Asam Nukleat

A S A M     N U K L E A T

 

10.1          PENDAHULUAN

10.1.1 Deskripsi Singkat

 

Bab ini mengemukakan secara garis besar asam nukleat yang meliputi pengertian, nukleotida, nukleosida, DNA, RNA, serta mekanisme reaksi replikasi, transkripsi dan translasi yang berhubungan dengan biosintesis protein.

 

10.1.2 Relevansi

            Pembahasan bab ini sangat berhubungan dengan metabolisme protein dan enzim. Mahasiswa akan mengetahui bagaimana hubungan antara DNA, RNA dan protein. Pemahaman tentang asam nukleat sebagai senyawa inti sel pembawa informasi genetika dan pelaksana biosintesis  protein akan mengungkapkan bagaimana senyawa ini sangat penting untuk dasar mempelajari rekayasa genetika dan biomolekuler.

 

10.1.3 Tujuan

 

Setelah mempelajari materi ini mahasiswa diharapkan dapat :

1. Menjelaskan pengertian asam nukleat
2. Menerangkan struktur nukleotida dan nukleosida
3. Menerangkan struktur DNA dan RNA
4. Menjelaskan proses replikasi dan transkripsi dari DNA
5. Menerangkan proses biosintesis protein (translasi) oleh RNA.

 

10.2    PENYAJIAN

10.2.1  Uraian dan Contoh

 

            Friedrich Miescher (1844-1895) adalah orang yang mengawali  pengetahuan mengenai kimia dan inti sel. Pada tahun 1868, dilaboratorium Hoppe-Syler di Tubingen, beliau memilih sel yang terdapat pada nanah bekas pembalut luka, kemudian sel-sel tersebut dilarutkan dalam asam encer dan dengan cara ini diperoleh inti sel yang masih terikat pada sejumlah protein. Dengan menambahkan enzim pemecah protein ia dapat memperoleh inti sel saja dan dengan cara ekstraksi terhadap inti sel diperoleh suatu zat yang larut dalam basa tetapi tidak larut dalam asam.  kemudian zat ini dinamakan  “nuclein”  sekarang dikenal dengan nama nucleoprotein. Selanjutnya dibuktikan bahwa asam nukleat merupakan salah satu senyawa pembentuk sel dan jaringan normal.   

            Beberapa fungsi penting asam nukleat adalah menyimpan, menstransmisi, dan mentranslasi informasi genetik; metabolisme antara(intermediary metabolism) dan reaksi-reaksi informasi energi; koenzim pembawa energi; koenzim pemindah asam asetat, zat gula, senyawa amino dan biomolekul lainnya; koenzim reaksi oksidasi reduksi.

 Asam nukleat dalam sel ada dua jenis yaitu DNA (deoxyribonucleic acid ) atau asam deoksiribonukleat dan RNA (ribonucleic acid ) atau asam ribonukleat. Baik DNA maupun RNA berupa anion dan pada umumnya terikat oleh protein dan bersifat basa. Misalnya DNA dalam inti sel terikat pada histon.  Senyawa gabungan antara protein dan asam nukleat disebut nucleoprotein. Molekul asam nukleat merupakan polimer seperti protein tetapi unit penyusunnya adalah nukleotida. ATP adalah salah satu contoh nukleotida asam nukleat bebas yang berperan sebagai pembawa energi.

	10.2.1.1 Pengertian Asam Nukleat

 

 

 

            Asam nukleat merupakan polimer besar dengan ukuran yang bervariasi antara 25.000 /1.000.000 s/d  1 milyar. Asam nukleat baik DNA maupun RNA tersusun dari monomer nukleotida . Nukleotida tersusun dari gugus fosfat, basa nitrogen dan gula pentosa. Basa nitrogen berasal dari kolompok purin dan pirimidin. Purin utama asam nukleat adalah adenin dan guanin, sedangkan pirimidinnya adalah sitosin, timin dan urasil.

 

 

 

	10.2.1.2  Nukleotida Dan Nukleosida

 

 

            Nukleotida merupakan  nukleosida yang gugus gula pada posisi 5’-nya  mengikat asam fosfat (gugus fosfat) dengan ikatan ester. Nukleosida terdiri atas pentosa ( deoksiribosa atau ribosa) yang mengikat suatu basa (derivat purin atau pirimidin) melalui ikatan glikosida.

            Pentosa yang berasal dari DNA ialah deoksiribosa dan dari RNA ialah ribosa. Basa purin dan pirimidin yang berasal dari DNA ialah adenin, guanin, sitosin dan timin. Sedangkan basa RNA terdiri atas adenin, guanin, sitosin dan urasil.  Dengan demikian nukleosida adalah penyusun nukleotida dan dapat diberi nama trivial dan nama sistematis seperti terlihat pada tabel berikut :

 

       Tabel 10.1  Nukleosida Penyusun Asam Nukleat

Monomer Asam Nukleat	Nama Trivial	Nama sistematis
Ribonukleosida Ribosa + basa adenin Ribosa + basa guanin Ribosa + basa urasil Ribosa + basa sitosin   Deoksiribonukleosida Deoksiribosa+ basa adenin Deoksiribosa+ basa guanin Deoksiribosa + basa sitosin Deoksiribosa + basa timin	Adenosin Guanosin Uridin Sitidin     Deoksi-adenosin Deoksi-guanosin Deoksi- sitidin Deoksi-timidin	Adenin nukleosida Guanin nukleosida urasil nukleosida Sitosin nukleosida     Deoksi-Adenin nukleosida Deoksi-Guanin nukleosida Deoksi- Sitosin nukleosida Deoksi-Timin nukleosida

 

            Nukleosida dalam bentuk bebas ada memiliki fungsi penting bagi kesehatan contohnya, puromisin yang berfungsi sebagai antibiotik yang menghambat sintesis protein ( dihasilkan oleh streptomyces). Arabinosil sitosin dan arabinosil adenin sebagai anti virus dan anti jamur.

