Siswa Setyahadi

Introduction

MOLECULAR BIOLOGY

Siswa Setyahadi

Sejarah klasifikasi mahluk hidup:Aristoteles (- mid 1800-san) : Dunia Plantae; Dunia Animalia E. Haeckel (1866) : Dunia Plantae; Dunia Animalia; Dunia Protista E. Chatton (1937) : Prokaryotae; Eukaryotae R.H. Whittaker (1969): Dunia Monera Dunia Protista Dunia Fungi Dunia Plantae Dunia Animalia Carl Woese (1978): Domain Bakteria Domain Arkhaea Domain Eukarya Carol J. Bult (1996) : selesai sequencing genom Methanococcus janashii (Arkhaea) Solomon et al. (1999 - 2002): Dunia Bakteria Dunia

Arkhae(bakteria) Dunia Protista Dunia Fungi Dunia Plantae Dunia Animalia

Siswa Setyahadi

Five Kingdoms & Three Domain

Siswa Setyahadi

Tree of Life: Three Domain

Siswa Setyahadi

Dasar klasifikasi:

Aristoteles ( 400 SM – 1800-an) : kenampakan morfologi luar

E. Haeckel (1866): morfologi (mikroskopis) dan fisiologi

E. Chatton (1937) : struktur organisasi interna sel (prokaryotik

& eukaryotik)

R.H. Whittaker (1969) : organisasi internal sel; nutrisi; struktur organisasi selular

Carl. Woese (1978) : molekul RNA ribosomal (biologi molekular) 16S rRNA (Arkhaea & Bakteria) 18S rRNA (Eukarya)

Siswa Setyahadi

18S rRNA• 18S ribosomal RNA (abbreviated 18S rRNA) is a part

of the ribosomal RNA. The S in 18S represents Svedberg units. 18S rRNA is a component of the small eukaryotic ribosomal subunit (40S). 18S rRNA is the structural RNA for the small component of eukaryotic cytoplasmic ribosomes, and thus one of the basic components of all eukaryotic cells.

• The genes coding for 18S rRNA are referred to as 18S rDNA. Sequence data from these genes is widely used in molecular analysis to reconstruct the evolutionary history of organisms, especially in vertebrates, as its slow evolutionary rate makes it suitable to reconstruct ancient divergences.

Siswa Setyahadi

16S rRNA• 16S ribosomal RNA (or 16S rRNA) is a

component of the 30S small subunit of prokaryotic ribosomes. It is approximately 1.5kb (or 1500 nucleotides) in length. The genes coding for it are referred to as 16S rDNA and are used in reconstructing phylogenies.

• Multiple sequences of 16S rRNA can exist within a single bacterium

• It is the eukaryotic nuclear homologue of 16 S ribosomal RNA in Prokaryotes and mitochondria.

Siswa Setyahadi

Biologi MolekulerBiologi molekular : Ilmu yang mempelajari fungsi dan organisasi jasad hidup

(organisme) ditinjau dari struktur dan regulasi molekular unsur atau komponen penyusunnya.

Hal-hal yang dipelajari dalam biologi molekular:• Struktur kimia materi genetik• Organisasi makromolekul• Aktivitas gen• Interaksi antar komponen selular

Disiplin ilmu yang terlibat dalam biologi molekular• Biologi sel• Genetika• Biokimia• Kimia organik• Biofisika

Siswa Setyahadi

Organisasi Biologis Jasad hidup

Jasad hidup secara umum dikelompokan menjadi dua :

1. Jasad hidup selular : mempunya satuan unit dasar yaitu sel. Misalnya : bakteri, hewan tingkat tinggi, tanaman tingkat tinggi

2. Jasad hidup non selular : Tidak tersusun atas sel tapi berupa satuan. Misalnya virus dan bakteriofag. Virus satuan dasarnya adalah virion

Siswa Setyahadi

Jasad hidup non-selulerVIRUS

Virus adalah suatu partikel yang mengandung bahan genetik berupa DNA atau RNA yang diselubungi oleh protein yang disebut dengan kapsid dan pada beberapa jenis virus ada juga komponen lain, misalnya lemak.

