PAPER BIOKIMIASINTESIS PROTEIN

PENDAHULUAN

Bahan kimia yang menyusun tubuh pada dasarnya adalah bahan anorganik dan

organik. Bahan anorganik adalah air dan garam mineral, kedua bahan ini terutama mineral

didapatkan tubuh dari lingkungannya. Air sebagian besar dari lingkungan dan sebagian lagi

tersusun di dalam tubuh yaitu yang disebut air metabolik, air ini merupakan hasil aktivitas

metabolisme. Bahan organic meliputi asam nuklet, protein, lemak, dan karbohidrat. Asam

nukleat dimiliki oleh setiap individu melalui peristiwa pewarisan sifat, dan keberadaannya akan

dipertahankan serta diperbanyak. Protein, lemak, dan karbohidrat bahan dasarnya diambil dari

lingkungan. Pada organisme autotrof bahan dasarnya berupa bahan anorganik yang kemudian

diubahnya menjadi bahan organik. Pada organisme heterotrof, bahan dasarnya adalah bahan

organik juga, tetapi kemudian akan diolah di dalam tubuh menjadi bahan yang diperlukan.

Proses pengolahan di dalam tubuh ini secara umum dinamakan metabolisme. Proses yang tejadi

dalam metabolisme memerlukan enzim yang pada umumnya memiliki komponen utama berupa

protein. Jenis protein yang diperlukan tubuh, harus disusun dan diatur oleh informasi biologi

yang tekandung dalam asam deoksiribonukleat (ADN/ DNA). Informasi dalam DNA itulah

yang harus diekspresikan sehingga tubuh memiliki protein sesuai dengan keperluannya.

Ekspresi informasi genetik merupakan suatu proses yang sangat kompleks, tetapi pada dasarnya

dapat dibagi menjadi 2 tahap utama, yaitu transkripsi dan translasi. [2]

Rancangan genetik suatu organisme, terkandung di dalam sekuens

deoksiribonukleatida yang menyusun DNA. Namun, melalui asam ribonukleat-lah (ribonucleic

acid,RNA) – “salinan kerja” DNA – rancangan dasar tersebut diekspresikan. Proses penyalinan

(copying) selama DNA bertindak sebagai cetakan (template) disebut transkripsi. Setelah

disintesis, RNA messenger (RNA perantara) ditranslasikan menjadi sekuens asam amino (rantai

polipeptida atau protein. RNA ribosom, RNA transfer, dan bentuk RNA kecil tambahan

membentuk struktur khusus dan memiliki fungsi regulator tetapi tidak ditranslasikan.

Gambaran utama transkripsi adalah bahwa proses ini sangat selektif. Misalnya, banyak

transkripsi dibuat dari beberapa region DNA. Sementara itu di region lain, hanya beberapa atau

bahkan tidak ada transkripsi yang terjadi. Selektivitas ini berhubungan, setidaknya sebagian,

dengan sinyal yang tertanam di sekuens nukleotida DNA. Sinyal ini menginstruksikan RNA

polymerase menemukan tempat untuk memulai, dan tempat pemberhentian transkripsi.

Berbagai protein regulator juga berperan dalam proses seleksi ini. Perbedaan biokimia di dalam

jaringan suatu organisme merupakan hasil akhir selektivitas proses transkripsi. Gambaran

penting lainnya di dalam transkripsi adalah bahwa sejumlah besar transkrip RNA yang awalnya

menjadi salinan asli dari salah satu untai DNA, dapat mengalami berbagai modifikasi seperti

penambahan ujung terminal, modifikasi basa, trimming, pembuangan segmen internal, yang

diikuti penggabungan (splicing), yang mengubah transkrip primer inaktif menjadi molekul

fungsional. [1]

Untuk tahapan translasi sendiri, akan diuraikan lebih rinci pada pembahasan

selanjutnya.

PEMBAHASAN

SINTESIS PROTEIN

Informasi genetik, yang disimpan di dalam kromosom dan ditransmisikan ke sel anak

melalui replikasi DNA, diekspresikan melalui transkripsi ke RNA dan, pada mRNA,

selanjutnya di translasi menjadi rantai polipeptida. Jalur sintesis protein disebut translasi karena

“bahasa” sekuens nukleotida pada mRNA diterjemahkan menjadi bahasa sekuens asam amino.

Proses translasi membutuhkan kode genetik tempat informasi yang tekandung, di dalam

rangkaian asam nukleat diekspresikan untuk menghasilkan sekuens asam amino yang spesifik.

