SINTESIS PROTEIN DAN KODE GENETIK

SINTESIS PROTEIN

Proses sintesis protein memerlukan adanya molekul RNA dan DNA. RNA merupakan materi genetik di dalam kromosom dan DNA sebagai pembawa sifat keturunan. Gen mencetak protein yang spesifik melalui transkripsi dan translasi.

Prinsip Dasar Transkripsi dan Translasi

Gen menyediakan instruksi untuk membuat protein spesifik. Akan tetapi, gen tidak membangun protein secara langsung. Jembatan antara DNA dan sintesis protein adalah asam nukleat RNA. RNA mirip dengan DNA secara kimiawi, hanya saja RNA mengandung gula ribosa sebagai pengganti deoksiribosa dan mengandung basa bernitrogen urasil sebagai pengganti timin.


Dengan demikian, setiap nukleotida di sepanjang untai DNA mengandung A, G, C, atau T sebagai basanya, sedangkan setiap nukleotida di sepanjang untai RNA mengandung A, G, C, atau U sebagai basanya. Molekul RNA biasanya terdiri atas satu untai tunggal.

Dalam RNA atau DNA, monomer adalah keempat tipe nukleotida, yang berbeda dalam kandungan basa nitrogen. Gen umumnya memiliki panjang yang mencapai ratusan atau ribuan nukleotida; masing-masing gen mengandung sekuen basa spesifik.

Setiap polipeptida dari suatu protein juga mengandung monomer-monomer yang tertata dalam urutan linear tertentu (struktur primer protein), namun monomer-monomernya merupakan asam amino.

Dengan demikian, asam nukleat dan protein mengandung informasi yang tertulis dalam dua bahasa kimiawi yang berbeda. Ini membutuhkan dua tahap utama dari DNA ke protein, yaitu transkripsi dan translasi.

TRANSKRIPSI

Transkripsi adalah sintesis RNA di bawah arahan DNA. Kedua asam nukleat menggunakan bahasa yang sama, dan informasi hanya ditranskripsi, atau disalin, dari satu molekul menjadi molekul lain. Selain menjadi cetakan untuk sintesis untai komplementer baru saat replikasi DNA, untai DNA juga bisa berperan sebagai cetakan untuk merakit sekuens nukleotida RNA komplementer.

Untuk gen pengkode protein, molekul RNA yang dihasilkan merupakan transkrip akurat dari instruksi pembangun protein yang dikandung oleh gen. molekul RNA transkrip bisa dikirimkan dalam banyak salinan. Tipe molekul RNA ini disebut RNA duta (messenger RNA, mRNA) karena mengandung pesan genetik dari DNA ke mekanisme sintesis protein sel.

Transkripsi menghasilkan 3 macam RNA yaitu mRNA, tRNA, dan rRNA.

mRNA (RNA messengger) 

mRNA (RNA messengger) fungsinya membawa informasi DNA dari inti sel ke ribosom. Pesan-pesan ini berupa triplet basa yang ada pada mRNA yang disebut kodon. Kodon pada mRNA merupakan komplemen dari kodogen (agen pengkode), yaitu urutan basa-basa nitrogen pada DNA yang dipakai sebagai pola cetakan. Peristiwa pembentukan mRNA oleh DNA di dalam inti sel, disebut transkripsi.

tRNA (RNA transfer)

tRNA (RNA transfer) fungsinya mengenali kodon dan menerjemahkan menjadi asam amino di ribosom. Peran tRNA ini dikenal dengan nama translasi (penerjemahan). Urutan basa nitrogen pada tRNA disebut antikodon. Bentuk tRNA seperti daun semanggi dengan 4 ujung yang penting, yaitu:

1. Ujung pengenal kodon yang berupa triplet basa yang disebut antikodon. 
2. Ujung perangkai asam amino yang berfungsi mengikat asam amino. 
3. Ujung pengenal enzim yang membantu mengikat asam amino. 
4. Ujung pengenal ribosom.

rRNA (RNA Ribosom) 

rRNA (RNA Ribosom) fungsinya sebagai tempat pembentukan protein. rRNA terdiri dari 2 sub unit, yaitu: 1) Sub unit kecil yang berperan dalam mengikat mRNA. 2) Sub unit besar yang berperan untuk mengikat tRNA yang sesuai.

