh ACU, ACC, ACA, dan ACG. Sifat ini erat kaitannya dengan sifat wobble basa

ketiga, yang artinya bahwa basa ketiga dapat berubah-ubah tanpa selalu disertai

perubahan macam asam amino yang disandinya. Diketahuinya sifat wobble bermula dari

penemuan basa inosin (I) sebagai basa pertama pada antikodon tRNAala ragi, yang

ternyata dapat berpasangan dengan basa A, U, atau pun C. Dengan demikian, satu

antikodon pada tRNA dapat mengenali lebih dari satu macam kodon pada mRNA.

3. Oleh karena tiap kodon terdiri atas tiga buah basa, maka tiap urutan basa mRNA, atau

berarti juga DNA, mempunyai tiga rangka baca yang berbeda (open reading frame).

Di samping itu, di dalam suatu segmen tertentu pada DNA dapat terjadi transkripsi dan

translasi urutan basa dengan panjang yang berbeda. Dengan perkataan lain, suatu segmen

DNA dapat terdiri atas lebih dari sebuah gen yang saling tumpang tindih (overlapping).

Sebagai contoh, bakteriofag фX174 mempunyai sebuah untai tunggal DNA yang

panjangnya lebih kurang hanya 5000 basa. Seandainya dari urutan basa ini hanya

digunakan sebuah rangka baca, maka akan terdapat sekitar 1700 asam amino yang dapat

disintesis. Kemudian, jika sebuah molekul protein rata-rata tersusun dari 400 asam

amino, maka dari sekitar 1700 asam amino tersebut hanya akan terbentuk 4 hingga 5

buah molekul protein. Padahal kenyataannya, bakteriofag фX174 mempunyai 11 protein

yang secara keseluruhan terdiri atas 2300 asam amino. Dengan demikian, jelaslah bahwa

dari urutan basa DNA yang ada tidak hanya digunakan sebuah rangka baca, dan urutan

basa yang diekspresikan (gen) dapat tumpang tindih satu sama lain.

2.7 Mekanisme Pengaturan Ekspresi Gen pada Prokariot

Produk-produk gen tertentu seperti protein ribosomal, rRNA, tRNA, RNA polimerase, dan

enzim-enzim yang mengatalisis berbagai reaksi metabolisme yang berkaitan dengan fungsi

pemeliharaan sel merupakan komponen esensial bagi semua sel. Gen-gen yang menyandi

pembentukan produk semacam itu perlu diekspresikan terus-menerus sepanjang umur

individu di hampir semua jenis sel tanpa bergantung kepada kondisi lingkungan di

sekitarnya. Sementara itu, banyak pula gen lainnya yang ekspresinya sangat ditentukan oleh

kondisi lingkungan sehingga mereka hanya akan diekspresikan pada waktu dan di dalam

jenis sel tertentu. Untuk gen-gen semacam ini harus ada mekanisme pengaturan ekspresinya.

23


Pengaturan ekspresi gen dapat terjadi pada berbagai tahap, misalnya transkripsi, prosesing

mRNA, atau translasi. Namun, sejumlah data hasil penelitian menunjukkan bahwa

pengaturan ekspresi gen, khususnya pada prokariot, paling banyak terjadi pada tahap

transkripsi.

Mekanisme pengaturan transkripsi, baik pada prokariot maupun pada eukariot, secara garis

besar dapat dibedakan menjadi dua kategori utama, yaitu (1) mekanisme yang melibatkan

penyalapadaman (turn on and turn off) ekspresi gen sebagai respon terhadap perubahan

kondisi lingkungan dan (2) sirkit ekspresi gen yang telah terprogram (preprogramed

circuits). Mekanisme penyalapadaman sangat penting bagi mikroorganisme untuk

menyesuaikan diri terhadap perubahan lingkungan yang seringkali terjadi secara tiba-tiba.

