MAKALAH BIOLOGI UMUM
REGULASI EKSPRESI GENETIKA
Dibuat sebagai syarat untuk memenuhi nilai mid
semester mata kuliah Biologi Umum semester I program studi Ilmu Kelautan 2010
Anggota kelompok :
·
.
·
.
·
.
·
.
·
.
·
.
UNIVERSITAS SRIWIJAYA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
PROGRAM STUDI ILMU KELAUTAN
2010
KATA PENGANTAR
Puji dan
syukur kami panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas berkat, rahmat, dan
anugerah-Nya lah kami bisa menyelesaikan makalah Biologi Umum ini yang berjudul
Regulasi Genetika. Kami juga mengucapkan terima kasih kepada dosen mata kuliah
Biologi Umum kami karena dengan pengarahan dari beliau kami dapat menyelesaikan
makalah ini.
Makalah
Biologi ini disusun dengan tujuan untuk memenuhi tugas, dan juga merupakan
salah satu syarat untuk memenuhi criteria nilai yang telah ditentukan.
Kami
menyadari bahwa makalah ini memiliki banyak kekurangan dan beberapa kesalahan
yang tidak disengaja, namun dalam hal ini kami telah mengerahkan usaha
semaksimal mungkin untuk menyelesaikan makalah ini dengan cermat. Oleh karena
itu, kritik dan saran yang membangun sangat dibutuhkan dalam penyempurnaan
makalah ini.
Demikianlah
kata pengantar yang dapat disampaikan oleh penulis, atas perhatian dan
kerjasamanya kami ucapkan terima kasih.
Inderalaya, 08 November 2010
Penulis
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Kita tahu
bahwa setiap sel memiliki satu paket utuh DNA yang merupakan resep genetik, pada manusia paket DNA ini berupa 23 pasang
kromosom. Semua resep genetik manusia ada di situ, mulai dari resep membuat
rambut, otak, mata, enzim amilase di air liur, membuat jantung, paru-paru
hingga sel-sel kuku jempol kaki semuanya ada. DNA dalam setiap sel tubuh
identik, DNA yang dianalisa dari alis bulu mata seseorang akan persis sama
dengan DNA yang diambil dari darahnya, dan ini sama dengan DNA pada sel
zygote-nya ketika telur sang ibu berhasil dibuahi sperma sang ayah.
Yang ajaib,
kok bisa sel tunggal (zygote) membelah dan tumbuh menjadi makhluk multisel
kompleks tanpa ada yang salah atau tertukar posisinya? Untunglah mata kita
tumbuh di rongga mata pada tengkorak kepala, bagaimana kalau tumbuh di kaki?
Di sinilah
letak keagungan Sang Khaliq. Meskipun resep genetik (DNA) di dalam setiap sel
sama/identik (dengan beberapa pengecualian tentunya), tapi tidak semua bagian
resep itu dibaca dan diterjemahkan secara serabutan. Setiap sel hanya membaca
bagian tertentu resep yang menjadi miliknya saja secara selektif, dan setiap
sel tahu kapan resep tersebut digunakan dan berapa banyak protein yang harus
dibuat dari resep tersebut. Ada mekanisme ON dan OFF di sini.
Begitu pula
ketika sel tunggal zygote berkembang menjadi organisme multiseluler kompleks
yang tersusun atas triliunan sel dengan variasi yang berbeda, mekanisme kerja
mesin genetik dalam sel-sel kita pastilah melibatkan proses yang memiliki
regulasi yang rumit. Jenis gen apa saja yang ON pada waktu-waktu tertentu harus
dikontrol secara presisi, begitu pula dengan jumlah protein yang dihasilkan
masing-masing sel. Ini bisa terlihat dalam tahapan perkembangan janin dalam
rahim ibu, dimana bagian kepala akan berkembang lebih dulu ketimbang bagian
kaki. Pada bayi yang baru lahir, sel-sel otaknya akan tumbuh jauh lebih cepat
dibanding sel-sel lain, akan tetapi pada usia tertentu pertumbuhan sel otak
terhenti dan justru bagian tubuh lain yang lebih berkembang.
Inilah yang
disebut sebagai regulasi dan ekspresi genetik. Sebelum membaca lebih jauh, ada
baiknya melihat dulu artikel-artikel berikut yang berkaitan dengan ekspresi
genetik.
1.2 Tujuan
Tujuan dari pembuatan makalah ini adalah untuk
menjelaskan kepada pembaca khususnya mahasiswa tentang apa itu regulasi
genetika dan bagaimana proses terjadinya regulasi genetika.