            Nukleotida terdapat sebagai molekul bebas atau berikatan dengan dengan sesama nukleotida membentuk asam nukleat. Contohnya dapat dilihat dalam tabel berikut:

 

            Tabel 10.2 Mononukleotida Penyusun Asam Nukleat DNA dan RNA

Basa Nitrogen	Nama Ribonukleotida (RNA)	Nama deoksiribonukleotida (DNA)
Adenin (A) Guanin (G) Timin (T) Sitosin (C) Urasil (U)	Adenosin 5’-monofosfat (AMP) Guanosin 5’-monofosfat (GMP) ------------------- Sitidin  5’-monofosfat (CMP) Uridin 5’-monofosfat (UMP)	Deoksi Adenosin 5’-monofosfat (dAMP) Deoksi Guanosin 5’-monofosfat (dGMP) Deoksi Timidin 5’-monofosfat (dTMP) Deoksi Sitidin 5’-monofosfat (dCMP) ------------------

 

            Beberapa nukleotida yang mempunyai fungsi penting dalam sel  misalnya Adenosin 5’ monofosfat (AMP), Adenosin 5’ –difosfat (ADP) dan Adenosin 5’-trifosfat (ATP) yang berperan penting dalam transfer gugus fosfat untuk menerima dan mengantar energi.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                       

Gambar 10.1  Struktur AMP, ADP dan ATP

 

            Nukleotida lain yang berbentuk siklik seperti Adenosin 3’-5’-siklik monofosfat ( AMP-siklik atau cAMP) berperan sebagai kurir sekunder dalm mengendalikan metabolisme hormon adrenalin.  Nukleotida bebas lain adalah guanosin siklik monofosfat ( GMP siklik = cGMP ) yang diduga berfungsi sebagai penghambat enzim yang dirangsang oleh cAMP. Selain itu diketahui beberapa trifosfonukleotida selain ATP yang berperan dalam berbagai reaksi dalam sel. Misalnya CTP  (Sitidin 5’- trifosfat) terlibat dalam biosintesis fosfolipid, UTP berperan dalam biosintesis berbagai senyawa karbohidrat. CTP dan UTP juga digunakan dalam biosintesis RNA dan DNA

	10.2.1.3  STRUKTUR  DNA dan RNA

 

 

 

1) Struktur Asam Deoksiribonukleat (DNA)

            Asam ini adalah polimer yang terdiri atas molekul-molekul deoksiribonukleotida yang terikat satu sama lain sehingga membentuk rantai  polinukleotida yang panjang. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                       

       

 

 

 

 

 

 

 Gambar 10.2  Struktur Sebagian dari DNA

Molekul  DNA yang panjang ini terbentuk oleh ikatan antara atom C nomor 3 dengan atom C nomor 5 pada molekul deoksiribosa dengan perantaraan gugus fosfat.

Secara kimia DNA mengandung karakteri/sifat sebagai berikut:

1. Memiliki gugus gula  deoksiribosa.

2. Basa nitrogennya  guanin (G), sitosin (C), timin (T) dan adenin (A).

3. Memiliki rantai heliks ganda anti paralel

4. Kandungan basa nitrogen antara kedua rantai sama banyak dan berpasangan spesifik satu dengan lain. Guanin selalu berpasangan dengan sitosin ( G –C), dan adenin berpasangan dengan timin (A - T), sehingga jumlah guanin selalu sama dengan jumlah sitosin. Demikian pula adenin dan timin.

 

2) Struktur Asam Ribonukleat (RNA)

            Asam ribonukleat adalah suatu polimer yang terdiri atas molekul-molekul ribonukleotida.  Seperti DNA asam ribonukleat terbentuk oleh adanya ikatan antara atom C nomor 3 dengan atom C nomor 5 pada molekul ribosa dengan perantaraan gugus fosfat. Rumus strukturnya sama dengan gambar 10.2 tetapi gulanya adalah ribosa ( atom C nomor 2 mengikat gugus OH)

            RNA memiliki sifat spesifik yang berbeda  dengan sifat kimia DNA, yakni dalam hal:

1. Gula pentosanya adalah ribosa
2. RNA memiliki ribonukleotida guanin(G), sitosin (C), adenin (A) dan Urasil (U) pengganti Timin pada DNA.
3. Untai fosfodiesternya adalah untai tunggal yang bisa melipat membentuk jepit rambut seperti untai ganda.Beda dengan DNA bentuk molekulnya heliks ganda.
4. Prosentasi kandungan bas tidak harus sama, pasangan adenin tidak harus sama dengan urasil, dan sitosin tidak harus sama dengan guanin.

            Ada tiga jenis RNA yaitu tRNA (transfer RNA), mRNA ( messenger RNA ) dan rRNA (ribosomal RNA). Ketiga macam RNA ini mempunyai fungsi yang berbeda-beda, tetapi ketiganya secara bersama-sama mempunyai peranan penting dalam sintesis protein.

      Struktur asam nukleat  dapat dilihat/tertulis  dalam bentuk struktur primer,  sekunder, dan tersier. Struktur primer terbentuk bila gugus fosfat satu nukleotida berikatan ester dengan gugus hidroksil nukleotida lain melalui ikatan kovalen. Penggabungan berbagai nukleotida ini membentuk rantai rantai panjang (polinukleotida). Dua ciri  penting semua polinukleotida adalah:

 1) Ikatan fosfodiester polinukleotida antara unit-unit monomer selalu antara karbon 3’ dari satu monomer dan karbon 5’ dari yang berikutnya. Jadi 2 ujung DNA dari rantai polinukleotida linear tersebut akan berlawanan. Satu ujung secara normal akan melakukan reaksi dengan fosfat 5’ dan yang lain bereaksi dengan gugus hidroksil 3’.