Sebaliknya, bagi eukariot mekanisme ini nampaknya tidak terlalu penting karena pada

organisme ini sel justru cenderung merespon sinyal-sinyal yang datang dari dalam tubuh,

dan di sisi lain, sistem sirkulasi akan menjadi penyangga bagi sel terhadap perubahan kondisi

lingkungan yang mendadak tersebut. Pada mekanisme sirkit, produk suatu gen akan menekan

transkripsi gen itu sendiri dan sekaligus memacu transkripsi gen kedua, produk gen kedua

akan menekan transkripsi gen kedua dan memacu transkripsi gen ketiga, demikian

seterusnya. Ekspresi gen yang berurutan ini telah terprogram secara genetik sehingga gen-

gen tersebut tidak akan dapat diekspresikan di luar urutan. Oleh karena urutan ekspresinya

berupa sirkit, maka mekanisme tersebut dinamakan sirkit ekspresi gen.

Induksi dan represi pada prokariot

Escherichia coli merupakan bakteri yang sering dijadikan model untuk mempelajari berbagai

mekanisme genetika molekuler. Bakteri ini secara alami hidup di dalam usus besar manusia

dengan memanfaatkan sumber karbon yang umumnya berupa glukosa. Apabila suatu ketika

E. coli ditumbuhkan pada medium yang sumber karbonnya bukan glukosa melainkan

laktosa, maka enzim pemecah laktosa akan disintesis, sesuatu yang tidak biasa dilakukannya.

Untuk itu, gen-gen penyandi berbagai enzim yang terlibat dalam pemanfaatan laktosa akan

diekspresikan (turned on). Sebaliknya, dalam keadaan normal, yaitu ketika tersedia glukosa

sebagai sumber karbon, maka gen-gen tersebut tidak diekspresikan (turned off). Proses yang

terjadi ketika ekspresi gen merupakan respon terhadap keberadaan suatu zat di

lingkungannya dikenal sebagai induksi, sedangkan zat atau molekul yang menyebabkan

24


terjadinya induksi disebut sebagai induser. Jadi, dalam contoh ini laktosa merupakan

induser.

Induksi secara molekuler terjadi pada tingkat transkripsi. Peristiwa ini berkenaan dengan laju

sintesis enzim, bukan dengan aktivitas enzim. Pada pengaktifan enzim suatu molekul kecil

akan terikat pada enzim sehingga akan terjadi peningkatan aktivitas enzim tersebut, bukan

peningkatan laju sintesisnya.

Selain mempunyai kemampuan untuk memecah suatu molekul (katabolisme), bakteri juga

dapat menyintesis (anabolisme) berbagai molekul organik yang diperlukan bagi

pertumbuhannya. Sebagai contoh, Salmonella typhimurium mempunyai sejumlah gen yang

menyandi enzim-enzim untuk biosintesis triptofan. Dalam medium pertumbuhan yang tidak

mengandung triptofan, S. typhimurium akan mengekspresikan (turned on) gen-gen tersebut.

Akan tetapi, jika suatu saat ke dalam medium pertumbuhannya ditambahkan triptofan, maka

gen-gen tersebut tidak perlu diekspresikan (turned off). Proses pemadaman (turn off) ekspresi

gen sebagai respon terhadap keberadaan suatu zat di lingkungannya dinamakan represi,

sedangkan zat yang menyebabkan terjadinya represi disebut sebagai korepresor. Jadi, dalam

contoh ini triptofan merupakan korepresor.

Seperti halnya induksi, represi juga terjadi pada tahap transkripsi. Represi sering dikacaukan

dengan inhibisi umpan balik (feedback inhibition), yaitu penghambatan aktivitas enzim

akibat pengikatan produk akhir reaksi yang dikatalisis oleh enzim itu sendiri. Represi tidak

menghambat aktivitas enzim, tetapi menekan laju sintesisnya.

Model operon

Mekanisme molekuler induksi dan represi telah dapat dijelaskan menurut model yang

diajukan oleh F. Jacob dan J. Monod pada tahun 1961. Menurut model yang dikenal sebagai

operon ini ada dua unsur yang mengatur transkripsi gen struktural penyandi enzim, yaitu

gen regulator (gen represor) dan operator yang letaknya berdekatan dengan gen-gen

struktural yang diaturnya. Gen regulator menyandi pembentukan suatu protein yang

dinamakan represor. Pada kondisi tertentu represor akan berikatan dengan operator,

menyebabkan terhalangnya transkripsi gen-gen struktural. Hal ini terjadi karena enzim RNA

polimerase tidak dapat memasuki promoter yang letaknya berdekatan, atau bahkan tumpang

tindih, dengan operator.