Satuan dasar virus disebut virion. Diameternya 20-300nm jauh lebih kecil dari sel prokariot yang paling kecil.

Klasifikasi virus berdasarkan sel inangnya• Virus hewan• Virus tumbuhan• Virus bakteri (bagteriofag)

Siswa Setyahadi

Disamping virus DNA atau RNA, ada partikel yang lebih sederhana dari virus yaitu viroid dan prion

Viroid ---- molekul kecil RNA yang terdiri atas 359 basa nukleotida dan tidak

diselubungi oleh protein contohnya viroid yang menyebabkan penyakit panda kentang

Prion ----- suatu partikel yang terdiri atas molekul kecil protein (ada yang terdiri

atas 250 asam amino) yang tidak mempunyai asam nukleat

Prion berasal dari istilah proteinaceous infectious particle (artikel atau molekul protein sebagai agen penyebab penyakit) ----- oleh Stanley B Prusiner.

Contoh prion : Penyebab penyakit neurogeneratif - Penyakit BSE (bovine spongiform encephalophaty), penyakit sapi

gila - Penyakit scrapie pada domba - Penyakit creutzfeldt-jacob pada manusia - Penyakit Gerstmann-Straussler-scheinker pada manusia

Siswa Setyahadi

Virus bersifat parasit. Bisa memperbanyak diri jika berada didalam suatu sel inang yang sesuai. Jika berada diluar sistem selular, maka virus tidak bisa memperbanyak diri karena tidak mempunyai suatu sistem enzim yang dapat digunakan untuk sintesis partikel virus baru.

Dibawah ini beberapa gambaran skematik beberapa jenis virus

Siswa Setyahadi

Meskipun bersifat parasit. Namun dalam perkembangan genetik molekular, telah dilakukan exploitasi virus untuk kepentingan kepentingan praktis.

Misalnya untuk kepentingan militer : senjata biologis medis, pengobatan kanker, dll

Salah satu protein prion ada yang bisa menyebabkan apoptosis.

Apoptosis : Progam kematian sel secara normal, dengan cara

menghilangkan sel yang tidak diinginkan. Prinsip inilah yang

digunakan dalam pencarian obat antikanker

Siswa Setyahadi

A

A’

B C

B’ C’

Contoh penggunaanVirus yaitu virus NDVStrain AF 2400 Pada pengobatan Kanker payudara

Mekanismenya yaituMenyerang proteinFilamen sel

Siswa Setyahadi

Jasad SelulerDoktrin sel

Istilah sel pertama kali dikemukakan oleh Robert Hooke (1635-1703).Sel -------- merupakan satuan dasar minimum suatu jasad hidupDoktrin sel : Semua sel berasal dari sel yang sudah ada sebelumnya dan

masing masing sel mempunyai suatu sistem kehidupan sendiri

Sel bersifat dinamis yang selalu mengalami perubahan ( adanya proses transformasi selular yang melibatkan macam macam reaksi molekular

Pengaturan selular yang dilakukan oleh sel memiliki 2 fungsi utama

• Sebagai piranti kimiawi yang melakukan proses metabolisme• Sebagai piranti yang menyimpan kode kode informasi biologis yang akan diturunkan kepada keturunannya.

Siswa Setyahadi

Penggolongan jasad selular berdasarkan satuan dasar individu :

1. Jasad bersel tunggal (unicellular organism) 2. Jasad bersel banyak (multicellular organism)

Penggolongan jasad selular berdasarkan struktur dan organisasi sel :

1. Sel prokariot ------ tanpa membran inti2. Sel eukariot ------ ada membran inti

Penggolongan jasad selularSatuan Dasar Organisasi Sel ContohSel tunggal Prokariot Escheria coli

