Pendahuluan
Setiap sel organisme mengandung materi genetik. Materi genetik tersebut terdapat di berbagai sel di seluruh tubuh, misalnya pada sel-seldarah, sel tulang, sel gamet dan lain-lain, tepatnya materi genetik tersebut berada di dalam nukleus. Peranan materi genetika tersebut adalah untuk mengatur pewarisan sifat kepada keturunannya, misalnya mengatur bentuk rambut, warna kulit, susunan darah, dan lain-lain.
Pada materi ini kita akan mempelajari tentang materi genetik (meliputi kromosom, DNA, RNA, dan gen) serta mempelajari tahapan sintesis protein.
Istilah kromosom diambil dari bahasa Yunani chroma = warna dan soma = badan.
Pertama kali ditemukan oleh W. Waldeyer pada tahun 1888.Kromosom terdapat pada nukleus (inti sel) setiap sel.
Kromosom dapatdiamati dengan jelas pada tahap metafase saat pembelahan mitosis maupun meiosis. Pada saat tidak membelah diri, di dalam nukleus tidak terbentuk badan kromosom, tetapi dalam bentuk benang-benang yang terurai yang disebut benang kromatin.Struktur kromatin seperti jala, tersusun atas benang-benang halus yang dapat menyerap zat warna. Jika sel sedang membelah (pembelahan sel akan dibahas pada bab selanjutnya), benang-benang kromatin ini memendek dan menebal membentuk struktur yang disebutkromosom (lihat gambar 2).
Gambar 2. Bagian-bagian penyusun kromosom
Sumber: Biologi. Reaven Johnson dalam Kistinnah, Biolologi kelas XII BSE
Berdasarkan fungsinya, kromosom dapat dibedakan menjadi dua macam, yaitu sebagai berikut:
2.1. Kromosom
1. Kromosom tubuh (Autosom) adalah kromosom yang mengendalikan sifat-sifat tubuh, seperti warna mata, warna kulit, tinggi badan, dan lain-lainnya. Jumlah autosom pada sebagian besar organisme adalah sama.
2. Kromosom seks (gonosom) adalah kromosom yang menentukan jenis kelamin, contohnya X dan Y. Kromosom X berbentuk lurus, sedangkan kromosom Y berbentuk bengkok pada ujungnya.
Kromosom dalam suatu spesies memiliki pola tampilan tertentu yang disebut kariotipe seperti yang di perlihatkan pada gambar 3. Kromosom di dalam sel tubuh pada suatu individu terlihat berpasangan disebut dengan kromosom homolog. Kromosom homolog berasal dari kedua induknya sehingga memiliki bentuk, ukuran dan komposisi yang berbeda-beda.
Pasangan kromosom homolog disebut genom atau ploidi (perangkat/set).
Gambar 3. Kariotipe pada manusia (wanita)
Sumber: Suryo, Genetika Manusia dalam Rochmah, Biologi kelas XII BSE
a. Struktur Kromosom
Makhluk hidup yang ada di alam ini tidak semuanya mempunyai struktur kromosom yang sama dengan kromosom manusia. Bakteri dan virus mempunyai kromosom sirkuler (membulat). Kromosom pada sel prokariotik hanya memiliki satu kromosom dantidak terletak di dalam inti sel sedangkan kromosom sel eukariotik, jumlahnya bervariasi menurut jenis organisme dan terdapat di dalam nukleus.
Untuk pengamatan struktur kromosom biasanya digunakan kelenjar air liur lalat buah (Drosophila melanogaster) kromosom tersebut digunakan karena lebih besar daripada kromosom makhluk hidup lainnya. Sehingga disebut kromosom raksasa. Sel tubuh lalat buah hanya berjumlah 4 pasang yang terdiri atas 3 pasang autosom dan 1 pasang gonosom (lihat gambar 4).
Gambar 4. Drosophila melanogaster dan kariotipenya
Sumber: Suryo, Genetika Manusia dalam Sembiring, Biologi kelas XII BSE Umumnya kromosom memiliki susunan kimia yang terdiri dari kromatin 60%, protein 35%, DNA, dan RNA 5%. Protein terdiri dari histon dan nonhiston (bersifat netral atau asam).
Kromosom memiliki beberapa enzim yang terlibat dalam sintesis DNA dan RNA.Seperti pada gambar 5, Kromosom mempunyai 2 bagian utama yaitu sentromer dan lengan (kromatid).
Gambar 5. Struktur kromosom dari samping.
Sumber: Ilustrasi Haryana dalam Kistinnah, Biologi kelas XII BSE 1. Sentromer
Sentromer merupakan bagian kepala kromosom berbentuk bulat yang merupakan pusat kromosom dan membagi kromosom menjadi dua lengan. Bagian ini merupakan daerah penyempitan pertama pada kromosom yangkhusus dan tetap.Daerah ini disebut juga kinetokoratau tempat melekatnya benang-benang gelendong (spindle fober). Elemen-elemen ini berfungsi untuk menggerakkan kromosom selama mitosis atau sebagian dari mitosis.
Pembelahan sentromer ini akan memulai gerakan kromatid pada masa anafase.
2. Lengan (Kromatid)
Bagian lengan ini merupakan bagian badan utama kromosom yang mengandung kromosom dan gen. Umumnya jumlah lengan pada kromosom dua, tetapi ada juga beberapa yang hanya berjumlah satu. Lengan dibungkus oleh selaput tipis dan di dalamnya terdapat matriks yang berisi cairan bening yang mengisi seluruh bagian lengan. Cairan ini mengandung benang benang halus berpilin yang disebut kromonema.
Bagian kromonema(jamak = kromonemata)yang mengalami pembelahan disebut kromomer yang berfungsi untuk membawa sifat keturunan sehingga disebut sebagai lokus gen.
Pada bagian ujung kromosom, terdapat telomer yang berfungsi untuk menghalangi agar tidak terjadi perlekatan antarkromosom dan menjaga agar DNA di dalamnya tidak mudah terurai.Pada bagian ujung kromosom terdapat suatu tambahan yang disebut satelit.
b. Ukuran, Bentuk, dan Jumlah Kromosom 1. Ukuran dan Bentuk Kromosom
Ukuran kromosom kadang-kadang berhubungan dengan jumlah kromosom. Apabila jumlah kromosomnya sedikit, biasanya kromosomnya lebih panjang. Rata-rata ukuran panjang kromosom adalah 0,2 – 0,5µm dengan diameter 0,2 - 20µm. Pada umumnya ukuran kromosom tumbuhan berukuran lebih besar dibandingkan dengan kromosom hewan.
Kromosom memiliki jumlah sentromer yang bervariasi. Berdasarkan jumlah sentromernya, bentuk kromosom dapat dibedakan menjadi empatmacam, yaitu sebagai berikut.
a. Asentrik, kromosom yang tidak memiliki sentromer.
b. Monosentris, kromosom yang hanya memiliki sebuah sentromer.
c. Disentris, kromosom yang memiliki dua sentromer.
d. Polisentris, kromosom yang memiliki banyak sentromer.
Perhatikan gambar 6 dan 7, berdasarkan letak sentromernya, kromosom dibedakan menjadi empat bentuk, yaitu metasentris, submetasentris, akrosentris, dan telosentris.
a. Metasentris, sentromer terletak di tengah-tengah kromosom sehingga kromosom berbentuk seperti huruf V.
b. Submetasentris, sentromer terletak submedian atau kira-kira ke arah salah satu ujung kromosom. Bentuk kromosom seperti huruf J.
c. Akrosentris, sentromer terletak pada subterminal atau di dekat ujung kromosom. Satu lengan kromosom sangat pendek dan satu lengan lainnya sangat panjang. Bentuk kromosom lurus atau seperti batang.
d. Telosentris, sentromer terletak pada ujung kromosom. Kromosom hanya memiliki satu lengan saja.