25


Secara keseluruhan setiap operon terdiri atas promoter operon atau promoter bagi gen-gen

struktural (PO), operator (O), dan gen-gen struktural (GS). Di luar operon terdapat gen

regulator (R) beserta promoternya (PR), molekul protein represor yang dihasilkan oleh gen

regulator, dan molekul efektor. Molekul efektor pada induksi adalah induser, sedangkan pada

represi adalah korepresor.

operon

PR R PO O GS1 GS2 GS3

represor efektor (induser atau korepresor)

a)

RNA polimerase

induser

RNA polimerase berjalan

transkripsi

kompleks represor-induser

translasi

b)

RNA polimerase berjalan

transkripsi

korepresor

translasi

26


kompleks represor-korepresor

c)

Gambar 8. Model operon untuk pengaturan ekspresi gen

a) komponen operon b) induksi c) represi

Pada Gambar 8 terlihat bahwa terikatnya represor pada operator terjadi dalam keadaan yang

berkebalikan antara induksi dan represi. Pada induksi represor secara normal akan berikatan

dengan operator sehingga RNA polimerase tidak dapat memasuki promoter operon.

Akibatnya, transkripsi gen-gen struktural tidak dapat berlangsung. Namun, dengan

terikatnya represor oleh induser, promoter operon menjadi terbuka bagi RNA polimerase

sehingga gen-gen struktural dapat ditranskripsi dan selanjutnya ditranslasi. Dengan

demikian, gen-gen struktural akan diekspresikan apabila terdapat molekul induser yang

mengikat represor.

Operon yang terdiri atas gen-gen yang ekspresinya terinduksi dinamakan operon induksi.

Salah satu contohnya adalah operon lac, yang terdiri atas gen-gen penyandi enzim pemecah

laktosa seperti telah disebutkan di atas.

Sebaliknya, pada represi secara normal represor tidak berikatan dengan operator sehingga

RNA polimerase dapat memasuki promoter operon dan transkripsi gen-gen struktural dapat

terjadi. Akan tetapi, dengan adanya korepresor, akan terbentuk kompleks represor-

korepresor yang kemudian berikatan dengan operator. Dengan pengikatan ini, RNA

polimerase tidak dapat memasuki promoter operon sehingga transkripsi gen-gen struktural

menjadi terhalang. Jadi, ekspresi gen-gen struktural akan terepresi apabila terdapat molekul

korepresor yang berikatan dengan represor.

Gen-gen yang ekspresinya dapat terepresi merupakan komponen operon yang dinamakan

operon represi. Operon trp, yang terdiri atas gen-gen penyandi enzim untuk biosintesis

triptofan merupakan contoh operon represi.

27


2.8 Mekanisme Pengaturan Ekspresi Gen pada Eukariot

Hingga sekarang kita baru sedikit sekali mengetahui mekanisme pengaturan ekspresi gen

pada eukariot. Namun, kita telah mengetahui bahwa pada eukariot tingkat tinggi gen-gen

yang berbeda akan ditranskripsi pada jenis sel yang berbeda. Hal ini menunjukkan bahwa

mekanisme pengaturan pada tahap transkripsi, dan juga prosesing mRNA, memegang peran

yang sangat penting dalam proses diferensiasi sel.

Operon, kalau pun ada, nampaknya tidak begitu penting pada eukariot. Hanya pada eukariot

tingkat rendah seperti jamur dapat ditemukan satuan-satuan operon atau mirip operon. Semua

mRNA pada eukariot tingkat tinggi adalah monosistronik, yaitu hanya membawa urutan

sebuah gen struktural. Transkrip primer yang adakalanya menyerupai polisistronik pun akan

diproses menjadi mRNA yang monosistronik.

Selain itu, terindikasi juga bahwa diferensiasi sel sedikit banyak melibatkan ekspresi

seperangkat gen yang telah terprogram (preprogramed). Berbagai macam sinyal seperti

molekul-molekul sitoplasmik, hormon, dan rangsangan dari lingkungan memicu dimulainya

pembacaan program-program dengan urutan tertentu pada waktu dan tempat yang tepat

selama perkembangan individu. Bukti paling nyata mengenai adanya keharusan urutan

pembacaan program pada waktu dan tempat tertentu dapat dilihat pada kasus mutasi yang

terjadi pada lalat Drosophila, misalnya munculnya sayap di kepala di tempat yang

seharusnya untuk mata. Dengan mempelajari mutasi-mutasi semacam ini diharapkan akan

diperoleh pengetahuan tentang mekanisme pengaturan ekspresi gen selama perkembangan

normal individu.