Setiap perubahan didalam sekuens asam nukleat dapat menimbulkan asam amino yang tidak

sesuai dimasukkan kedalam rantai polipeptida, yang berpotensi menyebabkan penyakit bahkan

kematian pada suatu organime. Setelah disintesis, banyak rantai polipeptida dimodifikasi secara

kovalen untuk menjadi aktif, mengubah aktivitas untuk mengarahkannya ke tujuan akhir, yaitu

di dalam atau diluar sel.

I. KODE GENETIK[1]

Kode genetik adalah sebuah kamus yang mengenali hubungan antara sekuens basa

nukleotida dengan sekuens asam amino. Setiap kata-kata pada kode tersebut terdiri

dari 3 basa nukelotida. Kata-kata geneti ini disebut kodon.

Kodon

GAMBAR 1

Kode genetik (tugas kodon dalam

RNA messenger mamalia) [3]

Kodon biasanya disajikan dalam bahasa messenger RNA sebagai adenine (A),

guanine (G), sitosin (C), dan urasil (U). rangkaian nukleotidanya selalu ditulis dari

ujung 5' ke ujung 3'. Keempat basa nukleotida tersebut digunakan untuk

menghasilkan kodon 3 basa. Karena itu, terdapat 64 kombinasi yang berbeda,

masing-masing berjumlah 3 basa seperti yang diperlihatkan pada Gambar 1.

1. Mekanisme translasi sebuah kodon : Tabel (atau “kamus”) berikut ini dapat

digunakan untuk mentranslasikan rangkaian kodon apapun dan juga untuk

menentukan asam amino mana yang harus dikode oleh rangkaian mRNA.

Sebagai contoh, kodon 5'-AUG-3' mengode metionin. Enam puluh satu dari

64 kodon mengode 20 asam amino yang lazim.

2. Kodon terminasi (“stop” atau “nonsense”): Tiga kodon, UAG, UGA,

UAA, tidak mengode asam amino tetapi lebih merupakan kodon terminasi.

Ketika salah satu kodon tersebut, tampak pada rangkaian pada rangkaian

mRNA, kodon tersebut akan meberikan sinyal yang menyatakan bahwa

sintesis rantai peptida yang dikode oleh rangkaian mRNA telah selesai.

II. KOMPONEN YANG DIBUTUHKAN UNTUK TRANSLASI

Sejumlah besar komponen diperlukan untuk sintesis rantai polipeptida. Komponen ini

meliputi sejumlah besar asam amino yang ditemukan di dalam produk akhir, mRNA

yang harus ditranslasikan, tRNA, ribosom fungsional, sumber energy dan enzim, serta

factor-faktor protein yang dibutuhkan untuk inisiasi, elongasi, dan terminasi rantai

polipeptida.

A. Asam amino

Semua asam amino yang akhirnya muncul di dalam protein yang terbentuk harus

tersedia saat sintesis protein. Jika satu asam amino hilang (contohnya, jika diet

tidak mengandung asam amino esensial), asam amino tersebut akan tersedia dalam

jumlah terbatas didalam sel sehingga, translasi akan berhenti pada kodon yang

menentukan asam amino tersebut. Hal ini menunjukkan pentingnya memiliki

semua asam amino esensial dalam jumlah yang cukup di dalam makanan untuk

memastikan bahwa sintesis protein terus berlanjut.

B. RNA transfer (tRNA)

Setidaknya satu jenis tRNA spesifik dibutuhkan untuk setiap asam amino. Pada

manusia, terdapat sedikitnya 50 jenis tRNA. Karena hanya terdapat 20 asam amino

berbeda yang umumnya dibawa oleh tRNA, beberapa asam amino mempunyai

lebih dari satu molekul tRNA yang spesifik. Hal ini khususnya terdapat pada asam

amino yang dikode oleh beberapa kodon.

1. Tempat perlekatan asam amino: Setiap molekul tRNA mempunyai satu

tempat perlekatan untuk setiap asam amino spesifik di ujung 3'-nya. Asam

amino yang melekat pada molekul tRNA dianggap teraktivasi.

