Ekspresi Gen

1.      Dogma Sentral Biologi Molekuler

 

Transkripsi DNA ke RNA ke protein: dogma ini membentuk tulang punggung dari biologi molekuler dan diwakili oleh empat tahapan utama.

1.      DNA bereplikasi dalam proses yang melibatkan banyak enzim. Proses ini disebut replikasi.

2.      Kode DNA untuk produksi mRNA selama transkripsi.

3.      Pada sel eukariotik, mRNA diproses dan bermigrasi dari nukleus ke sitoplasma.

4.      mRNA membawa kode informasi ke ribosom. Ribosom "membaca" informasi ini dan menggunakannya untuk sintesis protein. Proses ini disebut translasi. 

2.      PROSES TRANSKRIPSI

Transkripsi DNA merupakan proses pembentukan RNA dari DNA sebagai cetakan.  Proses transkripsi menghasilkan mRNA, rRNA dan tRNA.   Pembentukan RNA dilakukan oleh enzim RNA polymerase.  Proses transkripsi terdiri dari 3 tahap yaitu :

1.      Inisiasi : enzim RNA polymerase menyalin gen, sehingga pengikatan RNA polymerase terjadi pada tempat tertentu yaitu tepat didepan gen yang akan ditranskripsi.  Tempat pertemuan antara gen (DNA) dengan RNA polymerase disebut promoter.  Kemudian RNA polymerase membuka double heliks DNA.  Salah satu utas DNA berfungsi sebagai cetakan. Nukleotida promoter pada eukariot adalah 5′-GNNCAATCT-3′ dan 5′- TATAAAT-3′.  Simbul N menunjukkan nukleotida (bisa berupa A, T, G, C).  Pada prokariot, urutan promotornya adalah 5′-TTGACA-3′ dan 5′-TATAAT-3′.

2.      Elongasi : Enzim RNA polymerase bergerak sepanjang molekul DNA, membuka double heliks dan merangkai ribonukleotida ke ujung 3′ dari RNA yang sedang tumbuh.

3.      Terminasi : terjadi pada tempat tertentu.  Proses terminasi transkripsi ditandai dengan terdisosiasinya enzim RNA polymerase dari DNA dan RNA dilepaskan.

mRNA pada eukariota mengalami modifikasi sebelum ditranslasi, sedangkan pada prokariota misalnya pada bakteri, mRNA merupakan transkripsi akhir gen. mRNA yang baru ditranskrip ujung 5′nya adalah pppNpN, dimana N adalah komponen basa-gula nukleotida, p adalah fosfat. mRNA yang masak memiliki struktur 7mGpppNpN, dimana 7mG adalah nukleotida yang membawa 7 metil guanine yang ditambahkan setelah transkripsi.  Pada ujung 3′ terdapat pNpNpA(pA)npA.  Ekor poli A ini ditambahkan berkat bantuan polymerase poli (A).  tetapi mRNA yang menyandikan histon, tidak memiliki poli A.

Hasil transkripsi merupakan hasil yang memiliki intron (segmen DNA yang tidak menyandikan informasi biologi) dan harus dihilangkan, serta memiliki ekson yaitu ruas yang membawa informasi biologis. Intron dihilangkan melalui proses yang disebut splicing.  Proses splicing terjadi di nukleus.

Splicing dimulai dengan terjadinya pemutusan pada ujung 5′, selanjutnya ujung 5′ yang bebas menempelkan diri pada suatu tempat pada intron dan membentuk struktur seperti laso yang terjadi karena ikatan 5′-2′fosfodiester.  Selanjutnya tempat pemotongan pada ujung 3 terputus sehingga dua buah ekson menjadi bersatu.

rRNA dan tRNA merupakan hasil akhir dari proses transkrips, sedangkan mRNA akan mengalami translasi.

tRNA adalah molekul adaptor yang membaca urutan nukleotida pada mRNA dan mengubahnya menjadi asam amino.  Struktur molekul tRNA adalah seperti daun semanggi yang terdiri dari 5 komponen yaitu:

1. Lengan aseptor: merupakan tempat menempelnya asam amino,
2. Lengan D atau DHU: terdapat dihidrourasil pirimidin,
3. Lengan antikodon: memiliki antikodon yang basanya komplementer dengan basa pada mRNA
4. Lengan tambahan
5. Lengan TUU: mengandung T, U dan C