Gambar 6. Bentuk kromosom berdasarkan letak sentromernya.
Sumber: Sembiring, Biologi kelas XII BSE
Gambar 7. Bentuk-bentuk kromosom 2. Jumlah Kromosom
Semua makhluk hidup eukariotik memiliki jumlah kromosom yang berbeda-beda. Pada sel tubuh atau sel somatis, jumlah kromosom umumnya selalu genap, karena kromosom sel tubuh selalu berpasangan. Jumlah kromosom sel somatis tersebut terdiri atas 2 set kromosom (diploid, 2n), dari induk jantan dan induk betina.
Jumlah kromosom sel somatis tumbuhan, hewan, dan manusia berbeda satu sama lain.
Pada mamalia misalnya, sel somatis (diploid) manusia mengandung 46 buah kromosom, sedangkan simpanse 48 kromosom.
Tabel 1 menggambarkan macam-macam jumlah kromosom pada makhluk hidup.
c. Gen Sebagai Bagian dari Kromosom
Gen adalah unit terkecil dari materi genetik yang mengendalikan sifat-sifat hereditas suatu organisme.Istilah gen dikemukakan oleh W. Johannsen (1898) untuk mengganti istilah faktor, elemen, atau determinan pada zaman Mendell. fungsi gen sebagai berikut.
a. Mengatur pertumbuhan/perkembangan dan metabolisme individu.
b. Menyampaikan informasi genetik dari generasi ke generasi berikutnya.
c. Menentukan sifat-sifat pada keturunannya.
Gen terletak di dalam kromosom, yaitu di suatu tempat yang disebut dengan lokus. Lokus- lokus ini digambarkan sebagai garis-garis pendek yang horizontal di sepanjang kromosom yang digambarkan sebagai garis panjang vertikal seperti terlihat pada Gambar 8.
Gambar 8. Bentuk lokus
Sumber: Kistinnah, Biologi kelas XII BSE
Pasangan gen yang terdapat pada kromosom homolog disebut dengan Alel. Alel menunjukkan sifat alternatif sesamanya. Contoh sifat alternatif sesamanya adalah alel B menetukan sifat bentuk biji bulat, sedangkan bentuk alel b kecil menunjukkan sifat bentuk biji keriput.Alel dapat memiliki tugas yang sama atau berlawanan untuksuatu pekerjaan tertentu.
Alel yang mempunyai tugas yang sama disebut alel homozigot. Sedangkan, alel yang tugasnya berbeda disebut alel heterozigot.
Gambar 9. Pasangan alel Heterozigot
Seri alel atau pasangan gen yang memiliki lebih dari dua anggota alel, misalnya tiga atau empat alel disebut alel ganda (multiple alelo murphi).Contoh alel ganda terdapat pada golongan darah manusia dan warna bulu pada kelinci.
Warna bulu kelinci dipengaruhi oleh empat alel yaitu W, Wch, Wh, w yang keempatnya berada pada lokus yang sama, di mana:
Alel : W : warna bulu normal (hitam) Wch: warna bulu normal Chinchilia (kelabu) Wh : warna bulu Himalaya (coklat)
w : warna bulu albino (putih)
Genotipe Fenotipe
Hitam (Normal) WW, WWch, WWh,Ww Kelabu (Chichilia) WchWch, WchWh, Wch, w Coklat (Himalaya) WhWh, Wchw
Putih (Albino) Ww
Pasangan gen dalam kromosom homolog suatu individu disebut genotipe. Gen dominan dilambangkan dengan huruf besar (misalnya A, B, C), sedangkan gen resepif dilambangkan dengan huruf kecil (misalnya a, b, c). Ekspresi gen dominan akan menutupi ekspresi gen resesif. Ekspresi gen tersebut mempengaruhi penampakan sifat-sifat yang disebut fenotid.
Contohnya gen B menampakkan sifat biji bulat dan gen b menampakkan sifat keriput.
d. Fungsi Kromosom
Kromosom berfungsi membawa sifat individu dan membawa informasi genetika, karena di dalam kromosom mengandung gen. Menurut hukum Mendel, gen dalam kromosom terdapat dalam keadaan berpasangan dan anggota pasangan itu diperoleh dari parental (induk). Pada waktu pembelahan meiosis, pasangan kromosom tersebut berpisah dan hanya satu anggota dari setiap pasangan itu yang berpindah ke sel kelamin.
2.2.1. DNA
Dioxyribo Nucleic Acid (DNA) atau Asam Deoksiribo Nukleat merupakan senyawa kimia yang terdapat di dalam inti sel.DNA pertama kali ditemukan oleh F. Miescher(1869) dari sel spermatozoa dan sel eritrosit burung, selanjutnya dinamakan sebagai nuklein.
2.2. DNA dan RNA
DNA dapat ditemukan pada organel mitokondria, plastida, dan sitoplasma (dalam jumlah yang sedikit). DNA merupakan komponen yang ditemukan secara ekslusif di dalam kromosom dan mempunyai sifat antara lain:
1. Merupakan material kromosom sebagai pembawa informasi genetik, melalui aktivitas pembelahan sel.
2. Tebalnya 20 Å (Amstrong) dan panjangnya beribu-ribu Å (1 Å = 10-10 meter).
3. Dapat melakukan replikasi, yaitu membentuk turunan atau menggandakan diri. DNA hasil replikasi ( DNA anak) memiliki urutan basa yang identik dengan yang dimiliki oleh heliks ganda parental ( DNA induk).
4. Pada sel organisme prokariotik (bakteri), DNA berantai tunggal. Pada sel eukariotik, DNA berupa heliks (rantai) ganda.
5. Pada suhu mendekati titik didih atau pada pH yang ekstrim (kurang dari 3 atau lebih dari 10), DNA mengalami denaturasi (membuka). Jika lingkungan dikembalikan seperti semula, DNA dapat kembali membentuk heliks ganda, disebut renaturasi.
a. Struktur DNA
DNA merupakan suatu polimer nukleotida ganda yang berpilin ke arah kanan (double heliks). DNA merupakan suatu polimer yang terdiri atas nukleotida-nukleotida dengan jumlah ratusan atau ribuan. Setiap nukleotida terdiri dari 1 gugus fosfat, 1 basa nitrogen, dan 1 gula pentosa.
1. Gugus fosfat (PO4-); berfungsi untuk mengikat molekul gula satu dengangula yang lain.
2. Basa nitrogen ini terikat pada setiap molekul gula. Basa nitrogen dibedakan menjadi dua.
a. Basa Purin
Basa purin dengan struktur cincin ganda yaitu Adenin (A) dan Guanin (G) seperti terlihat pada Gambar 10.
Gambar 10. Ruang bangun Purin: Adenin dan Guanin
Sumber: haryana dalam Kistinnah, Biologi SMA kelas XII BSE b. Basa pirimidin
Basa pirimidin dengan struktur cincin tunggal yaitu Timin (T) dan Sitosin (S) seperti terlihat pada Gambar
Gambar 11. Ruang bangun Pirimidin: Sitosin dan Timin Sumber: haryana dalam Kistinnah, Biologi SMA kelas XII BSE
3. Gula pentosa deoksiribosa; berfungsi untuk membentuk rangkaian gula fosfat yang merupakan tulangpunggung atau kekuatan dari struktur double helix DNA.
Basa nitrogen yang terdiri atas purin (Adenin dan Guanin) dan pirimidin (Sitosin dan Timin) akan membentuk rangkaian senyawa kimia dengan gulapentosa, membentuk nukleosida/deoksirobonukleosida. Nukleosida bersenyawa dengan gugus fosfat membentuk nukleotida, yang mempunyai bentuk rantai panjang.Nukleotida-nukleotida tersebut membentuk rantai panjang yang disebut polinukleotida. Antara rantai polinukleotida satu dengan yang lainnya saling berhubungan pada bagian basa nitrogen.