Pada eukariot tingkat tinggi kurang dari 10 persen gen yang terdapat di dalam seluruh genom

akan terepresentasikan urutan basanya di antara populasi mRNA yang telah mengalami

prosesing. Sebagai contoh, hanya ada dua hingga lima persen urutan DNA mencit yang akan

terepresentasikan pada mRNA di dalam sel-sel hatinya. Demikian pula, mRNA di dalam sel-

sel otak katak Xenopus hanya merepresentasikan delapan persen urutan DNAnya. Jadi,

sebagian besar urutan basa DNA di dalam genom eukariot tingkat tinggi tidak

terepresentasikan di antara populasi mRNA yang ada di dalam sel atau jaringan tertentu.

Dengan perkataan lain, molekul mRNA yang dihasilkan dari perangkat gen yang berbeda

akan dijumpai di dalam sel atau jaringan yang berbeda pula.

Dosis gen dan amplifikasi gen

28


Kebutuhan akan produk-produk gen pada eukariot dapat sangat bervariasi. Beberapa produk

gen dibutuhkan dalam jumlah yang jauh lebih besar daripada produk gen lainnya sehingga

terdapat nisbah kebutuhan di antara produk-produk gen yang berbeda. Untuk memenuhi

nisbah kebutuhan ini antara lain dapat ditempuh melalui dosis gen. Katakanlah, ada gen A

dan gen B yang ditranskripsi dan ditranslasi dengan efisiensi yang sama. Produk gen A dapat

20 kali lebih banyak daripada produk gen B apabila terdapat 20 salinan (kopi) gen A untuk

setiap salinan gen B. Contoh yang nyata dapat dilihat pada gen-gen penyandi histon. Untuk

menyintesis histon dalam jumlah besar yang dibutuhkan dalam pembentukan kromatin,

kebanyakan sel mempunyai beratus-ratus kali salinan gen histon daripada jumlah salinan gen

yang diperlukan untuk replikasi DNA.

Salah satu pengaruh dosis gen adalah amplifikasi gen, yaitu peningkatan jumlah gen sebagai

respon terhadap sinyal tertentu. Sebagai contoh, amplifikasi gen terjadi selama

perkembangan oosit katak Xenopus laevis. Pembentukan oosit dari prekursornya (oogonium)

merupakan proses kompleks yang membutuhkan sejumlah besar sintesis protein. Untuk itu

dibutuhkan sejumlah besar ribosom. Kita mengetahui bahwa ribosom antara lain terdiri atas

molekul-molekul rRNA. Padahal, sel-sel prekursor tidak mempunyai gen penyandi rRNA

dalam jumlah yang mencukupi untuk sintesis molekul tersebut dalam waktu yang relatif

singkat. Namun, sejalan dengan perkembangan oosit terjadi peningkatan jumlah gen rRNA

hingga 4000 kali sehingga dari sebanyak 600 gen yang ada pada prekursor akan diperoleh

sekitar dua juta gen setelah amplifikasi. Jika sebelum amplifikasi ke-600 gen rRNA berada

di dalam satu segmen DNA linier, maka selama dan setelah amplifikasi gen tersebut akan

berada di dalam gulungan-gulungan kecil yang mengalami replikasi. Molekul rRNA tidak

diperlukan lagi ketika oosit telah matang hingga saat terjadinya fertilisasi. Oleh karena itu,

gen rRNA yang telah begitu banyak disalin kemudian didegradasi kembali oleh berbagai

enzim intrasel.

Jika waktu yang tersedia untuk melakukan sintesis sejumlah besar protein cukup banyak,

amplifikasi gen sebenarnya tidak perlu dilakukan. Cara lain untuk mengatasi kebutuhan

protein tersebut adalah dengan meningkatkan masa hidup mRNA (lihat bagian pengaturan

translasi).