Transkripsi terjadi di dalam sitoplasma dan diawali dengan membukanya rantai ganda DNA melalui kerja enzim RNA polimerase. Sebuah rantai tunggal berfungsi sebagai rantai cetakan atau rantai sense, rantai yang lain dari pasangan DNA ini disebut rantai anti sense.

Tidak seperti pada replikasi yang terjadi pada semua DNA, transkripsi ini hanya terjadi pada segmen DNA yang mengandung kelompok gen tertentu saja. Oleh karena itu, nukleotida nukleotida pada rantai sense yang akan ditranskripsi menjadi molekul RNA dikenal sebagai unit transkripsi.

Tahapan Proses Transkripsi

1) Inisiasi (Permulaan)

Jika pada proses replikasi dikenal daerah pangkal replikasi, pada transkripsi ini dikenal promoter, yaitu daerah DNA sebagai tempat melekatnya RNA polimerase untuk memulai transkripsi. RNA polymerase melekat atau berikatan dengan promoter, setelah promoter berikatan dengan kumpulan protein yang disebut faktor transkripsi.

Kumpulan antara promoter, RNA polimerase, dan faktor transkripsi ini disebut kompleks inisiasi transkripsi. Selanjutnya, RNA polymerase membuka rantai ganda DNA.

2) Elongasi (Pemanjangan)

Setelah membuka pilinan rantai ganda DNA, RNA polimerase ini kemudian menyusun untaian nukleotida-nukleotida RNA dengan arah 5´ ke 3´. Pada tahap elongasi ini, RNA mengalami pertumbuhan memanjang seiring dengan pembentukan pasangan basa nitrogen DNA. Pembentukan RNA analog dengan pembentukan pasangan basa nitrogen pada replikasi. Pada RNA tidak terdapat basa pirimidin timin (T), melainkan urasil (U).

Oleh karena itu, RNA akan membentuk pasangan basa urasil dengan adenin pada rantai DNA. Tiga macam basa yang lain, yaitu adenin, guanin, dan sitosin dari DNA akan berpasangan dengan basa komplemennya masing-masing sesuai dengan pengaturan pemasangan basa. Adenin berpasangan dengan urasil dan guanin dengan sitosin (Gambar 3.13).

3) Terminasi (Pengakhiran)

Penyusunan untaian nukleotida RNA yang telah dimulai dari daerah promoter berakhir di daerah terminator. Setelah transkripsi selesai, rantai DNA menyatu kembali seperti semula dan RNA polymerase segera terlepas dari DNA. Akhirnya, RNA terlepas dan terbentuklah mRNA yang baru. Pada sel prokariotik, RNA hasil transkripsi dari DNA, langsung berperan sebagai mRNA.

Sementara itu, RNA hasil transkripsi gen pengkode protein pada sel eukariotik, akan menjadi mRNA yang fungsional (aktif) setelah melalui proses tertentu terlebih dahulu. Dengan demikian, pada rantai tunggal mRNA terdapat beberapa urut-urutan basa nitrogen yang merupakan komplemen (pasangan) dari pesan genetik (urutan basa nitrogen) DNA. Setiap tiga macam urutan basa nitrogen pada nukleotida mRNA hasil transkripsi ini disebut sebagai triplet atau kodon.

TRANSLASI

Translasi adalah sintesis polipeptida yang terjadi dibawah arahan mRNA. Selama tahap ini terjadi perubahan bahasa. Sel harus menerjemahkan alias menstranslasikan sekuens basa molekul mRNA menjadi sekuens asam amino polipeptida.

Tempat terjadinya translasi adalah ribosom, partikel-partikel kompleks yang memfasilitasi penautan teratur asam amino menjadi rantai polipetida. Translasi merupakan proses penerjemahan beberapa triplet atau kodon dari mRNA menjadi asam amino-asam amino yang akhirnya membentuk protein.

Urutan basa nitrogen yang berbeda pada setiap triplet, akan diterjemahkan menjadi asam amino yang berbeda. Misalnya, asam amino fenilalanin diterjemahkan dari triplet UUU (terdiri dari 3 basa urasil), asam amino triptofan (UGG), asam amino glisin (GGC), dan asam amino serin UCA.

Sebanyak 20 macam asam amino yang diperlukan untuk pembentukan protein merupakan hasil terjemahan triplet dari mRNA. Selanjutnya, dari beberapa asam amino (puluhan, ratusan, atau ribuan) tersebut dihasilkan rantai polipeptida spesifik dan akan membentuk protein spesifik pula.