Perhatikan gambar 12, Struktur heliks ganda DNA diilustrasikan sebagai “tangga tali terpilin” hal ini berdasarkan hasil analisis refraksi sinar X oleh kristal DNA, James Watson (Amerika) dan Francis Crick (Inggris) pada 1953. Fosfat dari suatu nukleotida akan membentuk ikatan fosfodiester dengan gula dari nukleotida berikutnya. Ikatan gula dengan fosfat tersebut diilustrasikan sebagai “tulang belakang” (back bone) gula fosfat atau ibu tangga. Sementara itu, basa nitrogen purin pada satu nulkeotida akan membentuk ikatan hidrogen sebagai pasangan tetap dengan pirimidin dari nukleotida lainnya. Ikatan basa nitrogen purin-pirimidin diilustrasikan sebagai “anak tangga”. Pasangan tetap basa nitrogen purin-pirimidin, yaitu sebagai berikut.
a. Guanin (G) – Sitosin (C atau S) b. Adenin (A) – Timin (T)
Adenin (A) dengan timin (T) membentuk dua ikatan hidrogen (A=T), sedangkan guanin (G) dengan sitosin (C) membentuk tiga ikatan hidrogen (G≡C).
DNA dapat menentukan sifat genetik suatu individu karena setiap makhluk hidup mempunyai urutan pasanganbasa yang spesifik dan berbeda dengan yang lain. Perbedaan urutan pasangan basa antar individu dapat dilihat pada saat sequence(proses pengurutan basa) dalam analisis DNA. Namun, terdapat suatu keteraturan, yaitu jumlah timin sama atau hampir sama dengan jumlah adenin. Jumlah sitosin sama atau hampir sama dengan jumlah guanin.
Contohnya DNA manusia mengandung adenin = 30,9%, timin = 29,4%, guanin =19,9% dan sitosin = 19,8%.
Gambar 13. Polaritas (kutub) di kedua ujung untai polinukleotida yang berlawanan Sumber: Watson, DNA Rekombinandalam Rochmah Biologi SMA kelas XII BSE DNA heliks ganda mempunyai polaritas (kutub) di kedua ujung untai polinukleotida yang berlawanan. Ujung salah satu untai polinukleotidanya merupakan ikatan antara gugus fosfat dengan gula deoksiribosa pada atom karbon nomor 5 (5´= primer) dan ujung lainnya merupakan ikatan antara gugus hidroksil (OH) dengan gula deoksiribosa atom karbon nomor 3 (3´ = primer). Kedua untai polinukleotida berjajar membentuk heliks ganda secara antiparalel untuk lebih jelas lihat gambar 13.
A. Fungsi DNA
1. Pembawa informasi genetis
DNA sebagai bentuk kimiawi gen merupakan pembawa informasigenetik makhluk hidup. DNA membawa instruksi bagi pembentukan ciridan sifat makhluk hidup.
2. Berperan dalam duplikasi diri dan pewarisan sifat
Oleh karena DNA mengandung semua informasi sifat makhluk hidup,ia juga harus memiliki informasi bagi perbanyakan diri (replikasi). Replikasi DNA memberikan jalan bagi DNA untuk diwariskan dari satu sel ke sel lainnya. Replikasi DNA disebut juga autokatalis.
3. Ekspresi informasi genetik
Gen-gen membawa informasi untuk membentuk protein tertentu.Proses ini terjadi melalui mekanisme sintesis protein. Proses pembentukan protein ini terjadi melalui proses transkripsi DNA menjadi RNA dan translasi RNA membentuk rantai polipeptida.
4. Sebagai heterokatalis, yaitu kemampuan DNA untuk dapat mensintesis senyawa lain.
B. Replikasi DNA
DNA mempunyai kemampuan untuk mengadakan replikasi, yaitumemperbanyak diri atau menggandakan diri. Peristiwa ini terjadi mendahuluipenggandaan kromosom, berlangsung pada waktu interfase, yaitu pada saat sel siap untuk melakukan pembelahan. Tujuan replikasi DNA adalah agar sel anakan hasil pembelahan mengandung DNA yang identik dengan DNA sel induknya. Kesalahan dalam replikasi DNA dapat mengakhibatkan perubahan pada sifat sel- sel anakan.
1. Model Replikasi DNA
Para ahli mengemukakan tiga model mekanisme replikasi DNA, yaitu sebagai berikut (perhatikan gambar 14):
a. Model Konservatif
Kedua untai polinukleotida induk atau yang lama tidak berubah dan berfungsi sebagai cetakan. Jadi, heliks ganda DNA baru tidak mengandung polinukleotida lama.
b. Model Semikonservatif
Replikasi semikonservatif ini melalui cara, yaitu pita double heliks DNA induk terpisah, kemudian mensintesis pita DNA yang baru dengan cara melengkapi (komplementasi) pada masing-masing pita DNA induk tersebut.
c. Model Dispersif
Dispersif ini melalui cara, yaitu kedua pita double heliks induk terputus membentuk segmen-segmen pita DNA yang baru, kemudian segmen pita DNA induk akan disambung dengan segmen pita DNA baru. Sehingga pada peristiwa ini hasil akhirnya adalah segmen pita DNA induk dengan segmen pita DNA yang baru yang tersebar pada pita double heliks DNA yang terbentuk.
Dari ketiga model replikasi DNA tersebut, model semikonservatiflah yang lebih diyakini kebenarannya. Hal ini telah dibuktikan oleh Matthew Meselson dan Franklin Stahldengan percobaan pembiakan bakteri Escherichia colihingga beberapa generasi dalam medium yang mengandung isotop nitrogen berat 15N, kemudian memindahkannya ke dalam medium isotop nitrogen ringan 14N.
Gambar 14. Model replikasi DNA: (a) konservatif, (b) semikonservatif, (c) dispertif
Sumber: Campbell, Reece, & Mitchell, Biologi 1 dalam Rochmah, Biologi kelas XII BSE.
2. Mekanisme Replikasi DNA
Replikasi DNA terjadi di dalam nukleus. Sumber energinya berasal dari nukleosida trifosfat (nukleotida dengan 3 gugus fosfat). Replikasi DNA dikatalis oleh beberapa enzim, antara lain sebagai berikut.
a. Helikase, berfungsi memutuskan ikatan-ikatan hidrogen untuk membuka heliks ganda DNA menjadi dua untai tunggal.
b. Singel-strand binding protein, menjaga agar hidrogen yang dipisah oleh helikase tidak bersatu kembali.
c. RNA primase, untuk menggabungkan nukleotida-nukleotida RNA agar dapat membentuk primer (kelas lain asam nukleat)
d. DNA polimerase, berfungsi menggabungkan nukleotida-nukleotida menjadi polimer DNA yang panjang.
e. DNA ligase, berfungsi menyambungkan fragmen-fragmen DNA (fragmen Okazaki) yang baru terbentuk sehingga menjadi untaian DNA yang lengkap.
Mekanisme replikasi DNA adalah sebagai berikut (lihat gambar 15).
a. Helikase membuka heliks ganda DNA induk.
b. Protein pengikat untai tunggal menstabilkan DNA induk yang terbuka.
c. Untai utama (leading strand) disintesis secara terus-menerus pada arah 5’ 3’ oleh DNA polimerase. Pembentukan leading strand dimulai dari satu primer RNA yang disintesis oleh enzim primase. Primer RNA bukanlah DNA tetapi potongan pendek RNA. DNA polimerase kemudian menggantikan nukleotida primer RNA dengan DNA.
d. Untuk memanjangkan untai baru DNA yang lain, DNA polimerase harus bekerja di sepanjang cetakan yang jauh dari cabang replikasi. Untai DNA yang disintesis pada arah ini disebut lagging strand (untai lamban). Lagging strand disintesis secara tidak kontinu. Enzim primase menyintesis primer-primer RNA pendek yang kemudian diperpanjang oleh DNA polimerase membentuk fragmen Okazaki.
e. Setelah primer RNA diganti menjadi DNA oleh DNA polimerase yang lainnya, DNA ligase menggabungkan fragmen Okazaki ke untai yang sedang tumbuh.