2. Antikodon: Setiap molekul tRNA juga mengandung rangkaian nukleotida tiga-

basa – antikodon – yang mengenali kodon spesifik pada mRNA. Kodon ini

menentukan insersi ke dalam rantai peptide asam amino (dibawa oleh molekul

tRNA tersebut) yang sedang tumbuh. Karena kemampuannya membawa asam

amino yang spesifik dan mengenali kodon untuk asam amino tersebut, tRNA

disebut sebagai molekul adaptor)

C. Aminoasil-tRNA sintetase

Famili enzim ini dibutuhkan untuk melekatkan asam amino pada tRNA yang

sesuai. Setiap anggota famili enzim ini mengenali asam amino yang spesifik dan

tRNA yang berhubungan dengan asam amino tersebut. Karena itu, enzim-enzim ini

mengimplementasikan kode genetik karena enzim ini bertindak sebagai kamus

molecular yang dapat membaca kode 3 huruf asam nukleat dan kode 20-huruf

asam amino. Setiap aminoasil-tRNA sintetase mengatalisis reaksi 2 tahap yang

menghasilkan perlekatan kovalen gugus karboksil dari asam amino ke ujung 3'

tRNA yang sesuai.

D. RNA Messenger (mRNA)

mRNA khusus yang dibutuhkan sebagai cetakan untuk sintesis rantai polipeptida

yang diinginkan harus tersedia.

E. Ribosom yang kompeten secara fungsional

Ribosom adalah kompleks protein dan rRNA yang besar. Ribosom terdiri dari 2

subunit—1 besar dan 1 kecil—yang ukurannya relative diberikan sesuai koefisien

sedimen atau nilai S (Svedberg). Ribosom prokariotik subunit 50S dan 30S

keduanya membentuk ribosom dengan nilai 70S. Ribosom eukariotik subunit 60S

dan 40S membentuk ribosom 80S. Ribosom prokariotik dan eukariotik mempunyai

struktur dan fungsi yang serupa, dan disebut sebagai “pabrik” tempat terjadinya

sintesis protein.

F. Faktor protein

Faktor inisiasi, elongasi, dan terminasi (atau pelepasan) dibutuhkan untuk sintesis

peptida. Beberapa factor protein ini melaksanakan fungsi katalisis, sementara

faktor lainnya menstabilkan pengangkat sintesis.

G. ATP dan GTP dibutuhkan sebagai sumber energi

Pemutusan empat ikatan berenergi tinggi dibutuhkan untuk penambahan satu asam

amino kedalam rantai polipeptida yang sedang tumbuh. Molekul ATP dan GTP

dibutuhkan untuk inisiasi dan terminasi sintesis rantai polipetida.

GAMBAR 3

Formasi aminoasil-tRNA[3]

III. TAHAPAN TRANSLASI[2]

Sebagaimana transkripsi, proses translasi

dapat digambarkan dengan cara lebih

mudah bila kita membaginya menjadi 3

fase, yaitu inisiasi, elongasi dan

terminasi. Translasi adalah proses yang

dinamis dan berkesinambungan

(kontinyu), pada satu gen dapat terjadi

proses inisiasi, elongasi dan terminasi pada

saat yang bersamaan.

A. Inisiasi

1. Mula-mula subunit kecil ribosom harus

menempel di tempat tertentu pada

mRNA, dan dapat menempel bila ada

IF (initiation factors). Ada tiga

macam IF, yaitu : IF3, IF2, IF1, dan

GTP melekat pada IF2. Urutan tempat

menempelnya subunit kecil itu juga

dinamakan urutan Shine-Dalgarno,

mengandung hanya nukleotida purin.

Biasanya 10 bp terdapat kode

pembukaan AUG.

2. Setelah melekat, dengan bantuan

protein lain, tRNA yang telah diisi

dengan asam amino formilmethionin

masuk ke tempat P dan yang IF3

dilepas. Kodon awal AUG adalah

kodon untuk metionin, oleh karena itu, tRNA yang pertama yang melekat adalah

yang bermuatan metionin. Tetapi pada bakteria metionin ini dimodifikasi dengan

substitusi gugus formil (-COH) pada salah satu atom H sehingga menghasilkan N-

GAMBAR 3

Formasi Kompleks Inisiasi pada

bakteria [4]

formilmetionin. Substitusi ini akan memblok gugus amino pada asam amino

sehingga tidak dapat berpartisipasi dalam pembentukan ikatan peptida. Dengan

kondisi demikian maka rantai peptida hanya dapat terbentuk dengan arah amino ke

karboksil. Struktur pertama pada inisiasi terutama terdiri atas mRNA, subunit 30S,

dan tRNAfmet yang telah diaminoasilasi. Struktur ini disebut kompleks pembukaan.

3. Kompleks pembukaan selanjutnya akan dikombinasikan dengan subunit besar.

Pada proses ini IF 2 dan IF 1 akan dilepas, sedang GTP akan dihidrolisis menjadi

GDP. Peristiwa hidrolisis ini menghasilkan tenaga yang diperlukan untuk

penggabungan. Dengan menempelnya subunit besar maka aribosom ada dua

tempat yang berhubungan dengan mRNA yaitu tempat peptidil atau P, tempat

aminoasil atau A, dan satu tempat lain yang tidak dilewati mRNA yaitu E (exit).