29


Pengaturan transkripsi

Berdasarkan atas banyaknya salinan di dalam tiap sel, molekul mRNA dapat dibagi menjadi

tiga kelompok, yaitu (1) mRNA salinan tunggal (single copy), (2) mRNA semiprevalen

dengan jumlah salinan lebih dari satu hingga beberapa ratus per sel, dan (3) mRNA

superprevalen dengan jumlah salinan beberapa ratus hingga beberapa ribu per sel. Molekul

mRNA salinan tunggal dan semiprevalen masing-masing menyandi enzim dan protein

struktural. Sementara itu, mRNA superprevalen biasanya dihasilkan sejalan dengan

terjadinya perubahan di dalam suatu tahap perkembangan organisme eukariot. Sebagai

contoh, sel-sel eritroblas di dalam sumsum tulang belakang mempunyai sejumlah besar

mRNA yang dapat ditranslasi menjadi globin matang. Di sisi lain, hanya sedikit sekali atau

bahkan tidak ada globin yang dihasilkan oleh sel-sel prekursor yang belum berkembang

menjadi eritroblas. Dengan demikian, kita dapat memastikan adanya suatu mekanisme

pengaturan ekspresi gen penyandi mRNA superprevalen pada tahap transkripsi eukariot

meskipun hingga kini belum terlalu banyak rincian prosesnya yang dapat diungkapkan.

Salah satu regulator yang diketahui berperan dalam transkripsi eukariot adalah hormon,

molekul protein kecil yang dibawa dari sel tertentu menuju ke sel target. Mekanisme kerja

hormon dalam mengatur transkripsi eukariot lebih kurang dapat disetarakan dengan induksi

pada prokariot. Namun, penetrasi hormon ke dalam sel target dan pengangkutannya ke dalam

nukleus merupakan proses yang jauh lebih rumit bila dibandingkan dengan induksi oleh

laktosa pada E. coli.

Secara garis besar pengaturan transkripsi oleh hormon dimulai dengan masuknya hormon ke

dalam sel target melewati membran sel, yang kemudian ditangkap oleh reseptor khusus yang

terdapat di dalam sitoplasma sehingga terbentuk kompleks hormon-reseptor. Setelah

kompleks ini terbentuk biasanya reseptor akan mengalami modifikasi struktur kimia.

Kompleks hormon-reseptor yang termodifikasi kemudian menembus dinding nukleus untuk

memasuki nukleus. Proses selanjutnya belum banyak diketahui, tetapi rupanya di dalam

nukleus kompleks tersebut, atau mungkin hormonnya saja, akan mengalami salah satu di

antara beberapa peristiwa, yaitu (1) pengikatan langsung pada DNA, (2) pengikatan pada

suatu protein efektor, (3) aktivasi protein yang terikat DNA, (4) inaktivasi represor, dan (5)

perubahan struktur kromatin agar DNA terbuka bagi enzim RNA polimerase.

30


Contoh induksi transkripsi oleh hormon antara lain dapat dilihat pada stimulasi sintesis

ovalbumin pada saluran telur (oviduktus) ayam oleh hormon kelamin estrogen. Jika ayam

disuntik dengan estrogen, jaringan-jaringan oviduktus akan memberikan respon berupa

sintesis mRNA untuk ovalbumin. Sintesis ini akan terus berlanjut selama estrogen diberikan,

dan hanya sel-sel oviduktus yang akan menyintesis mRNA tersebut. Hal ini karena sel-sel

atau jaringan lainnya tidak mempunyai reseptor hormon estrogen di dalam sitoplasmanya.

Pengaturan pada tahap prosesing mRNA

Dua jenis sel yang berbeda dapat membuat protein yang sama tetapi dalam jumlah yang

berbeda meskipun transkripsi di dalam kedua sel tersebut terjadi pada gen yang sama.

Fenomena ini seringkali berkaitan dengan adanya molekul-molekul mRNA yang berbeda,

yang akan ditranslasi dengan efisiensi berbeda pula.

Pada tikus, misalnya, ditemukan bahwa perbedaan sintesis enzim α-amilase oleh berbagai

mRNA yang berasal dari gen yang sama dapat terjadi karena adanya perbedaan pola

pembuangan intron. Kelenjar ludah menghasilkan α-amilase lebih banyak daripada yang

dihasilkan oleh jaringan hati meskipun gen yang ditranskripsi sama. Jadi, dalam hal ini

transkrip primernya sebenarnya sama, tetapi kemudian ada perbedaan mekanisme prosesing,

khususnya pada penyatuan (splicing) mRNA.