Sumber: Campbell, Reece, & Mitchell, Biologi 1 dalam Rochmah, Biologi kelas XII BSE 2.2.2. RNA
Bahan genetik, selain DNA adalah RNA. Di dalam inti sel makhluk hidup, baik sel prokariotik maupun sel eukariotik terdapat asam nukleat yang berupa DNA dan RNA. Tetapi beberapa virus tidak memiliki DNA, sehingga hanya memiliki RNA saja, maka dalam hal ini fungsi RNA menjadi sama dengan DNA, baik sebagai materi genetik maupun dalam mengatur aktivitas sel.
A. Struktur RNA
RNA (ribonucleic acid) adalah makromolekul polinukleotida yang berbentuk untai tunggal. RNA berperan dalam sintesis protein. RNA memiliki untai polimer yang lebih pendek dari pada DNA karena dibentuk melalui transkripsi fragmen-fragmen DNA. Keberadaan RNA di dalam sel tidak tetap karena RNA mudah terurai dan harus diproduksi kembali. Komponen penyusun RNA, yaitu sebagai berikut.
1. Gula ribosa berkarbon 5 2. Gugus fosfat
3. Basa nitrogen, terdiri atas dua jenis:
a. Purin, ada dua macam: guanin (G) dan adenin (A).
b. Pirimidin, ada dua macam: urasil (U) dan sitosin (S atau C = cytosine) B. Fungsi RNA
1. Menyampaikan informasi genetik dalam bentuk kode-kode genetik dalam inti ke ribosom dan sebagai pola cetakan dalam membentuk polipeptida.
2. Sebagai mesin perakit dalam sintesis protein yang bergerak ke satu arah sepanjang RNA duta.
3. Mengangkut asam-asam amino ke ribosom.
C. Jenis RNA
Berbeda halnya dengan DNA yang terletak dalam nukleus, RNA banyak terdapat dalam sitoplasma terutama ribosom walaupun ada pula beberapa di antaranya dalam nukleus. Dalam
Gambar 15. Replikasi DNA
sitoplasma, kadar RNA berubah-ubah. Hal ini dipengaruhi oleh aktivitas sintetis protein.
Ketika suatu protein akan disintetis, kandungan RNA dalam sel meningkat begitu pula sebaliknya. RNA dapat dibedakan menjadi tiga jenis, yaitu RNA-d/m RNA, RNA-t, RNA-r.
1. RNA duta (RNA-d) atau messenger RNA
Perhatikan gambar 16, RNA duta adalah RNA yang menjadi model cetakan dalam proses penyusunan asam amino pada rantai polipeptida atau sintesis protein. Disebut RNA duta, karena molekul ini merupakan penghubung DNA dengan protein dan membawa pesan berupa informasi genetik dari DNA untuk membentuk protein. Informasi genetik berupa urutan basa N pada RNA duta yang memesan suatu asam amino yang disebut kodon. Penyusunan rantai polipeptida tergantung dari urutan kodon pada RNA duta. Urutan kodon pada RNA-d yang dicetak DNA tergantung pada macam protein yang akan disintesis. RNA duta berumur sangat pendek, hanya beberapa menit hingga beberapa hari, setelah itu akan segera terurai. RNA duta pada sel eukariotik berumur lebih panjang daripada sel prokariotik.
2. RNA transfer (RNA-t)
RNA-t disebut RNA pemindah dan merupakan RNA yang terpendek. Fungsi RNA-t adalah menerjemahkan kode-kode (kodon) yang dibawa oleh RNA m. Hasil terjemahan ini berupa deretan basa nitrogen yang sesuai dengan kodon yang ada pada RNA-d atau RNA-m.
RNA-t membawa pasangan kodon pada RNA m, sehingga disebut antikodon (Gambar 17).
Antikodon adalah triplet basa nitrogen yang terikat dengan kodon RNA-m secara spesifik.
RNA-t juga membawa asam amino yang sesuai dengan kodon-kodon RNA-d atau RNA-m.
RNA-t mempunyai antikodon yang mampu mengenali dua atau lebih kodon yang berbeda sehingga jumlahnya lebih sedikit dari jumlah kodon, yaitu sekitar 45 dari jumlah total kodon sebanyak 61.
Gambar 16. mRNA/RNA-d
Sumber : Fiktor, Biologi kelas XII BSE
3. RNA ribosom (RNA-r)
RNA-r dibentuk dari prekusor yang disebut RNA pra ribosom, mempunyai berat molekul sekitar 2 juta (gambar 18) dan merupakan molekul paling besar dibandingkan RNA-m dan RNA-t. RNA ribosom mengandung 50 – 2.000 asam amino. RNA-r meskipun tidak digunakan selalu terdapat dalam ribosom.
Bersama-sama dengan protein, RNA ini akan membentuk struktur ribosom yang mengatur proses translasi. RNA-r berfungsi sebagai mesin perakit yang bergerak ke satu arah sepanjang RNA-d dalam proses sintesis protein. RNA-r dibuat oleh DNA dari gen khusus dalam kromatin yang melekat pada nukleolus.
Gambar 18. RNA-R
Sumber : Fiktor, Biologi kelas XII BSE
D. Perbedaan DNA dengan RNA
RNA dan DNA merupakan asam nukleat di dalam sel, tetapi memiliki perbedaan sebagai berikut.
Tabel 2. Perbedaan DNA dengan RNA
No Faktor
Perbedaan
DNA RNA
1 Letak Di dalam nukleus yaitu
dalam kromosom,
mitokondria, dan kloroplas.
Di dalam sitoplasma, terutama dalam ribosom, dan juga dalam nukleus.
2 Bentuk struktur Rantai panjang dan ganda (double helix)
Rantai pendek dan tunggal Gambar 17. RNA-t dan bagiannya
Sumber: Campbell, Reece, & Mitchell, Biologi 1 dalam Rochmah, Biologi kelas XII BSE
3 Fungsi Berhubungan erat dengan penurunan sifat dan sintesis protein.
Berhubungan erat dengan sintesis protein.
4 Kadar jumlah Tidak dipengaruhi oleh aktivitas sintesis protein
Dipengaruhi oleh aktivitas sintesis protein
5 Basa Nitrogen Terdiri atas purin: Adenin (A) dan Guanin (G), pirimidin: Timin (T) dan Sitosin (S).
Terdiri atas purin: Adenin (A) dan Guanin (G), pirimidin: Urasil (U) dan Sitosin (C).
6 Komponen gula Deoksiribosa yaitu ribosa yang kehilangan satu atom oksigen pada atomC nomor 2.
D-ribosa (pentosa).
7 Keberadaannya Permanen Periode pendek karena
mudah terurai
2.3. Sintesis Protein
Apa itu sistesis protein? Sistesis protein adalah prosedur biologis sebagai proses pembentukan partikel protein yang dilakukan oleh sel-sel hidup untuk membuat protein dengan melibatkan sistesis RNA yang dipengaruhi oleh DNA (ADN). Proses sintesis protein ini secara rinci memang sangat kompleks. Proses sintesis protein ini dimulai dari produksi asam amino yang berbeda, dari yang beberapa berasal dari sumber makanan. Dalam proses sintesa protein, molekul DNA adalah sumber pengkodean asam nukleat untuk menjadi asam amino yang menyusun protein. Namun, DNA tidak terlibat secara langsung dalam prosesnya tersebut.
Molekul DNA pada suatu sel ditranskripsi menjadi molekul RNA. RNA inilah yang kemudian ditranslasi menjadi asam amino sebagai penyusun protein.