3. Proses Translasi.      

 Pada prokariota yang terdiri dari satu ruang, proses transkripsi dan translasi terjadi bersama-sama.  Translasi merupakan proses penerjemahan kodon-kodon pada mRNA menjadi polipeptida. Dalam proses translasi, kode genetik merupakan aturan yang penting.  Dalam kode genetic, urutan nukleotida mRNA dibawa dalam gugus tiga - tiga.  Setiap gugus tiga disebut kodon.   Dalam translasi, kodon dikenali oleh lengan antikodon yang terdapat pada tRNA.

Mekanisme translasi adalah:

1. Inisiasi.  Proses ini dimulai dari menempelnya ribosom sub unit kecil ke mRNA.  Penempelan terjadi pada tempat tertentu yaitu pada 5′-AGGAGGU-3′, sedang pada eukariot terjadi pada struktur tudung (7mGpppNpN).  Selanjutnya ribosom bergeser ke arah 3′ sampai bertemu dengan kodon AUG.  Kodon ini menjadi kodon awal.  Asam amino yang dibawa oleh tRNA awal adalah metionin.  Metionin adalah asam amino yang disandi oleh AUG.  pada bakteri, metionin diubah menjadi Nformil metionin.  Struktur gabungan antara mRNA, ribosom sub unit kecil dan tRNA-Nformil metionin disebut kompleks inisiasi.  Pada eukariot, kompleks inisiasi terbentuk dengan cara yang lebih rumit yang melibatkan banyak protein initiation factor.
2. Elongation.  Tahap selanjutnya adalah penempelan sub unit besar pada sub unit kecil menghasilkan dua tempat yang terpisah.  Tempat pertama adalah tempat P (peptidil) yang ditempati oleh tRNA-Nformil metionin.   Tempat kedua adalah tempat A (aminoasil) yang terletak pada kodon ke dua dan kosong.  Proses elongasi terjadi saat tRNA dengan antikodon dan asam amino yang tepat masuk ke tempat A.  Akibatnya kedua tempat di ribosom terisi, lalu terjadi ikatan peptide antara kedua asam amino.  Ikatan tRNA dengan Nformil metionin lalu lepas, sehingga kedua asam amino yang berangkai berada pada tempat A.  Ribosom kemudian bergeser sehingga asam amino-asam amino-tRNA berada pada tempat P dan tempat A menjadi kosong.  Selanjutnya tRNA dengan antikodon yang tepat dengan kodon ketiga akan masuk ke tempat A, dan proses berlanjut seperti sebelumnya.
3. Terminasi.  Proses translasi akan berhenti bila tempat A bertemu kodon akhir yaitu UAA, UAG, UGA.   Kodon-kodon ini tidak memiliki tRNA yang membawa antikodon yang sesuai.  Selanjutnya masuklah release factor (RF) ke tempat A dan melepaska rantai polipeptida yang terbentuk dari tRNA yang terakhir.  Kemudian ribosom berubah menjadi sub unit kecil dan besar.

4.        KODE GENETIK

Kode genetik yang pertama berhasil dipecahkan adalah UUU untuk asam amino Phenylalanine (Phe/F) Menyusul kemudian kode genetik untuk ke-19 asam amino lainnya. Berikut ini adalah kode genetik untuk ke-20 asam amino. Kode genetik di bawah ini disusun berdasarkan kodon RNA:

Amino Acid	3-letter code	1-letter code	Codon, Genetic Code
Alanine	Ala	A	GCU, GCC, GCA, GCG
Arginine	Arg	R	CGU, CGC, CGA, CGG, AGA, AGG
Asparagine	Asn	N	AAU, AAC
Aspartic acid	Asp	D	GAU, GAC
Cysteine	Cys	C	UGU, UGC
Glutamine	Gln	Q	CAA, CAG
Glutamic acid	Glu	E	GAA, GAG
Glycine	Gly	G	GGU, GGC, GGA, GGG
Histidine	His	H	CAU, CAC
Isoleucine	Ile	I	AUU, AUC, AUA
Leucine	Leu	L	UUA, UUG, CUU, CUC, CUA, CUG
Lysine	Lys	K	AAA, AAG
Methionine	Met	M	AUG
Phenylalanine	Phe	F	UUU, UUC
Proline	Pro	P	CCU, CCC, CCA, CCG
Serine	Ser	S	UCU, UCC, UCA, UCG, AGU,AGC
Threonine	Thr	T	ACU, ACC, ACA, ACG
Tryptophan	Trp	W	UGG
Tyrosine	Tyr	Y	UAU, UAC
Valine	Val	V	GUU, GUC, GUA, GUG
Start			AUG *
Stop			UAG (amber), UGA (opal), UAA (ochre)