Pengaturan translasi

Berbeda dengan translasi mRNA pada prokariot yang terjadi dalam jumlah yang lebih kurang

sama, pada eukariot ada mekanisme pengaturan translasi. Macam-macam pengaturan

tersebut adalah (1) kondisi bahwa mRNA tidak akan ditranslasi sama sekali sebelum

datangnya suatu sinyal, (2) pengaturan umur (lifetime) molekul mRNA, dan (3) pengaturan

laju seluruh sintesis protein.

Telur yang tidak dibuahi secara biologi bersifat statis. Akan tetapi, begitu fertilisasi terjadi,

sejumlah protein akan disintesis. Hal ini menunjukkan bahwa di dalam sel telur yang belum

dibuahi akan dijumpai sejumlah mRNA yang menantikan datangnya sinyal untuk translasi.

Sinyal tersebut tidak lain adalah fertilisasi oleh spermatozoon, sedangkan molekul mRNA

yang belum ditranslasi itu dinamakan mRNA tersembunyi (masked mRNA).

Pengaturan umur mRNA juga dijumpai pada telur yang belum dibuahi. Sel telur ini akan

mempertahankan diri untuk tidak mengalami pertumbuhan atau perkembangan. Dengan

demikian, laju sintesis protein menjadi sangat rendah. Namun, hal ini bukan akibat

31


kurangnya pasokan mRNA, melainkan karena terbatasnya ketersediaan suatu unsur yang

dinamakan faktor rekrutmen. Hingga kini belum diketahui hakekat unsur tersebut, tetapi

rupanya berperan dalam pembentukan kompleks ribosom-mRNA.

Sintesis beberapa protein tertentu diatur oleh aktivitas protein itu sendiri terhadap mRNA.

Sebagai contoh, konsentrasi suatu jenis molekul antibodi dipertahankan konstan oleh

mekanisme inhibisi atau penghambatan diri dalam proses translasi. Jadi, molekul antibodi

tersebut berikatan secara khusus dengan molekul mRNA yang menyandinya sehingga

inisiasi translasi akan terhambat.

Sintesis beberapa protein dari satu segmen DNA

Pada prokariot terdapat mRNA polisistronik yang menyandi semua produk gen. Sebaliknya,

pada eukariot tidak pernah dijumpai mRNA polisistronik, tetapi ada kondisi yang dapat

disetarakan dengannya, yakni sintesis poliprotein. Poliprotein adalah polipeptida berukuran

besar yang setelah berakhirnya translasi akan terpotong-potong untuk menghasilkan

sejumlah molekul protein yang utuh. Tiap protein ini dapat dilihat sebagai produk satu gen

tunggal.

Dalam sistem semacam itu urutan penyandi pada masing-masing gen tidak saling dipisahkan

oleh kodon stop dan kodon awal, tetapi dipisahkan oleh urutan asam amino tertentu yang

dikenal sebagai tempat pemotongan (cleavage sites) oleh enzim protease tertentu. Tempat-

tempat pemotongan ini tidak akan berfungsi serempak, tetapi bergantian mengikuti suatu

urutan.

32


BAB III

PENUTUP

3.1 Kesimpulan

Ekspresi gen merupakan rangkaian proses penerjemahan informasi genetik (dalam bentuk

urutan basa pada DNA atau RNA) menjadi protein, dan lebih jauh lagi: fenotipe. Informasi

yang dibawa bahan genetik tidak bermakna apa pun bagi suatu organisme apabila tidak

diekspresikan menjadi fenotipe. Ekspresi genetik beserta dinamika yang mempengaruhinya

dipelajari dalam genetika molekular beserta cabang-cabangnya seperti genomika,

transkriptomika, proteomika, serta metabolomika.

Kontrol ekspresi gen terjadi baik pada eukariot dan prokariot, hanya kontrol ekspresi gen

yang terjadi pada eukariot bersifat lebih kompleks.