Eukariot Saccharomyces cerevisiae

Sel banyak Eukariot Manusia, hewan, tanaman tingkat tinggi

Siswa Setyahadi

Prokariot• Secara organisasi sel prokariot lebih sederhana dibandingkan dengan

jasad eukariot.• Sel prokariot terdiri atas struktur utama : dinding sel, membran plasma

sel , ribosom dan bahan genetik (nukleoid)• Tidak adanya membran inti sel (nukleus)• Contohnya yaitu kelompok bakteri, berdasarkan lingkungan tempat

hidup dibagi 2 yaitu eubakteria dan archaebakteri• Berdasarkan dinding sel prokariot, misalnya bakteri, bakteri dibedakan menjadi 2 kelompok yaitu bakteri gram positif (bacillus substilis) dan

bakteri gram negative (E. coli).• Beberapa jenis organisme prokariot pada bakteri ada struktur

tambahan diluar dinding sel ---- kapsulntuk. Sehingga memberikan bentuk yang bermacam-macam seperti kokus batang, spiral dan lain lain• Memiliki satu/single molekul DNA dan berbentuk sirkular• Membran plasma terdiri dari campuran lemak dan protein (lipoprotein).Berfungsi sebagai selaput sel yang bersifat semipermeable

yang • mengatur keluar masuknya ion ion dan molekul.

Siswa Setyahadi

• Pada sel prokariot, jenis bakteri gram positif membran plasma membentuk lipatan yang dikenal sebagai mesosom.Pada bagian yang menghadap sitoplasma mesosom sering berasosiasi dengan DNA sehingga sering diduga sebagai tempat pelekatan DNA

• Ribosom merupakan partikel kecil yang dominan terdiri dari RNA dan protein yang berfungsi sebagai wadah tempat translasi protein (pada sintesis protein.

• Satu sel dapat mengandung 600-1000 ribosom sehingga massanya dapat mencapai 40% massa bakteri.

• Materi genetik selain DNA , seringkali ada materi genetik tambahan yang disebut plasmid.

• Ukuran sel prokariot bervariasi, berdiameter 5 mm – 750 mm.• Sama seperti eukariot. Beberapa bakteri juga membentuk struktur

khusus yaitu flagella atau endospora.• Beberapa contoh bakteri yang telah digunakan dalam bidang

biologi molekular : Escherichia coli, salmonella typhimurium, streptomyces sp, Rhizobium sp, Bacillus substilis, agrobacterium tumafaciens, dll

Siswa Setyahadi

Diagram sel prokariot

Siswa Setyahadi

Eukariot• Mempunyai struktur dan organisasi yang lebih kompleks dibandingkan

sel prokariot.• Pada jasad sel eukariot, bahan genetiknya (DNA) berada didalam suatu

membran nukleus sehingga memiliki struktur nukleus yang jelas.• Membran nukleus eukariot memiliki 2 lapisan, membran luar dan

membran dalam. Struktur membran nukleus akan menjadi salah satu pembeda antara eukariot dan prokariot.

• Pada eukariot, bahan genetik utamanya umumnya terdiri dari lebih dari satu kromososm yang berbentuk linear yang dikemas dalam protein yang disebut histon.

• Sudah memiliki pembagian ruang yang jeals dalam sel, sehingga memiliki bermacam macam organel yang masing masing memiliki fungsi khusus.

• Pada sel eukariot dari sel tumbuhan, struktur sel terluarnya ada dinding sel yang terdiri atas polimer selulosa (Jenis polisakarida).

Siswa Setyahadi

• Beberapa organel penting pada eukariot antara lain mitokhondria (tempat produksi energi selular), retikulum endoplasma (RE) kasar( berperan dalam proses sekresi protein dan tempat lekat ribosom), RE halus (tempat detoksifikasi senyawa tertentu dan sintesis lemak), badan golgi (berperan dalam sekresi dan pemilahan protein), Pada tumbuhan ada kloroplas (tempat berlangsungnya reaksi fotosintesis), vacuola (tempat penyimpanan air dan produk metabolisme)

• Salah satu eukariot yang banyak digunakan dalam studi biology molekular adalah khamir sacharomyces cerevisiae (jenis bersel satu yang mudah ditumbuhkan untuk industri minuman

• Sebagai inang untuk memproduksi protein heterolog dan vaksin

Siswa Setyahadi

Siswa Setyahadi

Siswa Setyahadi

I. Membrane bound organelles

XXKantung membran yang mengandung enzim enzim, untuk bermacam macam reaksi.

