AKTIVITAS GEN DAN PENGATURANNYA: SINTESIS

PROTEINdr. Arfianti, M.Biomed, M.Sc

Protein • Working molecules of the cells• Action and properties of cells• Encoded by genes• Gene: Unit of DNA that contain information to specify

synthesis of single polipeptide chain or functional RNA (tRNA and rRNA)

Gene expression• Information encoded in gene is transformed

to protein• Gene products: protein and RNA

4 basic molecular genetic processes

MODIFIKASI POST TRANSKRIPSI

RNA splicing• DNA yang tidak mengkode protein (non-

coding region=intron) dan bagian DNA yang mengkode protein (coding region=ekson).

• Proses pemotongan intron dan ekson yang ada digabungkan

Capping (tudung) penambahan GTP pada 5’-end mRNA melindungi RNA dari degradasi oleh enzim hidrolitik di dalam sitoplasma dan sebagai tempat awal perlekatan ribosom.

• Poli Aujung 3’ ditambahkan ekor poli A yang terdiri dari 30 sampai 200 nukleotida adenin yang fungsinya sama seperti capping.

KODE GENETIKA• Sintesis protein KODE GENETIK yang

terdapat pada mRNA• 64 triplet nukleotida kodon• Setiap kodon menyandi salah satu dari

20 asam amino • Satu asam amino >1 kodon.• AUG: START CODON/Met • UAA, UAG dan UGA : STOP CODON

TRANSLASI• penerjemahan kode genetik pada mRNA

protein• 3 types of RNA:

– mRNA: membawa informasi genetik dalam bentuk kodon

– tRNA: bertugas menterjemahkan dan mentransfer asam-asam amino yang sesuai dengan kodon

– rRNA: bergabung dengan suatu kompleks protein membentuk ribosom, katalisis proses sintesis polipeptida

• Aminoacyl-tRNA synthetase menggabungkan asam amino dengan tRNA yang sesuai

• 20 macam enzim ini di dalam sitoplasma.

RIBOSOM• terdiri atas subunit besar dan subunit

kecilprotein-protein dan rRNA • mempunyai 3 tempat untuk pengikatan tRNA:

– P-site (tRNA peptidil): tempat pengikatan tRNA yang membawa rantai polipeptid yang sedang tumbuh.

– A-site (tRNA-aminoasil): tempat pengikatan tRNA yang membawa asam amino yang berikutnya akan ditambahkan pada rantai polipeptida.

– E-site (tRNA-Elongasi): tRNA yang tidak lagi mengandung asam amino meninggalkan ribosom melalui E-site.

Ribosom

TAHAPAN PROSES TRANSLASI

• Inisiasi• Elongasi• Terminasi

MODIFIKASI POST-TRANSLASI • Folding (pelipatan) konformasi spesifik • Asetilasi, glikosilasi, fosforilasi, hidroksilasi• Pemisahan satu atau lebih asam amino pada

ujung amino rantai polipeptida• Pembelahan rantai polipeptida menjadi dua

atau lebih potongan. Contoh insulin• Bergabung dengan rantai polipeptida lainnya • Perubahan modifikasi protein penyakit (c:

Alzheimer’s)

PENGATURAN AKTIVITAS GEN

• Ciri organisme kemampuan untuk beradaptasi terhadap perubahan survive pengaturan aktivitas gen Pengaturan metabolisme

• Kontrol metabolisme:1. Mengatur jumlah enzim spesifik

mengatur ekspresi suatu gen2. Mengatur aktivitas katalitik dari

enzim yang sudah ada

Prekursor

Triptofan

Enzim 1

Enzim 2

Enzim 3

Gen 1

Gen 2

Gen 3

PENGATURAN AKTIVITAS GEN PROKARIOT

• 2 katagori enzim: 1.Enzim yang tidak diregulasi

enzim konstitutif2.Enzim tergantung kepada

metabolit yang spesifik, misalnya substrat dapat diregulasi.

• Pengaturan aktivitas gen bakteri Francois Jacob dan Jacques Monod (1961) sistem operon.

• Operon sekelompok gen yang berhubungan erat dan terlibat dalam sintesis sekelompok protein yang terlibat dalam biosintesis suatu asam amino

•System operon terdiri dari:1.Gen pengontrol gen operator dan promoter

• Gen operator menentukan akses RNA polimerase ke gen struktur.

• Gen promoter tempat inisiasi transkripsi2.Gen struktur adalah gen yang akan ditranskripsi dan ditranslasi menghasilkan protein sesuai dengan fungsi gen tersebut.