BAB II
REGULASI GENETIKA
Era penemuan materi genetik telah dibuka oleh F Miescher dengan
menggunakan mikroskop sederhana, dia telah menetapkan bahwa bahan aktif yang
ada di dalam nukleus disebut sebagai nuclein. Peneliti ini belum bisa menetapkan apakah nuclein ini
kromosom ataukah DNA. Kromosom ditemukan pada awal abad ke 19 merupakan
struktur seperti benang pada nukleus sel eukariot yang nampak pada saat sel
mulai membelah. Kromosom berjumlah diploid pada setiap selnya, dan pada
autosomal maupun seks kromosom membawa gen-gen yang berpasangan, kecuali pada
kromosom-Y.
Gambar 1. Diagram skematik kromosom, gene dan
struktur heliks DNA
Gena adalah unit heriditas suatu organisme
hidup. Gen ini dikode dalam material genetik organisme, yang kita kenal sebagai
molekul DNA, atau RNA pada beberapa virus, dan ekspresinya dipengaruhi oleh
lingkungan internal atau eksternal seperti perkembangan fisik atau perilaku
dari organisme itu.
Gena tersusun atas daerah urutan basa
nukleotida baik yang mengkode suatu informasi genetik (coding-gene region as exon) dan juga daerah yang tidak mengkode informasi
genetik (non-coding-gene region as intron ), hal ini penting untuk pembentukan suatu protein
yang fungsinya diperlukan di tingkat sel, jaringan, organ atau organisme secara
keseluruhan. Molekul DNA membawa informasi hereditas dari sel dan komponen
protein (molekul-molekul histon) dari kromosom mempunyai fungsi penting dalam
pengemasan dan pengontrolan molekul DNA yang sangat panjang sehingga dapat muat
didalam nucleus dan mudah diakses ketika dibutuhkan. Selama reproduksi, Jumlah
kromosom yang haploid dan material genetik DNA hanya separoh dari masing-masing
parental, dan disebut sebagai genom.
2.2 Struktur DNA
Pada tahun 1953, James Watson and Francis
Crick telah membuka wawasan baru tentang penemuan model struktur DNA. Publikasi
dari model double heliks DNA ini disusun berdasarkan penemuan:
1. Penemuan struktur asam nukleat dari Pauling
& Corey
2. Pola difraksi DNA (Single-crystal X-ray
analysis) dari Wilkins &
Franklin
3. Pola perbandingan jumlah A-T, G-C (1:1)
dari Chargaff atau dikenal
sebagai Hukum Ekivalen Chargaff:
· Jumlah purin sama dengan pirimidin
· Banyaknya adenin sama dengan timin, juga jumlah
glisin sama dengan sitosin.
DNA terbentuk dari empat tipe nukleotida, yang
berikatan secara kovalen membentuk rantai polinukleotida (rantai DNA atau
benang DNA) dengan tulang punggung gula-fosfat tempat melekatnya basa-basa. Dua
rantai polinukleotida saling berikatan melalui ikatan hydrogen antara basa-basa
nitrogen dari rantai yang berbeda. Semua basa berada di dalam double helix dan
tulangpunggung gula-fosfat berada di bagian luar. Purin selalu berpasangan
dengan pirimidin (A-T, G-C). Perpasangan secara komplemen tersebut memungkinkan
pasangan basa dikemas dengan susunan yang paling sesuai. Hal ini bisa terjadi
bila kedua rantai polinukleotida tersusun secara antiparalel.
Gambar2. Struktur basa
pirimidine (Cytosine, Thimine, Urasil), purine (Adenine, Guanine), Gula
pentosa, ribonucleic acid, dan deoxyribonucleic acid.
Gambar
3. Pembentukan secara skematik struktur dsDNA dari gula fosfat sebagai
‘backbone‛ dan basa nukleotida (A). Dua ikatan hidrogen dari AT dan 3 ikatan
hidrogen untuk GC (B).
Untuk memaksimumkan pengemasan pasangan basa
tersebut, kedua tulang punggung gula-fosfat tersebut berpilin membentuk double
heliks, dengan satu putaran komplementer setiap 10 pasang basa. Polaritas dari
rantai DNA ditunjukkan dengan sebutan ujung 5‛ dan ujung 3‛. Arah pembacaan
basa nukleotida dari ujung-5‛ menuju ujung-3‛.