Mikrobodi

X Structur serupa kantung dengan membrane tilakoid internal; tempat photosynthesis

Plastida

XXKantung, terdiri dari 2 membran; bagian siklus Krebs cycle, sistem transport elektron, pabrik energi, chemiosmosis.

Mitochondria

X Kantung membran; transpor and penyimpanan air & material lainnya

Vakuola

XXKantung membran; mengandung enzim untuk mencernakan material

Lisosom

XXSaluran membran berbentuk kantung datar ; modifies, pemilihana & sekresi protein

Kompleks Golgi

XXJaringan internal membran; bagian dari lipid membran & sinthesis protein

Reticulum Endoplasma

XXButiran inti pada nukleus; bagian of sintesis r-RNA Nukleolus

XXLarge structure surrounded by double membrane; species cellular proteins

Nukleus

XXMembran pembungkus cell, regulator transport sel Membran Plasma

Found in Plants?

Found in Animals?Description & FunctionStructure

Siswa Setyahadi

II Particulate Structure

XXProyeksi panjang /ekor; selular lokomotif, biasanya 1-5 pada sell.

Flagella

XXStruktur berambut pendek; pergerakan, pengambilan makanan, biasanya jumlahnya >>1 pada sel.

Silia

 XLekukan silinder kecil; terlibat dalam pembelahan sel & melekatnya flagellae & silia

Sentriol

XXPadat, struktur batanagn dari actin, struktur penyokongMikrofilament

XXCekungan dari tabung tubulin; struktur penyokong untuk pergerakan organel

Mikrotubul

XXButiran organel terdiri dari RNA & protein; sintesis proteinsRibosom

XXKandungan DNA-protein komplex; mengandung gen - genKromosom

Found in Plants?

Found in Animals?

Description & FunctionStructure

Siswa Setyahadi

III. Extracellular Structures

X Multiple-layers dari selulosa; struktur pendukungDinding sel

Found in Plants?

Found in Animals?

Description & FunctionStructure

Siswa Setyahadi

Interaksi Makromolekul Genetik

ASAM NUKLEATAdalah polimer nukleotida yang berperanan dalam penyimpanan serta pemindahan informasi genetik . Satu unit monomer terdiri dari ketiga komponen dinamakan nukleotida terdiri atas tiga bagian yaitu :

Siswa Setyahadi

Struktur dasar nukleotida

1. Basa nitrogen : cincin purin atau pirimidin Yaitu basa nitrogen yang terikat pada atom C no 1 suatu molekul

gula (ribosa atau deoksiribosa) melalui ikatan N-glikosidik. Ada dua macam basa nitrogen yang menyusun asam nukleat yaitu

- Basa purin terdiri dari adenin (A) dan guanine (G) - Basa pirimidin terdiri dari Thymine (T), cytosine (C ) dan Uracil (U).

Siswa Setyahadi

Baik DNA ataupun RNA tersusun atas A, G, C, tetapi T hanya ada pada DNA sedangkan U hanya ada pada RNA. Ada pengecualian, ada beberapa molekul tRNA terdapat basa T, sedangkan pada beberapa bakteriofag DNA-nya tersusun ats U bukan basa T.

Beberapa struktur dasar basa nitrogen asam nukleat

Siswa Setyahadi

RNAuridineUracilU

DNAdeoxythymidine (thymidine)ThymineT

RNAcytidineDNAdeoxycytidine

CytosineC

RNAguanosineDNAdeoxyguanosin

eGuanineG

RNAadenosineDNAdeoxyadenosin

eAdenineA

Nucleic AcidNucleosideBaseAbbr.

2. Molekul gula dengan 5 atom C (pentosa) Pasa DNA gulanya adalah gula pentosa yaitu 2-deoksirobosa dan pada RNA gulanya adalah ribosa. Perbedaan anatar kedua bentuk gula tersebut yaitu panda atom C no 2.Pada DNA atom C no 2 berikatan dengan atom H, sedangkan panda RNA atom C no 2 berikatan dengan OH.

