REGULASI EKSPRESI GENETIKA

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.

          Alternative Splicing. Image from ncbi.nlm.nih.gov

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.