 2) Rantai polinukleotida mempunyai kekhasan, ditentukan melalui urutan basanya.

                        A              C               G            T                T 

                     3’            3’               3’           3’               3’           

                            P            P                P            P                OH

                        

       5’            5’              5’            5’               5’

 

          Gambar 10.3 A,G,T,C adalah jenis nukleotida; P=fosfor, 5’ dan 3’ ujung  nukleotida; semua ikatan fosfodiester adalah 3’--- 5’; molekul memiliki gugus P pada ujung 5’ dan gugus –OH pada ujung 3’.

 

Penulisan sederhana DNA dan RNA dimulai ujung 5’ fosfat bebas ke ujung 3’ –OH bebas sebagai berikut :

 

                        DNA   :  5’A-G-T-C-A-G -T-T-C- G-G-T-C-A-G 3’

                        RNA   :  5’U-C-A-G-U-C-A-A-G-C-C-A-G-U-C 3’

 

            Struktur sekunder  DNA ditemukan oleh James D. Watson dan F.H.C Crick (1953). Mereka menyusun pola difraksi sinar X  yang menunjukkan model polideoksiribonukleotida berbentuk heliks ganda.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

             A                                       B                                                  C

 

Gambar 10.4  Model  DNA heliks ganda (tiga dimensi) oleh J.Watson-Crick. Basa - basa (merah-hijau) dan bagian tulang punggung gula-fosfat (biru-kuning)

 

            Gambar 10.4 menjelaskan bahwa  (A) pita pada diagram menunjukkan tulang belakang  gula-fosfat dari dua untai DNA. Heliks ini adalah heliks ”tangan kanan”, berlekuk keatas dengan arah kekanan. Kedua untaian diikat bersama oleh ikatan hidrogen (digambarkan garis titik-titik) diantara basa nitrogen, yang berpasangan dibagian dalam heliks ganda. (B) menunjukkan sebagian struktur kimia, dengan dua untai yang diuraikan, perhatikan bahwa untaian memiliki orientasi arah yang berlawanan. (C) pasangan basa nitrogen yang terikat kuat tampak jelas pada model komputer (tiga dimensi). Daya tarik menarik antara pasangan basa yang berpotongan mempunyai peranan penting dalam mempertahankan molekul.

Struktur sekunder RNA adalah kumparan acak tunggal dan beberapa bagian berbentuk  heliks yang menunjukkan pasangan basa. Struktur sekunder RNA bermacam-macam sesuai jenis RNA-nya.  Jenis mRNA dapat berbentuk heliks, tRNA berbentuk daun semanggi dan rRNA berbentuk acak.

            Banyak DNA secara alami mempunyai struktur tersier. Salah satu contohnya adalah struktur sirkular yang dapat berbentuk acak (berlilitan) dan  sirkular terbuka. Pelilitan merupakan struktur  DNA  yang tertutup secara kovalen karena untai polinukleotidanya tetap utuh. Struktur ini tidak mempunyai ujung 5’ atau 3’ bebas. Jika salah satu untai polinukleotida putus,

maka heliks ganda akan kembali kebentuk normalnya sebagai sirkulasi terbuka. Contoh DNA tersier adalah DNA virus ST-40, DNA plasmid bakteri, dan lain-lain. Struktur DNA ini  mempunyai sifat sangat khas dan bermanfaat untuk rekayasa gen.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                

  

 

 

 

 

Gambar 10.5  Struktur DNA heliks ganda, basa nitogen

                                              (berwarna), gugus  fosfat dan gula ( warna hitam)

 

Pada gambar 10.5 terlihat antara basa-basa yang terdapat pada rantai molekul terbentuk ikatan hidrogen, yakni ikatan antara atom-atom hidrogen dan   nitrogen.  Pasangan Adenin dengan Timin terbentuk dengan dua ikatan hidrogen ( A=T), sedangkan Guanin dengan Sitosin terbentuk dengan tiga ikatan hidrogen ( G ≡ C).

 

 

 

	10.2.1.4    Replikasi  Dan  Transkripsi

 

 

1.  Replikasi DNA

            Molekul DNA merupakan rantai polinukleotida yang mempunyai beberapa jenis basa purin dan pirimidin, dan berbentuk heliks ganda. Antara rantai satu dengan pasangannya dalam heliks ganda terdapat ikatan hidrogen. Molekul DNA yang berbentuk heliks ganda ini mempunyai sifat dapat membelah diri dan masing-masing rantai polinukleotida mampu membentuk rantai baru yang merupakan pasangannya. Terjadinya heliks ganda yang baru dan proses terbentuknya molekul DNA baru ini disebut replikasi.

Proses pembentukan DNA (penggandaan) membutuhkan komponen-komponen sebagai berikut.

1.      DNA polimerase (enzim yang mengkatalisis perpanjangan rantai nukleotida satu dengan yang lainnya)

2.      Deoksiribonukleosida trifosfat (dATP, dTTP, dGTP, dCTP = monomer penyusun rantai polinukleotida).

3.      Protein pembentang dan 20 protein enzim lainnya atau sistem replikasi DNA atau replisoma (fungsi kompleks).

4.      DNA ligase (menyambung fragmen-fragmen hasil polimerasasi).

5.      DNA cetakan (DNA induk untuk sintesis DNA baru

6.      DNA primer (DNA pengawal untuk sintesis DNA baru).

Sintesis ini tejadi secara semi konservatif karena hanya satu untaian induk DNA dipertahankan pada tiap DNA keturunan. Dengan demikian bila satu molekul DNA dengan dua rantai antiparalel bereplikasi, mula-mula akan menghasilkan dua rantai DNA baru. Kemudian 4 rantai DNA (yaitu 2 rantai DNA asli ditambah 2 rantai DNA yang terbentuk) yang ada bereplikasi lagi menjadi 8 rantai DNA, delapan ini bereplikasi menjadi 16 dan seterusnya. Reaksi polimerasasi (perpanjangan rantai nukleotida) mengikuti arah 5’ ke arah 3’.