Gambar
4. Bentuk skematik double-helix DNA
Jarak antara nukleotida satu dengan berkutnya
adalah 3.4 nm. Ujung 3‛ membawa gugus –OH bebas pada posisi 3‛ dari cincin
gula, dan ujung 5‛ membawa gugus fosfat bebas pada posisi 5‛ dari cincin gula. DNA
dobel heliks dapat dikopi secara persis karena masing-masinguntai mengandung sekuen
nukleotida yang persis berkomplemen dengan sekuen untai pasangannya.
Masing-masing untai dapat berperan sebagai
cetakan untuk sintesis dari untai komplemen baru yang identik dengan pasangan
awalnya.
Gambar 4. Jarak antara
basa nukleotida dan lekukan minor dan major dari molekul dsDNA
Gambar 4. Proses
replikasi sederhana molekul DNA.
2.3 Sintesis Protein
Proses sintesis protein terbagi atas
transkripsi dan translasi. Seperti kita ketahui DNA sebagai media untuk proses
transkripsi suatu gen berada di kromosom dan terikat oleh protein histon. Saat
menjelang proses transkripsi berjalan, biasanya didahului signal dari luar akan
kebutuhan suatu protein atau molekul lain yang dibutuhkan untuk proses
pertumbuhan, perkembangan, metabolisme, dan fungsi lain di tingkat sel maupun
jaringan. Kemudian RNA polymerase II akan mendatangi daerah regulator element dari gen
yang akan ditranskripsi. Kemudian RNA polymerase ini akan menempel (binding) di
daerah promoter spesifik dari gene yang akan disintesis proteinnya, daerah promoter
ini merupakan daerah consesus sequences, pada urutan -10 dan -35 dari titik
inisiasi (+1) yang mengandung urutan TATA-Box sebagai basal promoter. Setelah
itu, polimerase ini akan membuka titik inisiasi (kodon ATG) dari gene tersebut
dan mengkopi semua informasi secara utuh baik daerah exon maupun intron, dalam
bentuk molekul immature mRNA (messenger RNA ).
Kemudian immature
mRNA ini diolah pada proses splicing dengan menggunakan
smallnuclearRNA (snRNA) complex yang akan memotong hanya daerah intron, dan semua exon
akan disambungkan menjadi satu urutan gen utuh tanpa non-coding area dan
disebut sebagai mature mRNA .
Pada tahap berikutnya, mRNA ini diproses lebih
lanjut pada proses translasi di dalam ribosom, dalam tiga tahapan pokok yaitu
inisiasi sebagai mengawali sintesis polipeptida dari kodon AUG yang ditranslasi
sebagai asam amino methionine. Proses ini berlangsung dengan bantuan initiation
factor (IF-1, IF-2 dan IF3) dan enzim tRNA-methionine
synthethase (pada bakteri diawali oleh formylmethionine)
sehingga tRNA dan asam amino methionine membentuk ikatan cognate dan
bergerak ke ribosom tempat sintesis protein berlangsung. Langkah selanjutnya
adalah elongasi atau pemanjangan polpeptida sesuai denga urutan kodon yang
dibawa oleh mRNA.
Gambar5. Proses splicing
dari pematangan mRNA.
Pada proses elongasi ini diperlukan elongation
factor complex. Seperti juga proses inisiasi enzim tRNA-amino acid synthethase berperan dalam pembentukan cognate antara
tRNA dan asam amino lainya dari sitoplasma yang sesuai dengan urutan kodon mRNA
tersebut. Proses elongasi akan berhenti sampai kodon terminasi dan poly-adenyl
(poly-A), dan diakhiri sebagai proses terminasi yang dilakukan oleh
rho-protein. Polipeptida akan diproses sebagai molekul protein yang fungsional
setelah melalui proses posttranslation di retikulum endoplasmik (RE) hingga
tingkat jaringan.
2.4 Regulasi gen
Sebelum penemuan DNA, telah diketahui bahwa
gen adalah unit fisik dan fungsional dari hereditas yang mengandung informasi untuk
sintesis protein. Jadi gen mengandung informasi hereditas. Gen-gen membawa informasi
yang harus dikopi secara akurat untuk ditransmisikan kepada generasi
berikutnya. Sekarang pertanyaannya adalah bagaimana suatu informasi dapat
diformulasikan dalam bentuk molekul kimia? Bagaimana molekul tersebut dapat
dikopi secara akurat? Pada tahun 1940-an, peneliti menemukan bahwa informasi
genetik terutama terdiri dari instruksi untuk membentuk protein. Protein adalah
molekul makro yang berperan dalam hampir semua fungsi sel yaitu: sebagai bahan
pembangun struktur sel dan membentuk enzim-enzim yang mengkatalisis
reaksi-reaksi kimia di dalam sel; meregulasi ekspresi gen, memungkinkan sel
untuk bergerak dan berkomunikasi antar sel. Jadi fungsi paling penting dari DNA
adalah membawa gen yang mengandung informasi yang menentukan jenis protein yang
harus disintesis, kapan, dalam tipe sel yang mana, dan seberapa banyak jumlah
protein yang harus disintesis.