Sintesis protein berlangsung di dalam inti sel dan ribosom dengan bahan baku berupa asam amino. Terdapat 20 jenis asam amino. Jenis asam amino dalam sintesis protein ditentukan oleh DNA. Perbedaan jenis, jumlah, dan susunan asam amino menentukan jenis protein yang disintesis, misalnya enzim, hormon, keratin, atau hemoglobin. Fenotipe suatu organisme ditentukan oleh aktivitas protein fungsional dari suatu enzim. Jenis enzim yang berbeda akan
menimbulkan fenotipe yang berbeda pula. Jadi, sintesis protein merupakan dasar untuk mempelajari bagaimana informasi genetik dalam DNA diekspresikan dalam suatu mahkluk hidup serta menjelaskan bahwa protein sebagai jembatan yang menghubungkan antara genotipe (faktor pembawa sifat) dengan fenotipe (sifat yang tampak). Hubungan antara molekul DNA, RNA, dan asam amino dalam proses pembentukan protein dikenal pula dengan istilah "Dogma sentral biologi”. Dogma sentral biologi ini merupakan rangkaian proses DNA membuat DNA dan RNA dan RNA membuat protein, yang dinyatakan dalam persamaan DNA
>> RNA >> Protein.
Sintesis protein adalah salah satu aktivitas mendasar suatu sel di dalam makhluk hidup untuk mampu memproduksi atau mengolah protein. Sintesis protein merupakan proses penyusunan asam-asam amino pada rantai polinukleotida. Kunci utama dalam proses sintesis protein adalah DNA yang merupakan material genetika dari sel. Mengenai mekanisme terjadinya proses sintesis protein maka Kita akan dihadapkan pada dua tahapan utama.
Pembentukan protein atau sintesis protein mengalami dua tahap yakni transkripsi dan translasi.
Gambar 01.Ttranskripsi dan Translasi pada Sel Prokariotik dan Sel Eukariotik https://www.google.co.id/search
A. Transkripsi
Transkripsi merupakan sintesis RNA dari salah satu rantai DNA, yaitu rantai cetakan atau sense, sedangkan rantai komplemennya disebut rantai antisense.
Rentangan DNA yang ditranskripsi menjadi molekul RNA disebut unit transkripsi.
Informasi dari DNA untuk sintesis protein dibawa oleh mRNA. RNA dihasilkan dari aktifitas enzim RNA polimerase. Enzim polimerasi membuka pilinan kedua rantai DNA hingga terpisah dan merangkaikan nukleotida RNA. Enzim RNA polimerase merangkai nukleotida-nukleotida RNA dari arah 5’-3’, saat terjadi perpasangan basa di
sepanjang cetakan DNA. Urutan nukleotida spesifik di sepanjang cetakan DNA. Urutan nukleotida spesifik di sepanjang DNA menandai dimana transkripsi suatu gen dimulai dan diakhiri.
Gambar 02. Tahapan Transkripsi https://www.google.co.id/search
Transkripsi terdiri dari 3 tahap yaitu: inisiasi (permulaan), elongasi (pemanjangan), terminasi (pengakhiran) rantai mRNA.
1. Inisiasi
Daerah DNA di mana RNA polimerase melekat dan mengawali transkripsi disebut sebagai promoter. Suatu promoter menentukan di mana transkripsi dimulai, juga menentukan yang mana dari kedua untai heliks DNA yang digunakan sebagai cetakan.
2. Elongasi
Saat RNA bergerak di sepanjang DNA, RNA membuka pilinan heliks ganda DNA, sehingga terbentuklah molekul RNA yang akan lepas dari cetakan DNA-nya.
3. Terminasi
Transkripsi berlangsung sampai RNA polimerase mentranskripsi urutan DNA yang disebut terminator. Terminator yang ditranskripsi merupakan suatu urutan RNA yang berfungsi sebagai sinyal terminasi yang sesungguhnya. Pada sel prokariotik, transkripsi biasanya berhenti tepat pada akhir sinyal terminasi; yaitu, polimerase mencapai titik terminasi sambil melepas RNA dan DNA. Sebaliknya, pada sel eukariotik polimerase terus melewati sinyal terminasi,
suatu urutan AAUAAA di dalam mRNA. Pada titik yang lebih jauh kira-kira 10 hingga 35 nukleotida, mRNA ini dipotong hingga terlepas dari enzim tersebut.
B. Translasi
Translasi adalah tahap kedua produksi protein, setelah transkripsi, pengkodean DNA menjadi petunjuk untuk perakitan protein dalam bentuk mRNA. Translasi membuat struktur dasar yang mendasari banyak jaringan hidup, tetapi aspek penting sintesis protein berlanjut setelah terjemahan. Tahap translasi dalam sintesis protein terjadi dalam sel tetapi di luar inti, dalam struktur khusus yang disebut ribosom. Translasi adalah perakitan protein dari asam amino dalam urutan tertentu sesuai dengan petunjuk dari mRNA. mRNA bergerak keluar dari inti ke ribosom sel ketika translasi dimulai. RNA diatur sesuai dengan kode tertentu, di mana urutan tiga nukleotida diatur untuk mengkodekan petunjuk untuk asam amino yang sesuai, sebuah unit yang disebut kodon. Ribosom mengelilingi mRNA, menggunakannya untuk merakit sebuah rantai asam amino dalam urutan yang sama bahwa mereka akan ditemukan dalam protein selesai. Ini membentuk kompleks pasangan satu asam amino dengan kodon mRNA yang sesuai. Translasi terdiri dari tiga tahap (sama seperti pada transkripsi) yaitu inisiasi, elongasi, dan terminasi. Semua tahapan ini memerlukan faktor-faktor protein yang membantu mRNA, tRNA, dan ribosom selama proses translasi. Inisiasi dan elongasi rantai polipeptida juga membutuhkan sejumlah energi. Energi ini disediakan oleh GTP (guanosin triphosphat), suatu molekul yang mirip dengan ATP.
1. Inisiasi
Tahap inisiasi terjadi karena adanya tiga komponen yaitu mRNA, sebuah tRNA yang memuat asam amino pertama dari polipeptida, dan dua sub unit ribosom. mRNA yang keluar dari nukleus menuju sitoplasma didatangi oleh ribosom, kemudian mRNA masuk ke dalam
“celah” ribosom. Ketika mRNA masuk ke ribosom, ribosom “membaca” kodon yang masuk.
Pembacaan dilakukan untuk setiap 3 urutan basa hingga selesai seluruhnya. Sebagai catatan ribosom yang datang untuk mebaca kodon biasanya tidak hanya satu, melainkan beberapa ribosom yang dikenal sebagai polisom membentuk rangkaian mirip tusuk satu, di mana tusuknya adalah “mRNA” dan daging adalah “ribosomnya”. Dengan demikian, proses pembacaan kodon dapat berlangsung secara berurutan. Ketika kodon I terbaca ribosom (misal kodonnya AUG), tRNA yang membawa antikodon UAC dan asam amino metionin datang.
tRNA masuk ke celah ribosom. Ribosom di sini berfungsi untuk memudahkan perlekatan yang
spesifik antara antikodon tRNA dengan kodon mRNA selama sintesis protein. Sub unit ribosom dibangun oleh protein-protein dan molekul-molekul RNA ribosomal.