Pengaturan ekspresi operon laktosa dilakukan oleh suatu protein regulator yang akan

berinteraksi dengan promoter, yang akan menentukan berjalan atau inisiasi trankripsi yang

dilakukan oleh transcriptase. Protein pengatur dihasilkan oleh gen regulator, yaitu gen yang

produk ekspresinya berperan mengatur ekspresi gen lain

3.2 Saran

Makalah ini merupakan tugas mata kuliah Biologi Sel dan Molekuler di Sekolah Tinggi Ilmu

Kesehatan Bina Mandiri Gorontalo. Makalah ini masih jauh dari kesempurnaan olehnya itu

penyusun menyarankan agar pembaca dapat mengkaji lebih teliti dan mendapat manfaat dari

penulisan ini untuk kemajuan ilmu pengetahuan terutama di bidang biologi sel dan

molekuler.

http://id.wikipedia.org/w/index.php?title=Basa_nitrogen&action=edit&redlink=1

33


DAFTAR PUSTAKA

Ordway GA, Garry DJ. Myoglobin an essential hemoprotein in striated muscle. J Exp

Biol.2004;207 : 3441-46

Mooren FC, Volker K. Molecular and Cellular Exercise Physiology, Human kinetics,

USA.2005:31-46:55-101

Wittenberg JB, Wittenberg BA. Myoglobin function reassessed. J Exp Biol. 2003; 206:2011-20.

Foss ML, Keteyian SJ. Physiological basis for exercise and sport, Mc.Graw Hill New

York.2006;59-64:

Guyton AC, Hall JE. Textbook of Medical Physiology 11th edition. Elsevier Saunders,

Philadelphia, Pensylvania.2006;79-82;530;1056-60

Grange RW, Meeso A, Chin E, Lau KS, Stull JT, Shelton JM et al. Functional and molecular

adaptation in skeletal muscle of myoglobin-mutant mice. AJP Cell Physiol .2001; 281:1487-

94.

Soya H, Mukai A, Deocaris, Ohiwa N, Nishijima, Fujikawa T et al. Threshold like pattern of

neuronal activation on the hypothalamus during treadmill running : Estasblishment of

minimum running stress (MRS) rat model. Neuroscience research.2007;58: 341- 8

The Columbia Encyclopedia, sixth edition, 2008 melalui http://www.encyclopedia.com

Wilson MT. Reeder BJ.Oxygen binding haem Protein .J Exp Physiol. 2008;93:128-132

Brunori M. Nitric oxide,cytochromme oxidase and myoglobin, Trends Biochem. scie. 2001; 26:

21-23

Brunori M. Nitric oxide moves myoglobin centre stage. Trends Biochem.scie. 2001; 26 : 209-21

Wittenberg BA, Wittenberg JB. Role of Myoglobin in oksigen supply to red skeletal muscle.J

Biol Chem .2005 ;250: 9038-43

Ulrike B, Hendgen C, Marc WM, Sruti S, Schmits J, Stefanie B Johan et al. Nitrite reductase

actvity of myoglobin regulates respiration and cellular viability in myocardial ischemia-

reperfusion injury. PNAS.2008;22.

Flogel U, Merck M.W,Godecke AL., Decking UKM, Schrader Jurgens, Myoglobin : A scavenger

of Bioactive NO.PNAS. 2001

Mc Comas AJ.,Gardiner PF. Skeletal Muscle form and function. Human Kinetics., USA,2006:215-

220.

http://www.encyclopedia.com/

34


Akitoshi, Seiyama.Virtual cooperativity in myoglobin oxygen saturation curve in skeletal muscle

in vivo. J. of Dynamic Medicine .2006

Tri Wibawa. Dasar Genetika Molekuler., Kursus Biologi Molekuler, Pusat Kedokteran Tropis

UGM, 23-28 Juli 2007.

Kanatous SB, Mammen P, Rosenberg. PB. Martin.CM, Michael DW, Garry, DJ et al. Hypoxia

reprograms calcium signaling and regulates myoglobin expression. Am J Physiol

.2008;296:C393-C402.

Shahib.N . Biologi Molekuler Medik I .2005

Vogt M, Puntschart A, Geiser J, Zuleger C, Hoppeller. Molecular adaptation in human skeletal

muscle to endurance training under simulated hypoxic conditions. J.appl. Physiol.

2001;91:179-182.

Friedman,B, Kincherf, Borish.S, Richter.G.Effect of low resistance/high repetition strengh

training in hypoxia on muscle structure and gene expression. Eur.J. Physiol. 2003;446:742-51.

Ekspresi Gen

Health & Medicine

Transcript of Ekspresi Gen