 

Tahap-tahap reaksi sintesis DNA :

1.      Tahap pembukaan DNA untai ganda superkoil

2.      Sintesis oligonukleotida primer

3.      Pemanjangan rantai DNA arah 5’--- 3’, pelepasan primer dan

4.      Penyambungan fragmen DNA dan membentukan ikatan fosfodiester.

 

 

 

 

 

 

 

                               

 

 

 

 

 

 

 

 

Gambar 10.6  Ilustrasi Replikasi Semikonservatif  DNA 

 

Proses tahap awal pembukaan DNA dikatalisis oleh 3 jenis enzim yaitu 1) enzim helikase (atau DNA- unwinding enzyme) yang mengkatalisis pembukaan bagian DNA yang kedua untainya terpisah (garpu replikasi). 2) Enzim heliks-destabilizing protein atau single-stranded DNA-binding protein yang berfungsi menjaga basa-basa pada untai tunggal agar tidak berpasangan dengan lain, dan 3) enzim DNA girase mengkatalisis pembukaan heliks ganda sebelum proses replikasi dimulai. Ketiga enzim ini bekerja sama membentuk DNA untai tunggal.

Tahap selanjutnya menggunakan enzim RNA polimerase spesifik atau dikenal enzim primase atau dnaG dan protein dnaB. Pembentukan oligonukleotida primer dilakukan pada daerah spesifik DNA sebagai tempat awal replikasi. RNA polimerase spesifik ini berbeda dengan RNA polimerase untuk sintesis RNA, karena  enzim ini bersifat nukleofilik dalam pembentukan ikatan fosfodiester dari rantai DNA yang tidak berpasangan.  dnaB berfungsi mengikat DNA untai tunggal pada sisi awal replikasi kemudian dnaG membentuk oligonukleotida primer.

Tahap berikut menggunkan katalis DNA polimerase III dan DNA polimerase I serta DNA ligase. Proses penumbuhan rantai terjadi dengan penambahan deoksiribonukleotida pada gugus 3’-OH ujung rantai primer (pertumbuhan 5’ → 3’). Karena kedua rantai DNA bersifat anti paralel satu terhadap lainnya (5’ → 3’, dan 3’ → 5’) maka replikasi semikonservatif yang terjadi juga berbeda. Pada satu rantai replikasinya bersifat kontinyu dan menghasilkan untai penuntun (leading strand).

 

 

 

                                   

 

 

 

 

 

 

 

           

Gambar 10.7  Replikasi  DNA Dengan Berbagai Enzim yang terlibat

 

Sedangkan untai yang lain repilikasinya bersifat diskontinyu dan menghasilkan untai potongan atau disebut juga fragmen Okazaki. Sehingga pada tahap ini dihasilkan satu untai utuh DNA anak mengikuti DNA induk dan satu untai lagi fragmen berupa DNA anak. Fragmen DNA anak ini kemudian dirangkaikan menjadi satu untai utuh oleh enzim DNA ligase sehingga akhirnya satu DNA double heliks menghasilkan 2 DNA anak helik ganda dan seterusnya. Penyambungan fragmen okazaki merupakan pembentukan ikatan fosfodisester antara gugus 3’-OH residu nukleosida dan 5’-fosfat residu yang berdekatan. Proses dengan katalisis DNA ligase ini pada E. Coli membutukan kofaktor NAD dan pada eukariotik menggunakan kofaktor ATP.

 

2 Proses Transkripsi RNA

            Proses transkripsi adalah pembentukan molekul RNA sesuai pesan yang diberikan oleh DNA. Pada tahap  ini informasi genetik diberikan kepada molekul RNA yang terbentuk selaku perantara dalam sintesis protein.

            Proses transkripsi membutuhkan rantai DNA tunggal sebagai cetakan, RNA polimerase untuk pemanjangan  rantai RNA, keempat ribonukleosida 5’-trifosfat ( ATP, GTP, UTP, dan CTP), serta berbagai enzim kompleks. Dalam proses ini terbentuk berbagai jenis RNA dari gen DNA yang transkripsi. Gen adalah bagian tertentu dari DNA yang menyandi satu polipeptida (protein) tertentu.

            Proses ini menyerupai replikasi DNA namun ada perbedaan prinsip antara keduannya. Pada sintesis DNA seluruh urutan nukleotida DNA digandakan seperti  DNA induk. Pada transkripsi tidak semua DNA ditraksripsi menjadi RNA, hanya gen atau kolompok gen  yang ditranskripsi. Reaksi polimerisasi RNA berlangsung  mengikuti arah ribonukleosida 5’-trifosfat keribonukleosida 3’-fosfat. Produk  yang terbentuk pada proses ini  adalah RNA yang komplemen dengan salah satu rantai DNA dupleks yang menjadi cetakan.

Semua produk RNA –nya dalam berbagai jenis dan beruntai tunggal. Garis besar tahapan proses sintesis RNA.

Tahap pertama : Enzim polimerase mengikat urutan basa spesifik atau urutan tanda permulaan DNA yaitu rangkaian 10 nukleotida yang kaya pirimidin. Pengikatan ini menyebabkan terbukanya heliks ganda DNA dengan panjang tertentu (inisiasi). RNA polimerase pada bakteri menghasilkan ketiga jenis RNA. Sementara pada sel mamalia memerlukan RNA polimerase berbeda-beda untk mensintesis ketiga jenis RNA.