Gambar 03. Tahapan Inisiasi pada Translasi https://www.google.co.id/search 2. Elongasi
Pada tahap elongasi dari translasi, asam amino-asam amino ditambahkan satu per satu pada asam amino pertama (metionin). Ribosom terus bergeser agar mRNA lebih masuk, guna membaca kodon II. Misalnya kodon II UCA, yang segera diterjemahkan oleh tRNA berarti kodon AGU sambil membawa asam amino serine. Di dalam ribosom, metionin yang pertama kali masuk dirangkaikan dengan serine membentuk dipeptida. Ribosom terus bergeser, membaca kodon III. Misalkan kodon III GAG, segera diterjemahkan oleh antikodon CUC sambil membawa asam amino glisin. tRNA tersebut masuk ke ribosom. Asam amino glisin dirangkaikan dengan dipeptida yang telah terbentuk sehingga membentuk tripeptida. Demikian seterusnya proses pembacaan kode genetika itu berlangsung di dalam ribobom, yang diterjemahkan ke dalam bentuk asam amino guna dirangkai menjadi polipeptida. Kodon mRNA pada ribosom membentuk ikatan hidrogen dengan antikodon molekul tRNA yang baru masuk yang membawa asam amino yang tepat. Molekul mRNA yang telah melepaskan asam amino akan kembali ke sitoplasma untuk mengulangi kembali pengangkutan asam amino.
Molekul rRNA dari sub unit ribosom besar berfungsi sebagai enzim, yaitu mengkatalisis pembentukan ikatan peptida yang menggabungkan polipeptida yang memanjang ke asam amino yang baru tiba.
Gambar 04. Tahapan Elongasi pada Translasi https://www.google.co.id/search 3. Terminasi
Tahap akhir translasi adalah terminasi. Elongasi berlanjut hingga kodon stop mencapai ribosom. Triplet basa kodon stop adalah UAA, UAG, dan UGA. Kodon stop tidak mengkode suatu asam amino melainkan bertindak sinyal untuk menghentikan translasi. Polipeptida yang dibentuk kemudian “diproses” menjadi protein.
Gambar 05. Tahapan Terminasi pada Translasi https://www.google.co.id/search
c. Kode Genetik
Nirenberg dan Matthaei (1960) mengadakan percobaan untuk memecahkan masalah kode genetik dengan mencampurkan urasil dengan enzim pembentuk RNA. Dari percampuran ini dihasilkan RNA yang hanya terdiri atas urasil dan dinamakan poli-Urasil (poli-U). Apabila poli-Udimasukkan ke dalam campuran berbagai asam amino, akan terbentuk rangkaian
fenilalanin, yaitu protein yang terdiri atas satu macam asam amino. Hal ini merupakan cara manusia pertama kali mampu memecahkan peristiwa kehidupan melalui tabung reaksi kimia.
Tabel 3. Kode genetik dan asam amino yang sesuai.
Kode genetik yang dipakai saat ini yaitu kode yang tersusun oleh 3 basa N yang disebut kodon triplet. Kodon triplet ini merupakan bagian 3 basa N yang terdapat pada RNA-m.
Apabila suatu urutan tiga basa memberikan kode untuk satu asam amino, akan terjadi 43= 64 kemungkinan kombinasi dari basa sehingga dapat memperinci 64 macam kode genetika. Asam amino yang dikenal sampai saat ini sebanyak 20 macam. Adanya 64 macam kodon dan 20 macam asam amino menyebabkan satu asam amino dapat memiliki lebih dari satu kodon.
Kodon yang sesuai untuk setiap asam amino dapat dilihat dalam tabel 3.
Kode genetik berlaku universal, artinya kode yang sama berlaku untuk semua organisme.
Bila terjadi kesalahan penerjemahan, protein yang disusun juga keliru sehingga enzim yang dihasilkan tidak sesuai. Hal ini akan mengakibatkan terjadinya gangguan metabolisme.
Kekeliruan RNA-t menafsirkan kode-kode genetik yang diterima dari DNA juga merupakan salah satu mekanisme mutasi gen.
2.4. Regulasi Ekspresi gen Ekspresi Gen
Gen merupakan unit molekul DNA atau RNA dengan panjang molekul tertentu yang membawa informasi genetik (Yuwono, 2005 : 79). Gen dapat diwariskan dan diekspresikan.
Ekspresi gen merupakan rangkaian proses penerjemahan informasi genetik dalam bentuk urutan basa pada DNA atau RNA menjadi protein. Ekspresi gen adalah suatu rangkaian kompleks yang melibatkan banyak faktor. Salah satu ciri penting pada sistem jasad hidup adalah keteraturan sistem. Oleh karena itu dalam ekspresi gen proses pengendalian (regulasi) sistem menjadi bagian mendasar dan penting.
Secara umum dapat dikatakan bahwa proses ekspresi genetik dimulai dan diatur sejak pra inisiasi transkripsi. Mekanisme pengaturan ekspresi gen ini disebut dengan regulasi ekspresi gen. Regulasi ekspresi gen merupakan aspek yang sangat penting bagi jasad hidup.
Tanpa sistem pengendali yang efisien, sel akan kehilangan banyak energi yang akan merugikan jasad hidup. Dalam sistem molekuler ada banyak sistem pengendali ekspresi gen yang menentukan kapan suatu gen tertentu diaktifkan dan diekspresikan untuk menghasilkan suatu produk ekspresi. Mekanisme regulasi ekspresi gen paling banyak dipelajari pada bakteri. Jasad ini juga memiliki operon yang nantinya berperan dalam regulasi ekspresi gen. Dalam suatu organ disintesis suatu produk, sedangkan pada organ lain disintesis produk yang lain. Jadi walaupun semua sel tersebut mempunyai kandungan genetik yang sama, ternyata terdapat gen- gen yang diekspresikan hanya pada organ tertentu.
Ekspresi gen merupakan rangkaian proses penerjemahan informasi genetik, dalam bentuk urutan basa pada DNA atau RNA, menjadi protein. Ekspresi genetik adalah suatu rangkaian proses kompleks yang melibatkan banyak faktor. Salah satu ciri penting pada jasad hidup adalah keteraturan sistem (Lehninger, 2004:1084). Ekspresi gen di dalam sel memerlukan dua proses yaitu transkripsi dan translasi. Transkripsi adalah proses penyalinan kode-kode genetik yang ada pada urutan DNA menjadi RNA. Transkripsi adalah proses yang mengawali ekspresi sifat-sifat genetik (Yuwono, 2010:133). Urutan nukleotida pada salah satu untaian molekul DNA digunakan sebagai cetakan (template) untuk sintesis molekul RNA. Molekul RNA yang disintesis adalah mRNA (messenger RNA), tRNA (transfer RNA) dan rRNA (ribosomal RNA). Molekul mRNA adalah RNA yang merupakan salinan kode-kode genetik pada DNA yang dalam proses selanjutnya (pada proses translasi) akan diterjemahkan menjadi urutan asam-asam amino yang menyusun suatu polipeptida atau protein tertentu. tRNA adalah RNA yang berperan membawa asam-asam amino
spesifik yang akan digabungkan dalam sisntesis protein (translasi). Molekul rRNA adalah RNA yang digunakan untuk menyusun ribosom, yaitu partikel sel yang digunakan sebagai tempat untuk sintesis protein. Dalam transkripsi beberapa komponen utama yang terlibat adalah : (1) urutan DNA yang akan ditranskripsi, (2) enzim RNA polimerase, (3) faktor- faktor yang ditranskripsi dan (4) prekursor untuk sintesis RNA. Urutan DNA yang ditranskripsi adalah gen yang yang diekspresikan. Secara garis besar gen merupakan suatu urutan DNA yang mengkode urutan lengkap asam amino suatu polipeptida atau molekul RNA tertentu. Secara umum gen prokatiotik tersusun atas atas tiga bagian utama yaitu ; daerah pengendali yang disebut promoter, bagian struktural dan terminator. Promoter adalah bagian gen yang berperan dalam mengendalikan proses transkripsi dan terletak pada ujung.
Bagian struktural adalah bagian yang terletak pada hilir dari promoter. Bagian inilah yang mengandung urutan DNA spesifik yang akan ditranskripsi. Terminator adalah bagian gen yang terletak di sebelah hilir dari bagian struktural yang berperan dalam pengakhiran proses transkripsi.