* AUG adalah start codon yang paling umum. Alternatif start codon lain misalnya CUG pada eukaryotes dan GUG pada prokaryotes.

Table di atas bisa juga disajikan dalam bentuk tabel Kodon RNA seperti ini:

 Gen tertentu membawa informasi yang dibutuhkan untuk membuat protein dan informasi itulah yang disebut sebagai kode genetik. Dengan kata lain, kode genetik adalah cara pengkodean urutan nukleotida pada DNA atau RNA utnuk menentukan urutan asam amino pada saat sintesis protein. Informasi pada kode genetik ditentukan oleh basa nitrogen pada rantai DNA yang akan menentukan susunan asam amino.

Dalam tahun 1968 nirenberg, khorana dan Holley menerima hadiah nobel untuk penelitian mereka yang sukses menciptakan kode-kode genetik yang hingga sekarang kita kenal. Seperti kita ketahui asam amino dikenal ada 20 macam. Yang menjadi masalah bagaimana 4 basa nitrogen ini dapat mengkode 20 macam asam amino yang diperlukan untuk mengontrol semua aktifitas sel?

Para peneliti melakukan penelitian pada bakteri E. Coli mula mula digunakan basa nitrogen singlet maka diperoleh 4 asam amino saja yang dapat diterjemahkan padahal ke 20 asam amino ini harus diterjemahkan semua agar protein yang dihasilkan dapat digunakan, kemudian para ilmuwan mencobalagi dengan kodon duplet dan baru dapat untuk menterjemahlkan 16 asam amino ini pun belum cukup juga. Kemudian dicoba dengan triplet dan dapat menterjemahkan 64 asam amino hal ini tidak mengapa sekalipun melebihi 20 asam amino toh dari 64 asam amino yang diterjemahkan ada yang memilii simbul/fungsi yang sama diantaranya (kodon asam assparat(GAU dan GAS) sama dengan asam
asam tirosin(UAU,UAS) sama juga dengan triptopan (UGG) bahkan ini sangat menguntungkan pada proses pembentukkan protein karena dapat menggantikan asam amino yang kemungkinan rusan selain itu dari 20 asam amino diantaranya ada yang berfungsi sebagai agen pemotong gen atau tidak dapat bersambung lagi dengan doubel helix asam amino yang berfungsi sebagai agen pemotong gen diantaranya (UAA,UAG,UGA)
beberapa sifat dari kode triplet diantaranya :

1.      Kode genetik ini mempunyai banyak sinonim sehingga hampir setiap asam amino dinyatakan oleh lebih dari sebuah kodon. Contoh semua kodon yang diawali dengan SS memperinci prolin,(SSU,SSS,SSA dan SSG) semua kodon yang diawali dengan AS memperinci treosin(ASU,ASS,ASA,ASG).

2.      Tidak tumpang tindih,artinya tiada satu basa tungggalpun yang dapat mengambil bagian dalam pembentukan lebih dari satu kodon,sehingga 64 itu berbeda-beda nukleotidanya.

3.      Kode genetik dapat mempunyai dua arti yaitu kodon yang sama dapat memperinci lebih dari satu asam amino.

4.      Kode genetik itu ternyata universal. Tiap triplet yang mewakili informasi bagi suatu asam amino tertentu dinyatakan sebagai kodon.Kode genetika bersifat degeneratif dikarenakan 18 dan 20 macam asam amino ditentukan oleh lebih dari satu kodon, yang disebut kodon sinonimus.Hanya metionin dan triptofan yang memiliki kodon tunggal. Kodon sinonimus tidak ditempatkan secara acak, tetapi dikelompokkan.Kodon sinnonimus memiliki perbedaan pada urutan basa ketiga.