Dengan semakin berkembangnya pengetahuan
molekuler maka definisi dari gen adalah :
• Keseluruhan sekuen
asam nukleat yang dapat ditranskrip menjadi RNA fungsional dan protein, pada waktu dan
tempat yang tepat selama pertumbuhan dan perkembangan oraganisma.
Gambar 6. Proses sintesis
protein pada prokariota.
• Komposisi gen adalah: daerah pengkode (exon and
intron) yang
mengkode
RNA atau protein + sekuen-sekuen pengatura (Regulatory sequences: termasuk.
promoter yang menginisiasi terjadinya transkripsi, enhancer/silencer yang
menentukan tinggi rendahnya aktivitas transkripsi, polyadenylation site,
splicing sites serta signal terminasi transkripsi).
• Produk gen :
è RNA yang kemudian ditranslasi menjadi protein
è Hanya RNA seperti rRNA, tRNA, snRNA, snoRNA dan miRNA
• Satu gen mempunyai potensi menghasilkan banyak produk
karena
adanya :
è promoter-promoter yang berbeda
è alternative splicing
Gambar
7. Daerah regulasi gen, exon, intron, dan signal akhir proses transkripsi dari
gen prokariota dan eukaryota.
Sintesis
Protein
Seperti yang sudah kita ketahui tentang DNA
dan RNA, sintese dari biomolekule polymeric dapat dibedakan menjadi inisiasi,
pemanjangan, dan penghentian. Dalam proses sintesis protein tidak ada
perkecualian. Pengaktifan precursor asam amino sebelum penggabungan ke dalam
polipeptida dan pengolahan post-translational polipeptida yang diselesaikan
melembagakan dua hal yang penting dan langkah-langkah terutama tambahan
kompleks dalam sintesis protein, dan oleh karena itu memerlukan diskusi
terpisah. Komponen selular yang diperlukan untuk masing-masing dari lima
langkah-langkah di dalam E.coli dan bakteri lain didaftarkan di Table 26-6.
Persyaratan di dalam sel-sel eukariota hampir sama. Satu ikhtisar
langkah-langkah ini akan memberikan satu garis besar yang bermanfaat diskusi
yang sedang berlangsung.
Langkah 1: Pengaktifan Asam Amino. Selama
langkah ini, yang berlangsung di dalamsitosol, bukan di ribosom, masing-masing
dari 20 asam amino adalah dihubungkan secara kovalen dengan tRNA yang spesifik
dengan memakai energi ATP. Reaksi ini dikatalisasi oleh kelompok Mg2+ -enzim pengaktif
bergantung yang disebut aminoasil-tRNA synthetases, masing-masing khusus untuk
satu asam amino dan tRNA yang sesuai. Di mana dua atau lebih tRNA ada karena
asam amino yang diuji, satu sintetase aminoasil-tRNA secara umum semuanya aminoacylates.
tRNA Aminoacylated biasanya dikenal sebagai mahluk "yang dibebankan."
Sekarang mari kita telusuri
bagaimana regulasi genetik bekerja dan apa saja yang terlibat.
Promoter
Structure of a Gene. Image from wellcome.ac.uk
Promoter adalah suatu sekuen DNA yang spesifik
terdapat sebelum daerah pengkodean yang membawa informasi untuk membuat suatu
gen ON atau OFF. Promoter dikenali oleh suatu regulatory protein dalam sel yang
akan terikat padanya sehingga mempengaruhi transkripsi gen.
Ada gen yang dalam kondisi normal tidak aktif
karena aktifitasnya diblokir oleh protein repressor. Jika pada kondisi tertentu
produksi protein dibutuhkan, maka akan ada protein inducer yang akan mengikat
protein repressor dan menginaktifkannya, akibatnya gen tadi menjadi aktif dan
membuatnya bisa ditranskripsikan.
Ada juga gen yang dalam kondisi normal justru
aktif dan ditranskripsikan secara teratur. Gen seperti ini juga punya protein
repressor tapi proteinnya lah yang tidak aktif. Jika pada kondisi tertentu
produksi protein harus dikurangi atau distop, maka protein repressor akan
dibuat berfungsi dengan kedatangan molekul corepressor yang akan membuat suatu
kompleks dengannya. Karena repressornya aktif maka aktifitas gen akan terhambat
atau berhenti.