           

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                    Gambar 10.8 Tahapan Transkripsi

 

Tahap kedua: RNA polimerase mengkatalisis pemanjangan (elongasi)  ikatan fosfodiester antara ribonukleosida trifosfat dan ujung 3- fosfat melalui cara seperti DNA polimerase I. Proses pemanjangan ini disertai dengan hidrolisis pirofoffat untuk membantu menyediakan gaya pendorong untuk reaksi tersebut. Substrat reaksi RNA polimerase adalah ATP, GTP, UTP, dan CTP sesuai dengan komplemennya pada urutan DNA.

Tahap ketiga: Komplemen DNA-RNA (hibrid) yang dihasilkan membuka dengan melepaskan RNA yang terbentuk, diikuti hibridisasi ulang rantai DNA membentuk untai DNA ganda. Pada ujung gen, terdapat urutan penghenti (terminasi). yang menyebabkan proses transkripsi berhenti. Keadaan ini diikuti dengan pelepasan RNA polimerase dari DNA.

Tahap keempat: Adalah tahap akhir dimana terjadi perubahan secara kimia RNA yang terbentuk. Biasanya setelah proses  pembentukan RNA, terjadi proses lanjutan untuk membuat RNA menjadi aktif. rRNA dan tRNA dibuat dalam bentuk prekusor yang lebih panjang, kemudian dimodifikasi dan dipecah untuk menghasilkan berbagai produk akhir. Demikian juga mRNA.

            Pada sel hewan yang terinfeksi virus dapat terjadi transkripsi balik yaitu polimerisasi DNA dari RNA.

	10.2.1.5      BIOSINTESIS  PROTEIN (translasi)

 

 

 

Dalam proses biosintesis protein molekul DNA berperan sebagai cetakan bagi terbentuknya RNA, sedangkan molekul RNA kemudian mengarahkan urutan asam amino dalam pembentukan molekul protein yang berlangsung dalam ribosom. Dengan demikian aliran informasi genetika dalam sel sebagai berikut:

 

                        Transkripsi                       Translasi

DNA                        RNA                         PROTEIN

 

            Untuk memahami lebih lanjut  fungsi RNA dalam sintesis protein, berikut akan dibahas tiga jenis RNA yaitu rRNA ( ribosomal RNA), mRNA (messenger RNA) dan tRNA (transfer RNA).

            rRNA bersama dengan protein merupakan komponen yang membentuk ribosom dalam sel. Walaupun rRNA ini merupakan komponen utama ribosom, namun perananya dlam sintesis protein yang berlangsung diribosom belum diketahui.  rRNA ini merupakan RNA yang paling  banyak ( ± 80%) dibandingkan dua jenis RNA yang lain dari keselurahan RNA.

            mRNA diproduksi dalam inti sel dan merupakan RNA paling sedikit junlahnya

(± 5%)  dari keseluruhan RNA dalam sel. Pembentukan mRNA dalam inti sel menggunakan DNA sebagai molekul cetakan dan susunan basa pada mRNA merupakan komplemen salah satu rantai molekul DNA. Dengan demikian urutan basa purin dan pirimidin pada mRNA serupa dengan uruten purin dan pirimidin salah satu rantai molekul DNA, dengan perbedaan basa timin diganti urasil. mRNA yang terbentuk dalam inti sel kemudian keluar dari inti sel dan masuk kesitoplasma dan terikat pada ribosom.

 

5’- GCGGCGACGCGCAGUUAAUCCC ACAGCCG-3’- mRNA

3’- CGCCGCT GCGCGTCAAT T AGGGTGTCGGC-5’-untai cetakan DNA

5’- GCGGCGACGCGCAGTTAATCCCACAGCCG-3’-untai penyandi DNA

 

            Kode genetika yang berupa urutan basa pada molekul DNA, disalin pada urutan basa nukleotida molekul mRNA. Tiap tiga buah basa yang berurutan (triplet) disebut kodon. Sebagai contoh  AUG adalah kodon yang terbentuk dari kombinasi adenin-urasil-guanin,  GCU adalah kodon yang terbentuk dari kombinasi guanin-sitosin-urasil. Oleh karena basa pada RNA ada empat buah yaitu A,U,C,G, maka akan terdapat  4³ kombinasi atau 64 buah kodon. Mengingat jumlah asam amino hanya 20 buah, maka tidak setiap kodon disediakan bagi satu macam asam amino. Umumnya beberapa jenis kodon disediakan bagi satu macam asam amino. Hanya triptopan da n metionin yang mempunyai satu jenis kodon yaitu UGG untuk triptofan dan AUG untuk metionin.

            Tabel kode genetik dapat dilihat  pada tabel 3. Pada tabel tersebut  terlihat bahwa satu jenis asam amino mempunyai dua kodon atau lebih (kecuali triptofan dan metionin). Kodon yang menunjuk asam amino yang sama disebut sinonim, misalnya CAU dan CAC adalah sinonim untuk histidin. Perbedaan antara sinonim tersebut pada umumnya adalah basa pada kedudukan ketiga, misalnya GUU,GUA,GUC dan GUG menunjuk asam amino sama yakni valin.

            tRNA  adalah asam nukleat (terdiri 73-94 nukleotida). Struktur molekulnya berbentuk daun semanggi (gambar 10.9) yang mempunyai  beberapa tonjolan berupa lengan (stem) dan bagian yang melingkar atau lipatan (loop) yaitu lengan asam amino (1), lengan dan lipatan UH₂ atau dihidro uridin (2), lengan lipatan antikodon (3), lengan ekstra (4), lengan dan lipatan U atau pseudouridin (5).