A. Regulasi Ekspresi Gen
Regulasi ekspresi gen merupakan proses pengaturan dalam penterjemahan informasi genetik. Regulasi ekspresi gen adalah suatu pengendalian gen yang berfungsi untuk memunculkan fenotipe dari genotipe. Proses pengaturan ini dilakukan dengan cara menghentikan produksi enzim, melalui penghentian gen penyandinya. Regulasi ekspresi gen pada bakteri dimulai dari proses transkripsi. Ini artinya jika suatu protein (yang dikodekan oleh gen) diperlukan, protein akan ditranskripsi. Sedangkan jika suatu protein (yang dikodekan oleh gen) tidak diperlukan, maka protein tidak akan ditranskripsi. Pengendalian ekspresi gen merupakan aspek penting bagi jasad hidup. Tanpa sistem pengendalian yang efisien, sel akan kehilangan banyak energi yang justru merugikan jasad hidup. Bakteri E.coli merupakan salah satu contoh jasad hidup prokariotik yang paling banyak dipelajari aspek fisiologi dan molekulernya. Dalam sistem molekulernya bakteri ini mempunyai banyak sistem pengendalian ekspresi genetik yang menentukan kapan suatu gen tertentu diaktifkan dan diekspresikan untuk menghasilkan suatu produk ekspresi. Pengendalian suatu gen melibatkan aktivitas gen regulator (Lehninger, 2004: 1082). Secara umum dikenal dua sistem pengendalian ekspresi gen, yaitu: pengendalian positif dan negatif. Pengendalian positif pada suatu operon artinya operon diaktifkan oleh produk gen regulator. Sebaliknya, pengendalian negatif berarti operon tersebut dinonaktifkan oleh produk ekspresi gen regulator. Pengendalian positif membutuhkan
protein untuk terjadinya transkripsi, sedangkan pengendalian negatif membutuhkan protein untuk menghambar terjadinya transkripsi. Produk gen regulator ada dua macam yaitu : aktivator dan represor. Aktivator berperan dalam pengendalian secara positif, dan represor berperan dalam pengendalian secara negatif. Produk gen regulator bekerja dengan cara menempel pada sisi pengikatan protein regulator pada daerah promoter gen yang diaturnya.
Pengikatan aktivator atau represor pada promoter ditentukan oleh keberadaan molekul efektor yang biasanya berupa molekul kecil seperti asam amino, gula dan metabolit serupa lainnya.
Molekul efektor yang mengaktifkan ekspresi gen disebut induser. Sedangkan yang bersifat menekan ekspresi gen disebut represor. Lebih jauh pengendalian positif dan negatif dapat dibedakan menjadi dua sistem yaitu sistem yang dapat diinduksi (inducible system) dan sistem yang dapat ditekan (repressible system).
Operon
Pengendalian ekspresi genetik merupakan aspek yang sangat penting bagi jasad hidup, termasuk prokaryaot. Tanpa sistem pengendalian yang efisien, sel akan kehilangan banyak energy yang justru merugikan jasad hidup. Bakteri Escherichia coli merupakan salah satu contoh jasad hidup prokaryot yang paling banyak dipelajari aspek fisiologi dan molekulernya.
Bakteri ini mempunyai lebih dari 3000 gen yang berbeda dan genomnya telah dipetakan serta diketahui urutan basa nukleotidanya secara lengkap.
Tidak semua di antara sekian banyak gen pada genom E. coli diaktifkan pada saat yang bersamaan karena keadaan semacam ini justru akan menguras energy selular yang akan memperlambat laju pertumbuhan sel. Oleh karena itu, dalam system molecular jasad ini ada banyak sistem pengendalian ekspresi genetik yang menentukan kapan gen tertentu diaktifkan dan diekspresikan untuk menghasilkan suatu produk ekspresi. Sebagai contoh, jika dalam medium pertumbuhan E. coli terdapat gula sederhana, misalnya glukosa (monosakarida), maka sel tidak perlu menjalankan sistem ekspresi gen-gen yang bertanggung jawab untuk metabolisme gula yang lebih kompleks, missal laktosa (disakarida). Gen-gen yang bertanggung jawab dalam metabolisme laktosa baru akan diaktifkan setelah malalui suatu sirkuit regulasi tertentu.
Dalam sel prokaryot, ada beberapa gen structural yang disekspresikan secara bersam-sama dengan menggunakan satu promoter yang sama. Kelompok gen semacam ini disebut sebagai operon. Gen-gen semacam ini pada umumnya adalah gen-gen yang terlibat di dalam suatu rangkaian reaksi metabolism yang sama, misalnya metabolism laktosa, arabinosa dan lain-lain. Pengelompokan gen semacam ini di dalam suatu operon membuat sel
menjadi lebih efisien di dalam melakukan proses ekspresi genetic. Sebaliknya di dalam jasad eukaryotic, sistem organisasi operon semacam ini tidak ada karena setiap gen diatur oleh promoter tersendiri..
Secara umum dikenal dua sistem pengendalian ekspresi genetic yaitu pengendalian positif dan pengendalian negatif. Pengendalian (regulasi) pada suatu gen atau operon melibatkan aktivitas gen regulator. Pengendalian positif pada suatu operon artinya operon tersebut dapat diaktifkan oleh produk ekspresi gen regulator. Sebaliknya, pengendalian negatif berarti operon tersebut dinonaktifkan oleh produk ekspresi gen regulator. Produk gen regulator ada dua macam yaitu activator, yang berperan dalam pengendalian secara positif dan repressor yang berperan dalam pengendalian secara negative. Pengikatan activator atau repressor pada promoter ditentukan oleh keberadaan suatu molekul efektor yang biasanya berupa molekul kecil, misalnya asam amino, gula, atau metabolit serupa lainnya. Molekul efektor yang mengaktifkan ekspresi suatu gen disebut inducer, sedangkan yang bersifat menekan ekspresi suatu gen disebut repressor.
Sumber : Briggs et al
Pengendalian Operon Laktosa (Lac)
Sistem lac operon adalah sistem pengendalian ekspresi gen-gen yang bertanggung jawab di dalam metabolism laktosa. Sistem tersebut pertama kali ditemukan pada bakteri Escherichia coli oleh Francois Jacob dan Jaques Monod pada akhir tahun 1950-an. Laktosa adalah disakarida yang tersusun atas glukosa dan galaktosa. Jika bakteri E. coli ditumbuhkan dalam medium yang mengandung sumber karbon glukosa dan laktosa secara bersama-sama maka E.
coli akan menunjukkan pola pertumbuhan yang spesifik. Setelah melalui fase adaptasi, E.coli memasuki fase eksponensial yang ditandai dengan laju pertumbuhan yang meningkat secara eksponensial, kemudian akan mencapai fase stasioner. Setelah mencapai fase stasioner beberapa saat, kemudian bakteri akan tumbuh lagi memasuki fase eksponensial kedua sampai
akhirnya mencapai fase stasioner akhir. Dalam fase pertumbuhan semacam ini ada dua fase eksponensial. Pada fase eksponensial pertama, E. coli menggunakan glukosa sebagai sumber karbon sampai akhirnya glukosa habis dan E. coli mencapai fase stasioner yang pertama.
Selanjutnya pada fase eksponensial kedua E. coli menggunakan laktosa setelah glukosa benar- benar habis. Pada fase stationer yang pertama sebenarnya yang terjadi adalah proses induksi sistem operon laktosa yang akan digunakan untuk melakukan matabolisme laktosa.
Disakarida laktosa (gula susu) akan tersedia bagi E. coli apabila manusia inangnya minum susu. Bakteri dapat menyerap laktosa dan memecahnya untuk memperoleh energi atau menggunakannya sebagai sumber karbon organik untuk mensintesis senyawa lain. Metabolism laktosa dimulai dengan hidrolisis disakarida menjadi dua komponen monosakaridanya, glukosa dan galaktosa. Enzim yang mengkatalis reaksi ini disebut ß-galaktosidase. Hanya sedikit molekul enzim yang terdapat pada sel E. coli yang selama ini tumbuh dalam keadaan tanpa laktosa–misalnya di usus seseorang yang tidak minum susu. Tetapi jika laktosa ditambahkan pada medium nutrient bakteri tersebut, hanya dalam 15 menit jumlah molekul ß-galaktosidase di dalam sel ini akan meningkat ribuan kali lipat.