Siswa Setyahadi

Untaian nukleotida = polinukleotidaDNA dan RNA disintesis dalam sel oleh DNA polymerase and RNA

polymerases. Untaian pendek dari asam nukleat juga dihasilkan tanpa enzyme oleh oligonucleotida synthesizers

3. Gugus fosfat Dua gugus gula terhubung dengan fosfat melalui ikatan fosfodiester antara atom karbon ketiga pada cincin satu gula dan atom karbon kelima pada gula lainnya. . Gugus fosfat inilah yang menyebabkan asam nukleat bermuatan negatif kuat.

PASANGAN BASA DAN DOUBLE STRANDED ASAM NUKLEAT

Sebagian besar DNA berada dalam bentuk double helix, yang mana terdiri dari 2 linear DNA yang berikatan berputar satu sama lainnya. Ikatan utama yang membentuk formasi helix ini adalah ikatan antara pasangan basa : bentuk basa A berikatan hydrogen dengan basa T (or U in RNA), dan basa G berikatan hydrogen dengan C. Jika kita campurkan dua ATGC bersamaan , bentuk duplex akan terbentuk

Siswa Setyahadi

Siswa Setyahadi

PENEMUAN STRUKTUR MOLEKULAR DARI DNA DOUBLE HELIXStruktur molekular dari DNA

Struktur dari Deoxyribose Nucleic Acid (DNA) pertama kali dipublkasikan oleh James D. Watson and Francis crick dalam jurnal : scientific jurnal Nature volume 171 pada halaman 737-738 (tanggal 25 April 1953). Publicasi pertama yang menggambarkan penemuan struktur double helix DNA. Penemuan ini memberikan impact yang utama pada bidang genetik khususnya dan biologi secara umumnya

Siswa Setyahadi

Interaksi MolekulerSemua molekul dalam sel alkan berinteraksi satu sama lain.

Interaksi antar molekul akan menentukan sifat sifat biologis molekul molekul didalam sel. Ineraksi milekular tersebut berupa :

1. Ikatan kovalen : Ikatan yang ada diantara atom atom yang menyusun suatu

molekul, misalnya ikatan antara C – H pada CH4. Ikatan ini paling kuat dan paling stabil antara atom.

2. Ikatan non kovalen : Interaksi antara atom yang tidak teriakt secara kovalen. Ikatan nya tidak sekuat ikatan kovalen, namun berperan penting dalam menstabilkan struktur makromolekul dalam sel misalnya asam nukleat dan protein

Beberapa ikatan nonkovalen yang penting

2. Ikatan hidrogen Suatu bentuk interaksi lemah antara suatu atom elektronegatif

(atom akseptor) dengan hidrogen yang terikat secara kovalen dengan atom lain (donor atom)

Siswa Setyahadi

Ikatan hidrogen banyak terdapat panda sistem biologis. Pada asam nukleat ikatan hidrogen menyebabkan terjadinya pasangan antar untaian (interstrand) antar basa nukleotidaMisalnya antara adenine dan tymine (A-T) dan antara guanosine dengan cytosine (G-C)

2. Ikatan ionik Ikatan antara atom yang terjadi karena adanya perbedaan

muatan pada atom atom yang berinteraksi. Contoh amino aspartat dan glutamat yang bermuatan –, sedangkan lisin, histidin, dan arginin bermuatan + , muatan yang berbeda ini menyebabkan asam amino berikatan ionik. Hal ini yang menyebabkan rantai polipeptida protein dapat berlipat sedemikian rupa, sehingga menjadi lebih bedekatan

3. Interaksi van der waals Terjadi pada jarak atom yang sangat berdekatan 1-2 oA. Terjadi

karena distribusi muatan yang tidak simetris. Energi ikatan panda van der waals panda sepasang atom < 1 kcal/mol. Energi ini lebih kecil dibandingkan ikatan hidrogen

Contohnya : molekul antibodi dengan molekul antigen spesifiknya antara enzim dengan substratnya yang spesifik.

Siswa Setyahadi

4. Interaksi hidrofobik. Molekul hidrofobik merupakan molekul molekul nonpolar yang

tidak larut dalam air. Gugus samping alifatik dan aromatik suatu protein dan basa basa pada asam nukleat mempunyai sifat nonpolar. Interaksi hidrofobik merupakan kekuatan utama yang menyebabkan terjadinya pelipatan makromolekul misalnya protein dan pembentukan membran.