                Tabel 10. 3  Sandi Genetika

Posisi pertama ( ujung 5’)	Posisi kedua				Posisi ketiga (ujung 3’)
U	U	C	A	G	U C A G
	Phe Phe Leu Leu	Ser Ser Ser Ser	Tyr Tyr Stop Stop	Cys Cys Stop Trp
C	Leu Leu Leu Leu	Pro Pro Pro Pro	His His Gln Gln	Arg Arg Arg Arg	U C A G
A	Ile Ile Ile Met	Thr Thr Thr Thr	Asn Asn Lys Lys	Ser Ser Arg Arg	U C A G
G	Val Val Val Val	Ala Ala Ala Ala	Asp Asp Glu Glu	Gly Gly Gly Gly	U C A G

 

            Gambar (10.9) menunjukkan molekul alanin tRNA dan beberapa nukleosida yang tidak umum seperti : inosin (I), metilinosin(mI), dihidrouridin (UH₂), ribotimidin (T), metilguanosin (mG), dan dimetilguanosin (m₂G), pseudouridin (). Bagian molekul yang penting dalam biosintesis protein ialah lengan asam amino ((1) yang mempunyai fungsi mengikat molekul asam amino tertentu dan lipatan anti kodon (3). Lengan asam amino pada ujung 3 selalu berakhir dengan tiga molekul nukleotida yang mengandung basa sitosin-sitosin-adenin (C-C-A). Lipatan antikodon mempunyai fungsi menemukan kodon yang menjadi pasangannya dalam mRNA yang terdapat dalam ribosom.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                               

Gambar 10.9  Struktur t- RNA

 

            Secara umum biosintesis protein terjadi dalam lima tahap utama:

1.      aktivasi asam amino

2.      inisiasi rantai polipeptida

3.      pemanjangan (elongasi) rantai polipeptida

4.      terminasi (penghentian) dan pembebasan rantai polipeptida

5.      pelipatan dan pengolahan (deformilmetionilasi)

1. Aktivasi asam amino merupakan proses perubahan asam amino menjadi amino asil –tRNA dengan bantuan ATP. Artinya  proses biosintesis  protein tiap molekul tRNA membawa satu molekul asam amino masuk kedalam  ribosom. Pada sel eukariot tahap aktivasi terjadi di sitosol

      (cairan sitoplasma). Pembentukan ikatan asam amino dengan tRNA berlangsung dengan bantuan enzim amino asil sintetase dan ATP melalui 2 tahap reaksi .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                       

Gambar 10.10  Proses Biosintesis Protein (Translasi)

1. Tahap pertama asam amino dengan enzim dan AMP membentuk kompleks aminoasil-AMP-enzim.
2. Kedua, terjadi reaksi antara kompleks aminoasil-AMP-enzim dengan tRNA. Pada reaksi ini terbentuk kompleks tRNA-asam amino, sedangkan AMP dan enzim sintetase dilepaskan kembali.

Reaksinya: 

                                                         Enzim + Mg²⁺

                        asam amino + ATP                  Enzim-aminoasil-AMP + Ppi

                                                                                                                                   

 

                                                                             Enzim + Mg²⁺

                        Aminoasil-AMP + tRNA                      aminoasil- tRNA  + AMP

Pada kompleks amino asil tRNA , asam amino berikatan dengan nukleotida adenosin pada ujung RNA, yaitu pada gugus –OH atom C nomor 3.

2. Di dalam ribosom terdapat sebagian dari rantai nukleotida mRNA yang telah siap menerima tRNA yang membawa asam amino. Tiap molekul aminoasil-tRNA masuk ke dalam ribosom secara berurutan, membentuk pasangan kodon dan anti kodon yang sesuai. Untuk memulai biosintesis protein, tRNA yang mempunyai antikodon UAC mengikat formil-metionin dan masuk ke dalam ribosom menempati bagian dari mRNA yang mempunyai kodon AUG. Formil metionin ini terbentuk setelah tRNA berikatan dengan metionin, kemudian berikutnya dengan  formil FH₂ dengan bantuan enzim formilase

3. Selanjutnya tRNA kedua yang telah mengikat asam amino, misalnya tRNA-metionin, masuk kedlam ribosom dan menempati kodon AUG berikutnya. Dengan cara ini formil metionin yang menjadi asam amino awal membentuk ikatan peptida dengan metionin. Setelah terjadi ikatan peptida, maka tRNA yang pertama dilepaskan dan keluar dari ribosom. Oleh karena dalam ribosom hanya dapat ditempati oleh 2 tRNA, maka tRNA ketiga masuk setelah tRNA yang pertama keluar dari ribosom. Misalnya tRNA yang ketiga ialah tRNA yang mempunyai anti-kodon CAC dan berpasangan dengan kodon ketiga pada mRNA yaitu GUG. tRNA ketiga ini mengikat valin dan dengan masuknya tRNA-valin ke dalam ribosom, maka terjadi ikatan antara metionin –valin. Proses pembentukan ikatan peptida ini berlangsung terus sesuai dengan kode genetika yang terdapat pada molekul mRNA. Reaksi pembentukan ikatan peptida antara molekul asam-asam amino ini dapat berlangsung karena ikut sertanya guanosintrifosfat (GTP) yang berubah menjadi guanosindifosfat (GDP), dengan melepaskan satu gugus fosfat dan energi

4. Proses biosintesis protein akan berhenti apabila pada mRNA terdapat kodon UAA, UAG atau UGA, karena dalam sel normal tidak terdapat tRNA yang mempunyai antikodon komplementer terhadap ketiga kodon tersebut. Ketiga kodon ini merupakan tanda berhenti (stop) pada proses pembentikan ikatan peptida. Sebagai ganti tRNA, ada 2 jenis protein yang dapat mengikat ketiga jenis kodon tersebut. Protein ini berlaku sebagai   sebagai faktor-faktor  pelepas (releasing factor = RF), ikatan asam amino terakhir dengan tRNA. Kedua jenis protein ini diberi tanda RF₁ dan RF₂. RF₁ dapat mengadakan ikatan dengan kodon UAA dan UAG, sedangkan RF₂ dengan UAA dan UGA. Terbentuknya ikatan kedua protein tersebut dengan mRNA dapat mengaktifkan enzim transferase peptidil, sehingga enzim ini dapat bekerja sebagai katalis dalam reaksi hidrolisis yang mengakibatkan terlepasnya asam amino terakhir dari molekul tRNA.