Pada tempat P sudah terdapat tRNAfmet. Tempat A terletak pada kodon kedua dari

mRNA, masih kosong. Terbentuknya kompleks ini menandai berakhirnya inisiasi.

B. Elongasi

Tahap elongasi terbagi dalam enam langkah.

1. Kita tahu bahwa tempat A masih kosong, tempat ini akan dimasuki oleh tRNA

yang sesuai dengan pasangan kodon pada mRNA yang ada di tempat A.

2. Bila tempat A telah terisi dengan aminoasilasi tRNA maka enzim peptidil

transferase akan mengkatalisis pembentukan ikatan peptida antara asam amino

yang ada di tempat P dengan asam amino yang ada di tempat A. aktivitas

katalisasi peptidil transferase merupakan tugas dari subunit besar. Pada saat yang

sama ikatan kovalen antara asam amino dan tRNA pada tempat P akan

terhidrolisis. Hasilnya adalah dipeptida yang masih melekat pada ujung 3’ dari

tRNA pada tempat A. Sebelum pemanjangan dilanjutkan tRNA yang berada di

tempat P dan sekarang sudah tidak berisi asam amino harus dilepaskan dari

subunit besar.

3. tRNA yang tidak berisi bersama dengan ujung satu peptida bergerak ke tempat E.

gerakan ini diikuti oleh keseluruhan kompleks mRNA-tRNA-aa1-aa2 ke arah posisi

P. gerakan ini menyebabkan tempat A kosong, yang ada di A adalah triplet ketiga

mRNA.

4. Setelah tempat A kosong maka tRNA lain yang sesuai dengan triplet ketiga akan

masuk ke tempat A.

5. Pada langkah ini dibentuk ikatan peptida dibentuk ikatan peptida antara asam

amino kedua dari dipeptida yang telah ada dan berada di tempat P dengan asam

amino baru yang ada di tempat A. Maka terbentuklah tripeptida. Langkah 5

merupakan pengulangan langkah 3 sampai 4 terus-menerus.

6. Bila rantai polipeptida dengan ukuran tertentu telah terbentuk yaitu sekitar 30

asam amino, maka akan dikeluarkan dari bagian bawah subunit besar. Tetapi

keluarnya rantai polipeptida ini tidak berarti berakhirnya pemanjangan.

Pemanjangan akan terus berlangsung dengan mengulang langkah 5 dan 6.

Sebagaimana kita lihat bahwa RNA ada di subunit kecil, ini menunjukan bahwa

tugas subunit kecil adalah mengartikan kode triplet. Sedang tugas subunit besar

adalah mensintesis ikatan peptida.

C. Terminasi

Fase terakhir dari translasi adalah

terminasi. Terminasi terjadi bila yang

masuk ke tempat A adalah segmen

mRNA dengan kodon penutup. Bila

kodon tersebut masuk ke A maka

berakhirlah pemanjangan, karena tidak

ada lagi tRNA bermuatan asam amino

yang masuk. Tetapi masih ada tRNA

yang berada di tempat P, sedang

tempat A kosong. Mekanisme

pengakhiran ini dibagi menjadi dua

langkah.

GAMBAR4

A Perlekatan pada tRNA aminoasil kedua; B Formasi dari ikatan peptida pertama; C Translokasi [4]

1. Kodon stop memberi tanda GTP-dependent release factors untuk beraksi. Dengan

aksi polipeptida ini akan lepas dari tRNA terakhir (terminal).

2. Bila polipeptida telah pisah, maka tRNA tersebut akan dilepas dari ribosom, dan

selanjutnya akan berdesosiasi. Dengan demikian berakhirlah translasi.

DAFTAR PUSTAKA

1. Champe, P.C., Harvey, R.A., Ferrier, D.R., 2005, Biokimia Ulasan Bergambar Edisi 3:

Penerbit Buku Kedokteran EGC, Jakarta. pp 508, 528-534

2. Irawan, Bambang., 2008, Genetika Molekuler : Airlangga University Press, Surabaya.

pp 70-71, 101-105

3. Murray R. K, Granner D. K, Rodwell V. W. Harper’s Illustrated Biochemistry. 26th

edition [pdf] pp. 359 - 360

4. Nelson, D.L., Cox, M.M., 2005, Lehninger Principles of Biochemistry 4th Edition[pdf],

pp 1056, 1059-1060, 1062

GAMBAR 5

Terminasi sintesis protein pada bakteri [4]