Tahapan Proses Translasi

1) Inisiasi Translasi 

Ribosom sub unit kecil mengikatkan diri pada mRNA yang telah membawa sandi bagi asam amino yang akan dibuat, serta mengikat pada bagian inisiator tRNA.

Selanjutnya, molekul besar ribosom juga ikut  terikat bersama ketiga molekul tersebut membentuk kompleks inisiasi. Molekul-molekul tRNA mengikat dan memindahkan asam amino dari sitoplasma menuju ribosom dengan menggunakan energi GTP dan enzim.

Bagian ujung tRNA yang satu membawa antikodon, berupa triplet basa nitrogen. Sementara, ujung yang lain membawa satu jenis asam amino dari sitoplasma.

Kemudian, asam amino tertentu tersebut diaktifkan oleh tRNA tertentu pula dengan menghubungkan antikodon dan kodon (pengode asam amino) pada mRNA. Kodon pemula pada proses translasi adalah AUG, yang akan mengkode pembentukan asam amino metionin.

Oleh karena itu, antikodon tRNA yang akan berpasangan dengan kodon pemula adalah UAC. tRNA tersebut membawa asam amino metionin pada sisi pembawa asam aminonya.

2) Elongasi
Tahap pengaktifan asam amino terjadi kodon demi kodon sehingga dihasilkan asam amino satu demi satu. Asam-asam amino yang telah diaktifkan oleh kerja tRNA sebelumnya, dihubungkan melalui ikatan peptida membentuk polipeptida pada ujung tRNA pembawa asam amino.

Misalnya, tRNA membawa asam amino fenilalanin, maka anticodon berupa AAA kemudian berhubungan dengan kodon mRNA UUU. Fenilalanin tersebut dihubungkan dengan metionin membentuk peptida. Melalui proses elongasi, rantai polipeptida yang sedang tumbuh tersebut semakin panjang akibat penambahan asam amino.

3) Terminasi


Proses translasi berhenti setelah antikodon yang dibawa tRNA bertemu dengan kodon UAA, UAG, atau UGA. Dengan demikian, rantai polipeptida yang telah terbentuk akan dilepaskan dari ribosom dan diolah membentuk protein fungsional.

Perbedaan Proses Transkripsi Dan Translasi Pada Prokariotik Dan Eukariotik
Mekanisme dasar transkripsi dan translasi mirip pada prokariotik dan eukariotik, namun ada perbedaan penting dalam aliran informasi genetik pada sel-sel.

Karena sel prokariotik tidak memiliki nukleus, DNAnya tidak disegregasi dari ribosom dan peralatan penyintesis protein lain. Ketiadaan segregasi ini memungkinkan translasi mRNA dimulai saat transkripsi masih berlangsung. Sebaliknya, dalam sel eukariotik, selaput nukleus memisahkan tempat dan waktu berlangsungnya transkripsi dan translasi.

Transkripsi terjadi di dalam nukleus, dan mRNA ditranspor ke sitoplasma, tempat translasi terjadi. Namun sebelum bisa meninggalkan nukleus, transkrip RNA eukariotik dari gen pengode protein dimodifikasi dalam berbagai cara untuk menghasilkan mRNA akhir yang fungsional.

Transkripsi gen eukariotik pengode protein menghasilkan pre-mRNA, dan pemrosesan lebih lanjut menghasilkan mRNA akhir. Awal transkrip RNA dari gen apapun, termasuk yang mengodekan RNA yang tidak ditranslasi menjadi protein, secara umum disebut transkrip primer ( primary transcript ).

KODE GENETIK

Sintesis protein terjadi di dalam DNA, hanya terdapat empat macam basa nukleotida untuk menspesifikasikan 20 asam amino.

Baca juga: SINTESIS PROTEIN DAN KODE GENETIK part1

Aliran informasi dari gen ke protein didasarkan pada kode triplet (triplet code): instruksi-instruksi genetik untuk rantai polilpetida ditulis dalam DNA sebagai rangkaian kata tiga nukleotida yang tidak tumpang tindih.

Misalnya, triplet basa AGT diposisi tertentu pada seuntai DNA menghasilkan penempatan asam amino serin pada posisi yang bersesuaian dari polipeptida yang sedang dibuat. Untuk setiap gen, hanya satu dari kedua untai DNA yang ditranskripsikan.