5. Setelah tahap terminasi, dilanjutkan dengan tahap pelipatan dan pengolahan yang bertujuan untuk memperoleh sifat aktif dari polipeptida (protein) yang terbentuk. Terbentuknya ikatan kedua protein tersebut dengan mRNA dapat mengaktifkan enzim transferase peptidil, sehingga enzim ini dapat bekerja sebagai katalis dalam reaksi hidrolisis yang mengakibatkan terlepasnya asam amino terakhir dari molekul tRNA.

 

10.2.2    Latihan

Untuk memperdalam pemahaman anda tentang materi diatas, kerjakan soal-soal latihan berikut:

1. Jelaskan beberapa persamaan dan perbedaan antara DNA dan RNA
2. Mengapa struktur DNA berbentuk heliks ganda sedangkan RNA tidak.
3. Jelaskan bagaimana proses biosintesis DNA (replikasi) yang bersifat semikonservatif.
4. Terangkan pula tahapan mekanisme proses transkripsi RNA.

 

 

10.2.3 Petunjuk Jawaban Soal-soal latihan

1.   a.  Memiliki gugus gula  deoksiribosa (DNA), ribosa (RNA)

b. Basa nitrogennya  guanin (G), sitosin (C), timin (T) dan adenin (A)   untuk DNA; sedangkan RNA timin diganti Urasil (U)

c.  Memiliki rantai heliks ganda anti paralel(DNA), RNA rantai tunggal

d.Kandungan basa nitrogen antara kedua rantai sama banyak dan  berpasangan spesifik satu dengan lain. Guanin selalu berpasangan dengan sitosin ( G –C), dan adenin berpasangan dengan timin (A - T), sehingga jumlah guanin selalu sama dengan jumlah sitosin. Demikian pula adenin dan timin. Untuk RNA pasangan urasil dengan Adenin (U-A) pengganti timin pada DNA.

  2. Struktur heliks ganda oleh DNA dipengaruhi oleh adanya ikatan hidrogen antara basa-basa yang terikat pada  gula yakni ikatan hidrogen dan nitrogen dari basa purin dan pirimidin. Contoh adenin dapat membentuk dua ikatan hidrogen dengan timin, guanin 3 ikatan dengan sitosin. Sedangkan rantai RNA berupa rantai tunggal yang terlipat sehingga menyerupai rantai ganda.

      3.  Biosintesis DNA yang terjadi secara semikonservatif karena hanya satu untaian induk DNA dipertahankan pada tiap DNA keturunan . Artinya dengan satu molekul DNA dengan dua rantai antiparalel bereplikasi, mula akan menghasilkan 2 rantai DNA baru, kemudian 4 (2 asli ditambah 2 yang terbentuk) dan bereplikasi lagi  jadi 8, 16, 32 dan  seterusnya.

      4. Proses transkripsi yaitu pembentukan molekul RNA sesuai pesan yang diberikan oleh DNA. Artinya informasi genetik diberikan kepada molekul RNA yang terbentuk selaku perantara dalam sintesis protein. (mekanismenya jelas diterangkan diatas)

 

 

 

   

10.2.4    Rangkuman

            Asam nukleat dalam sel ada 2 macam yakni DNA dan RNA. Seperti halnya DNA, RNA adalah merupakan polimer nukleotida. Monomer nukleotida tersusun atas tiga gugus molekul yakni 1). Gula ribosa, 2) Posfat atau P, 3) basa-Nitrogen .

            Sintesis molekul DNA (replikasi) terdiri atas beberapa reaksi yaitu: tahap pembukaan DNA untai ganda superkoil; tahap sintesis oligonukleotida primer; pemanjangan rantai DNA arah 5”—3”; pelepasan primer; penyambungan fragmen DNA baru dan pembentukan ikatan fosfodiester. Yang melibatkan peran berbagai enzim seperti ligase, DNA polimerase, DNA Helikase, Protein pengikat, DNA Girase.

            Arus informasi genetik pada sel normal berawal dari DNA ke RNA terus ke protein. Sintesis RNA berdasarkan suatu cetakan DNA disebut proses transkripsi. Sedangkan sintesis protein berdasarkan suatu cetakan RNA disebut Translasi.

            Proses sintesis RNA menyerupai pembentukan Dna tetapi ada perbedaan prinsip dimana kalau sintesis DNA seluruh urutan nkleotida DNA digandakan seperti DNA induk, pada sintesis RNA tidak semua DNA ditranskripsi menjadi RNA, hanya gen atau kolompok gen yang ditarnskripsi.  Produk yang terbentuk adalah RNA yang komplementer dengan salah satu rantai DNA dupleks yang jadi cetakan.

            Sintesis RNA (transkripsi) terdiri 4 tahap reaksi : pertama enzim RNA polimerase mengikat urutan basa spesifik, kedua RNA polimerase mengkatalisis pemanjangan ikatan fosfodiester antara ribonukleotia trifosfat dan ujung 3’-fosfat melalui cara seperti DNA polimerase I, ketiga, komplemen DNA-RNA (hibrid DNA-RNA) yang dihasilkan membuka dengan melepaskan RNA yang terbentuk diikuti hibridisasi ulang rantai DNA membentuk untai DNA ganda. Keempat, terjadi pengubahan secara kimia RNA yang terbentuk.