Operon laktosa terdiri atas 3 gen structural utama yaitu gen lac Z mengkode enzim β- galaktosidase yang menghasilkan dua monosakarida yaitu glukosa dan galaktosa, gen lac Y mengkode permease galaktosida, yaitu enzim yang berperan dalam pengangkutan laktosa dari luar ke dalam sel, dan gen lac A mengkode enzim transasetilase thiogalaktosida yang perannya belum diketahui secara jelas. Ketiga gen struktural tersebut dikendalikan ekspresinya oleh satu promoter yang sama dan menghasilkan satu mRNA yang bersifat polisistronik. Selain ketiga gen structural tersebut, juga terdapat gen regulator lac I yang
mengkode suatu protein repressor dan merupakan bagian sistem pengendalian operon laktosa.
Gen untuk ß-galaktosidase merupakan bagian dari sebuah operon, operon lac (lac untuk metabolism laktosa), yang mencakup dua gen lain yang mengkode protein yang berfungsi di dalam metabolisme laktosa. Keseluruhan unit transkripsi ini berada di bawah perintah satu operator dan satu promoter. Gen pengatur, lacl, terletak di luar operon, mengkode protein repressor alosterik yang dapat mengubah operon lac ke keadaan off dengan cara mengikatkan diri pada operator. Dalam keadaan ini, suatu molekul kecil yang spesifik, disebut induser, menginaktifkan represor. Untuk operon lac, indusernya adalah alolaktosa, sebuah isomer dari laktosa yang terbentuk dalam jumlah kecil dari laktosa yang masuk ke dalam sel.
Pada keadaan tidak ada laktosa (sehingga alolaktosa juga tidak ada), repressor lac akan berada dalam konfigurasi aktifnya, dan gen-gen operon lac akan berada dalam keadaan diam.
Jika laktosa ditambahkan ke medium nutrient sel tersebut, alolaktosa akan mengikatkan diri pada repressor lac dan mengubah konformasinya, menghilangkan kemampuan repressor untuk mengikatkan diri pada operator. Sekarang, karena dituntut oleh kebutuhan, operon lac menghasilkan mRNA untuk enzim-enzim jalur laktosa. Dalam konteks pengaturan gen, enzim- enzim ini dipandang sebagai enzim indusibel, karena sintesisnya dipengaruhi oleh sinyal kimiawi (alolaktosa, dalam kasus ini). lac operon inducer.
Pengaturan Gen Yang Bersifat Positif
Agar enzim yang memecah laktosa dapat disintesis dalam jumlah layak, tidak cukup dengan hanya adanya laktosa di dalam sel bakteri. Persyaratan lainnya adalah pasokan gula glukosa sederhana harus rendah. Apabila harus memilih antara substrat-substrat untuk glikolisis dan jalur katabolic lain, E.Coli lebih senang menggunakan glukosa, gula yang biasanya selalu ada di lingkungan.
Bagaimana sel E. coli mengetahui konsentrasi glukosa ini, dan bagaimana informasi ini disampaikan ke genom? Mekanisme tersebut mengandalkan interaksi antara protein pengatur alosterik dengan suatu molekul organic yang berukuran kecil. Molekul kecil itu adalah AMP siklik (cAMP), yang berakumulasi bila glukosa tidak ada. Protein pengaturnya adalah protein repressor cAMP (cAMP receptor protein atau CRP), dan protein ini merupakan activator transkripsi. Ketika cAMP mengikatkan diri ke lokasi alosterik pada CRP, protein akan berubah ke bentuk aktifnya, dan dapat mengikatkan diri pada suatu tempat tertentu di sebelah promoter lac. Penempelan CRP pada DNA ini membuat RNA polymerase lebih mudah mengikatkan diri
pada promoter di dekatnya dan memulai proses transkripsi operon. Karena CRP merupakan protein pengatur yang langsung menstimulasi ekspresi gen, mekanisme ini dapat disebut sebagai pengaturan positif.
Jika jumlah dari glukosa di dalam sel meningkat, konsentrasi cAMP menurun, dan CRP akan lepas dari operon lac. Oleh karena itu, operon lac berada di bawah control ganda; control negative oleh repressor lac dan kontrol positif oleh CRP. Kondisi repressor lac (dengan atau tanpa alolaktosa) menentukan terjadi atau tidaknya transkripsi dari gen-gen operon lac, kondisi CRP (dengan atau tanpa cAMP) mengontrol laju transkripsi jika operonnya bebas dari repressor. Yang tampak adalah operon seakan-akan memiliki saklar on-off dan kontrol volume kedua-duanya sekaligus.
Jadi secara umum dapat dijelaskan bahwa pengikatan CAP-cAMP pada promoter menyebabkan RNA polimerase dapat terikat pada promoter membentuk kompleks promoter tertutup (clossed promoter complex) yang selanjutnya akan menjadi kompleks promoter terbuka yang siap melakukan transkripsi. Pengikatan RNA polimerase pada promoter tersebut difasilitasi oleh CAP-cAMP melalui interaksi protein-protein, pembengkokan DNA, atau keduanya.
RANGKUMAN
Kromosom memiliki komponen berupa DNA dan protein. Berdasarkan fungsinya kromosom dibedakan menjadi dua macam yaitu kromosom seks dan kromosom tubuh.
Berdasarkan jumlah sentromernya, bentuk kromosom dapat dibedakan menjadi 4 macam, yaitu: Asentrik, Monosentrik, Disentrik, Polisentrik. Berdasarkan letak sentromernya, bentuk kromosom dapat dibedakan menjadi 4 macam, yaitu Metasentrik, Submetasentrik, Akrosentrik, Telosentrik.
Gen adalah unit terkecil dari materi genetik yang mengendalikan sifat-sifat hereditas suatu organisme. Setiap kromosom memiliki ratusan lokus sehingga di dalam sel mengandung ribuan gen. Satu gen mengendalikan satu sifa hereditas sehingga satu individu mempunyai ribuan sifat
Pasangan gen yang terdapat pada kromosom homolog yang menunjukkan sifat alternatif sesamanya disebut alel. Pasangan gen di dalam kromosom homolog suatu individu disebut genotipe. Genotipe memengaruhi penampakan sifat-sifat yang disebut fenotipe.
RNA adalah makromolekul polinukleotida yang berbentuk untai tunggal. RNA berperan dalam sintesis protein. Komponen penyusun RNA, yaitu gula ribosa, gugus fosfat, serta basa nitrogen purin (guanin dan adenin) dan pirimidin (urasil dan sitosin). Terdapat tiga macam RNA yaitu mRNA, tRNA, dan rRNA.
Sintesis protein adalah proses dimana asam amino secara linear diatur menjadi protein melalui keterlibatan RNA ribosom, RNA transfer, RNA, dan berbagai enzim. Sintesis protein adalah proses dimana sel-sel individual disusun membentuk protein. Baik asam deoksiribonukleat (DNA) dan semua jenis asam ribonukleat (RNA) akan terlibat dalam proses ini. Sintesis protein merupakan prses penyusunan asam-asam amino pada rantai polinukleotida.
Kunci utama dalam proses sintesis protein adalah DNA yang merupakan material genetika dari sel. Sintesis protein terjadi melalui 2 tahap yaitu tanskripsi dan translasi.
Dalam sel prokaryot, ada beberapa gen structural yang disekspresikan secara bersam- sama dengan menggunakan satu promoter yang sama. Kelompok gen semacam ini disebut sebagai operon. Contoh operon yaitu: operon Lactosa, operon Triftofan.