Lac-operon: operon indusibel

• Produksi energi dari -galaktosidase • -galaktosidase memecah laktosa glukosa

dan galaktosa. • Gen struktur gen z (-galaktosidase), gen y

(permease) dan gen a (transasetilase).• Gen pengatur (gen i) protein represor• operon indusibel jalur katabolik enzim-

enzim diproduksi hanya jika nutriennya tersedia maka dapat dihindarkan pembuatan protein yang tidak diperlukan.

Trp – operon: operon represibel

• E. coli mensintesis triptofan dari sebuah molekul precursor melalui beberapa tahap reaksi.

• Seluruh enzim yang diperlukan untuk sintesis triptofan dikelompokkan menjadi satu di dalam kromosom.

• Satu promoter bekerja untuk seluruh gen yang menyandi enzim tersebut, membentuk unit transkripsi.

• Operon represibel jalur anabolic, jika triptofan dalam sel kadarnya >> mekanisme umpan balik

• trp-operon dan lac-operon kontrol negatif aktivitas gen operon diubah menjadi off oleh protein repressor yang aktif

• kontrol positif jika protein activator berinteraksi langsung dengan gen operator menyebabkan operon menjadi on.

PENGATURAN AKTIVITAS GEN EUKARIOT

• Lebih kompleks • Struktur gen eukariot yang lebih kompleks• Organisme multiseluler diferensiasi• Diferensiasi spesialisasi dari struktur dan

fungsi sel selama periode perkembangan suatu organisme.

• Pengaturan aktivitas gen eukariot setiap langkah dalam jalur dari gen sampai protein fungsional.

• Kromosom eukariot DNA 2 X 108 nt 6 cm ribuan kali lebih panjang dari diameter nucleus.

• Seluruh DNA dalam 46 kromosom dapat masuk ke dalam nucleus melalui system pengemasan DNA yang kompleks.

• DNA dikemas dengan protein histon nukleosom

• H1, H2A, H2B, H3 dan H4. • Nukleosom DNA dan 2 molekul histon (dari

H2A, H2B, H3 dan H4) H1 benang kromatin 30 nm protein non-histon melipat kromosom

• Proses replikasi dan transkripsi DNA dalam kromosom baru bisa terjadi jika protein histon dan non-histon melepaskan diri dari DNA.

• Kromosom dg miskroskop elektron:–Heterokromatin lebih padat/gelap

gen tidak aktif–Eukromatin lebih terang gen aktif

Pengaturan aktivitas gen eukariot dapat terjadi melalui:

• Modifikasi struktur kromatin• Inisiasi transkripsi• Modifikasi post transkripsi• Kontrol translasi• Modifikasi post translasi

• Modifikasi kromatin – Metilasi DNApenempelan gugus metil (-

CH3) pada basa DNA (citosin) tidak aktif demetilasi inaktif menjadi aktif. Contohnya salah satu kromosom X-nya banyak memiliki gugus metil sehingga biasanya salah satu kromosom X tersebut tidak aktif.

– Asetilasi histonpenempelan gugus asetil (-COCH3) pada asam amino tertentu dari protein histon ikatannya terhadap DNA menjadi melonggar mempermudah akses factor transkripsi

• Kontrol transkripsi – Struktur gen eukariot, terdiri dari:

• o Ekson• o Intron• o Elemen kontrol inisiasi

transkripsi:– Promoter– Enhancer terletak jauh dari gen

yang dikontrolnya Faktor transkripsi yang berinteraksi

dg enhancer dan menstimulasi transkripsi activator inhibisi transkripsi disebut repressor.

• Kontrol modifikasi post transkripsi – Alternatif splicing: beberapa molekul

mRNA mature dihasilkan dari 1 molekul pre-mRNA

– Pengaturan degradasi mRNA Molekul mRNA sel prokariot umur

pendek didegradasi oleh enzim di dalam sitoplasma dalam beberapa menit.

mRNA sel eukariot bisa berjam-jam, berhari-hari atau bahkan berminggu-minggu

• Kontrol translasi – Kontrol inisiasi translasi penempelan

subunit kecil ribosom dan tRNA inisiator.– Translasi dapat dihambat apabila suatu

protein regulator mengikatkan diri pada ujung 5’ mRNA mencegah penempelan ribosom

– Contoh: sel telur banyak menyimpan mRNA di sitoplasmanya yang tidak ditranslasi sampai tepat sesudah fertilisasi.

• Kontrol modifikasi post translasi – Modifikasi protein dan transport protein ke

sel sasarankontrol ekspresi gen. – Protein umur yang terbatas degradasi.– Protein siklin siklus sel umur yang

relatif pendek agar berfungsi dengan baik Mutasi gen siklin protein tidak didegradasi kanker.