            Sintesis protein (translasi) yaitu molekul Rna yang terbentuk menerjemahkan informasi genetik ke dalam proses pembentukan protein. Pada tahap ini asam-asam amino secara berurutan diikat satu dengan yng lain, sesuai pesan yang diberikan DNA. Berlangsung diribosom dan melalui 5 tahapan reaksi yakni aktivasi asam amino; inisiasi rantai polipetida, pemanjangan (elongasi) rantai polipetida; terminasi dan pembebasan rantai polipeptida serta tahap pelipatan dan pengolahan

 

10.3      PENUTUP

10.3.1  Tes Formatif

1. Sebutkan  3 jenis RNA yang saudara ketahui.
2. Apa yang dimaksud dengan kodon dan anti kodon.
3. Senyawa-senyawa apa yang diperoleh apabila suatu asam nukleat dihidrolisis secara sempurna?
4. Jelaskan bagaimana fungsi mRNA dalam biosintesis protein.
5. Terangkan 5 tahapan proses biosintesis protein (translasi ). 

 

10.3.2 Umpan Balik

Anda dapat menguasai materi ini dengan baik jika memperhatikan hal-hal berikut:

1. Membuat ringkasan materi pada setiap bab sebelum materi tersebut dibahas dalam diskusi kelas.
2. Aktif dalam diskusi baik kelompok kecil maupun kelompok besar.
3. Mengerjakan latihan.

 

10.3.3  Tindak Lanjut

1.       Apabila mahasiswa dapat menyelesaikan 80% dari test formatif diatas, maka mahasiswa tersebut dapat melanjutkan ke bab selanjutnya, sebab pengetahuan tentang asam nukleat  adalah dasar pengetahuan untuk mengenal senyawa pembawa informasi genetik dan keterkaitannya dengan ilmu lain seperti genetika dan biomolekuler.

2.       Jika ada diantara mahasiswa belum mencapai penguasaan 80% dianjurkan untuk :

-          mempelajari kembali topik di atas dari awal

-          berdiskusi dengan teman terutama pada hal-hal yang belum dikuasai

-          bertanya kepada dosen jika ada hal-hal yang tidak jelas dalam diskusi.

 

10.3.4  Kunci Jawaban tes formatif

1. Tiga macam RNA, yaitu tRNA (transfer RNA), mRNA (mesenger RNA), dan rRNA (ribosomal RNA).
2. kodon adalah urutan tiga basa (triplet) misalnya AUG, anti kodon adalah kebalikannya.triplet yang mengenali kodon pada ujung molekul tRNA.
3. Basa (purin atau pirimidin); gula ribosa atau deoksiribosa; senyawa fosfat
4. Fungsi mRNA dalam biosintesis protein adalah pembentukan  mRNA dalam inti sel menggunakan molekul DNA sehingga strukturnya hampir sama dengan DNA cetakan (timin diganti urasil),mRNA yang terbentuk kemudian keluar dari inti dan masuk ke dalam sitoplasma dan terikat dengan ribosom, kode genetika pada DNA disalin urutan basanya kerantai molekul mRNA dalam bentuk kodon.(mRNA menyalin urutan basa yang di kodon oleh DNA)
5. 1)aktivasi asam amino; 2)inisiasi rantai polipeptida; 3) pemanjangan (elongasi) rantai polipeptida; 4) terminasi (penghentian) dan pembebasan rantai polipeptida ; 5) pelipatan dan pengolahan (deformilmetionilasi)

 

 

 

 

 

 

 

 BUKU SUMBER

 

1.      Arbianto,P., 1993, Biokimia Konsep-Konsep Dasar, DEPDIKBUD, DIKTI, Proyek Pendidikan Tenaga Akademik; Jakarta.

2.      Campbell, Reece-Mitchell., 2002, Biologi, edisi kelima-Jilid I; Penerbit Erlangga

3.      Stryer Lubert., 2000, Biochemistry,  volume 1,2,3 edisi 4., EGC Jakarta

4.      Murray, Robert (et,al)., 2001,  Harper’s Review Of Biochemistry., Edisi 25, EGC., Jakarta.

5.      Poedjiadi,A., 1994, Dasar-Dasar Biokimia. Universitas Indonesia-Press.

 

SENARAI

tRNA                 : transfer RNA, molekul RNA yang berfungsi sebagai penginterpretasi antara asam nukleat dan bahasa protein dengan cara memilih dan membawa asam amino spesifik dan mengenali kodon yang tepat pada mRNA.

Kode triplet     : Kumpulan kata-kata dengan panjang 3 nukleotida yang menentukan asam amino untuk rantai polipeptida.

Transkripsi       : Sintesis RNA pada suatu cetakan DNA.

Kodon               : Suatu urutan DNA atau mRNA yang terdiri atas tiga nukleotida yang menspesifikasi asam amino tertentu atau sinyal terminal; unit dasar kode genetik.

Anti kodon       : Triplet basa terspesialisasi yang terdapat pada salah satu ujung molekul tRNA, yang bisa mengenali suatu kodon komplementer tertentu pada suatu molekul mRNA.

Translasi           : Sintesis polipeptida dengan menggunakan informasi genetik yang dikode pada suatu molekul mRNA.

mRNA               : mesenger RNA (pembawa pesan)

transkripsi balik : (reverse transcriptase) suatu enzim yang dikode oleh beberapa virus RNA yang menggunakan RNA sebagai cetakan untuk sintesis DNA

By. Musrin Salila