Gambar berikut ini menunjukkan struktur gen
eukaryota, posisi promoter berada pada bagian awal gen (ujung 5′).
Alternative Splicing
Selain pemblokiran dan pengaktifan ekspresi
gen pada tahan inisiasi transkripsi, regulasi bisa juga terjadi pada tahapan
lain dari pathway gen-ke-protein (lihat lagi tentang Dogma Central di sini).
Pada tahap pasca transkripsi bisa juga terdapat “alternative splicing“,
yang mengakibatkan diproduksinya protein yang berbeda-beda dari suatu gen yang
sama pada kondisi yang berbeda.
Seperti kita tahu, pada eukaryot RNA hasil
transkripsi akan melalui tahapan pemotongan dan penyambungan (splicing)
sehingga menjadi mature RNA yang nantinya akan ditranslasi jadi protein. Nah,
titik pemotongan dan penyambungan ini bisa berbeda sehingga menghasilkann mature
RNA yang berbeda, dan otomatis protein hasil translasinya pun berbeda.
Gambaran proses splicing bisa dilihat pada
gambar struktur gen di atas. Sedangkan gambar berikut menjelaskan bagaimana
splicing bisa menghasilkan beberapa protein berbeda.
Translation initiation & modification
Tahap awal dan pasca translasi mRNA menjadi
protein juga ada regulasinya. Faktor-faktor inisiasi translasi dapat dimodulasi
dengan fosforilasi faktor inisiasi dan hubungannya dengan protein lain. Begitu
pula pasca translasi, ada modifikasi semisal glikosilasi dan asetilasi untuk
mengatur apakah suatu protein ON ataukah OFF.
Post Translational Modification. Image from csbsju.edu
Singkatnya, mesin biologis dalam tubuh kita
dan setiap makhluk hidup yang mengatur ekspresi gen mestilah merupakan suatu
sistem rumit yang bekerja pararel, sangat teratur, mampu mengetahui kapan dan
gen mana saja yang aktif atau tidak, berapa besar ekspresi yang dihasilkan dan
di sel apa saja ia harus aktif. Sungguh-sungguh luar biasa. Mengandalkan
informasi berupa urutan DNA genom yang hingga saat ini semakin banyak saja yang
terungkap tidak akan cukup, itu hanyalah resep untuk membuat protein. Tapi
untuk menjawab siapa, apa, kapan, bagaimana dan mengapa semua itu terjadi pada
berbagai proses biologis dalam tubuh kita, kita memerlukan lebih banyak lagi
informasi selain sekedar resep saja.
BAB III
KESIMPULAN DAN SARAN
3.1 Kesimpulan
Dari
pembahasan yang telah didapatkan pada makalah kami, maka kesimpulan yang dapat
ditarik adalah :
- DNA merupakan bahan
dasar gen yang mengandung informasi untuk mengendalikan kehidupan, dan
histon berfungsi untuk melindungi DNA dari kerusakan mekanis.
- Gen adalah unit
hereditas dalam makhluk hidup.
- DNA memiliki suatu
struktur yang dinamakan double helix,
dan memiliki empat macam basa yaitu C (cytosin), T (timin), A (adenin),
dan G (glisin)
- Regulasi ekspresi
genetika mengacu pada pengendalian jumlah dan waktu
penampilan dari produk fungsional gen.
- Pengendalian ekspresi sangat penting untuk memungkinkan sel untuk
menghasilkan produk gen diperlukan saat itu membutuhkan mereka, yang pada
akhirnya sel-sel ini memberikan fleksibilitas untuk beradaptasi dengan
lingkungan variabel, sinyal eksternal, kerusakan sel, dll.
3.2 Saran
Diharapkan
kepada pembaca makalah, khususnya mahasiswa untuk lebih memahami tentang
regulasi ekspresi genetika agar dapat mengerti lebih baik dalam bab pembahasan
Genetika.
DAFTAR PUSTAKA
Anonim.
Regulasi Genetika. www.news-medica.net. Diakses pada
tanggal 02 November 2010.
Anonim.
Gene Regulation. www.news-medica.net. Diakses pada
tanggal 02 November 2010.
Hardi,
Yepi. Regulasi dan Ekspresi Genetika.
www.sciencebiotech.net.
Diakses pada tanggal 03 November 2010.
Prawirohartono,
Slamet. 1996. Sains Biologi 2a untuk SMA
kelas II. Bumi Aksara : Jakarta.
Syamsuri,
Istamar dkk. 2004. Biologi Untuk SMU
Kelas XI. Erlangga : Jakarta.