Untaian ini disebut untai cetakan (template strand) karena menyediakan pola, atau cetakan, untuk sekuens nukleotida-nukleotida dalam transkrip RNA. Untai DNA tertentu merupakan untai cetakan untuk beberapa gen disepanjang molekul DNA, sedangkan untuk gen-gen lain untai komplementerlah yang berfungsi sebagai cetakan.

Perlu diperhatikan untuk suatu gen, untai yang sama digunakan sebagai cetakan setiap kali gen tersebut ditranskripsi.

Perpasangan serupa dengan yang terbentuk saat replikasi DNA, hanya saja U, pengganti untuk T pada RNA, berpasangan dengan A, dan nukleotida mRNA mengandung ribosa, bukan deoksiribosa. Seperti untai baru DNA, molekul RNA disintesis dengan arah yang anti pararel terhadap untai cetakan DNA.

Misalnya triplet basa ACC pada DNA (ditulis sebagai 3’-ACC-5’) menjadi cetakan untuk 5’-UGG-3’ pada molekul mRNA. Triplet basa mRNA disebut kodon dan biasanya ditulis dengan arah 5’ à 3’.

Dalam contoh kita, UGG merupakan kodon untuk asam amino triptofan (disingkat Trp). Istilah kodon juga digunakan untuk triplet basa disepanjang untai bukan cetakan (non template).

Kodon-kodon ini komplementer terhadap untai cetakan, dan dengan demikian bersekuens identik dengan mRNA hanya saja mengandung T bukan U (karena alasan ini, untai DNA bukan cetakan, terkadang disebut ‘untai pengode’).

Saat translasi, sekuens kodon di sepanjang molekul mRNA diterjemahkan atau ditranslasi, menjadi sekuens asam amino yang menyusun rantai polipeptida.

Karena kodon merupakan triplet basa, jumlah nukleotida yang menyusun suatu pesan genetik pastilah tiga kali lebih banyak daripada jumlah asam amino dalam protein yang dihasilkan.

 Misalnya 300 nukleotida diperlukan disepanjang satu untai mRNA untuk menodekan asam-asam amino dalam polipeptida yang panjangnya 100 asam amino.

Kodon pertama kali dipecahkan pada tahun 1961 oleh Marshal Nirenberg dan Mathei. Mereka melakukan percobaan menggunakan E. coli dengan asam poli urasil. Menurut hasil percobaan tersebut, cetakan UUU yang dibawa oleh mRNA, artinya adalah asam amino fenilalanin.

Dengan cara yang sama, triplet CCC diartikan sebagai prolin dan triplet AAA artinya asam amino lisin. Pada kamus kode genetik terdapat 64 kombinasi triplet untuk 20 asam amino. Jadi, terdapat asam amino tertentu melebihi triplet (kodon). Setiap triplet disusun oleh 3 basa nitrogen.

Rangkaian tiga basa nitrogen yang menyusun kode disebut triple atau trikodon atau kodon. Rangkaian tiga basa nitrogen yang ada pada DNA yang bertugas membuat kode-kode disebut kodogen (agen pengkode).

Dari 64 triplet hanya 61 triplet yang mengodekan asam amino (lihat tabel kodon) . Ketiga kodon yang tidak mengodekan asam amino merupakan sinyal ‘stop’, atau kodon terminasi, yang menandai akhir translasi. Perhatikan bahwa kodon AUG berfungsi ganda: mengodekan asam amino metionin (Met) dan berfungsi sebagai sinyal ‘mulai’, atau kodon inisiasi.

Tabel Kodon

Pesan-pesan genetik dimulai dengan kodon mRNA, AUG, yang memberi sinyal pada mekanisme penyintesis protein untuk mulai mentraslasikan mRNA pada lokasi itu. (karena AUG juga mengodekan metionin), rantai polipeptida diawali oleh Metionin saat disintesis. Akan tetapi, sejenis enzim mungkin akan segera menyingkirkan asam amino strarter dari rantai tersebut.

Lihatlah tabel kodon ada redundansi dalam kode genetik, namun tidak ada ambiguitas. Misalnya walaupun kodon GAA dan GAG sama-sama menspesifikasikan asam glutamat (redundansi) tidak ada satu pun diantaranya yang menspesifikasikan asam amino lain (tidak ada ambiguitas).

Sumber:

Campbell, Neil A, & Reece, Jane B. 2008. Biologi 1 Ed. 8. Jakarta: Erlangga

Demikian materi biologi pada posting kali ini mengenai sintesis protein dan kode genetika. Semoga bermanfaat.

Terimakasih.

Bagikan Artikel ini