Ekspresi Gen

1. Ekspresi Gen

a. Normal

Ekspresi gen abnormal dalam hal ini sesuai dengan dogma sentral biologi molekuler

Replikasi DNA

Ada 3 hipotesis mengenai replikasi DNA yaitu semikonservatif, konservatif dan dispersif

Hipotesis semikonservatif : setiap molekul untai ganda DNA anakan terdiri atas satu

untai-tunggal DNA induk dan satu untai tunggal DNA hasil sintesis baru.

Konservatif : DNA untai ganda induk tetap bergabung sedangkan kedua untaian DNA

anakan terdiri atas molekul hasil sintesis baru.

Dispersif : molekul DNA induk mengalami fragmentasi sehingga DNA anakan terdiri

atas campuran molekul lama (induk) dan molekul hasil sintesis baru

Di antara ketiga cara replikasi DNA yang diusulkan tersebut, hanya cara semikonservatif

yang digunakan hingga saat ini

Konservatif Semikonservatif Dispersif

Gambar 4

Replikasi bahan genetik memerlukan beberapa komponen utama yaitu :

1. DNA cetakan

2. Enzim DNA polimerase : enzim utama yg mengkatalisa polimerisasi nukleotida menjadi

untaian DNA

3. Enzim primase : mengkatalisis sintesis primer untuk memulai replikasi DNA

4. Enzim helikase : pembuka ikatan untaian DNA induk. Dibantu oleh enzim girase

5. Protein SSB (single strand binding protein) : menstabilkan untaian DNA yg sudah

terbuka

6. Enzim DNA ligase : menyambung fragmen-fragmen DNA

Replikasi DNA berlangsung dalam 5 tahapan, yaitu :

1) denaturasi (pemisahan) untaian DNA induk;

2). peng”awal”an (inisiasi) sintesis DNA;

3). Pemanjangan untaian DNA;

4). Ligasi fragmen DNA;

5) peng”akhir”an (terminasi) sintesis DNA

Replikasi DNA dimulai pada tempat-tempat khusus yang disebut pangkal replikasi

( origin of replication ). Gelembung-gelembung replikasi terbentuk. Disetiap ujung

gelembung terdapat cabang replikasi ( replication fork ), suatu daerah berbentuk y dimana

nantinya untai-untai DNA baru mulai memanjang. Pemanjangan DNA baru pada cabang

replikasi dikatalisis oleh enzim-enzim yang disebut DNA Polimerase. Setelah helikase

membuka helix ganda induk, terjadi dua sintesis pada dua rantai cabang induk.

1. Leading strand. Rantai ini disintesis secara terus menerus dengan arah 5’→3’ oleh

DNA Polimerase.

2. Lagging strand, disintesis secara tidak kontinu. Primase mensintesis primer RNA

pendek, yang diperpanjang oleh DNA polimerase membentuk fragmen okazaki.

Lagging strand tumbuh dengan arah 3’→5’, tetapi fragmen okazakinya tumbuh

dengan arah 5’→3’ . Nantinya setelah fragmen-fragmen okazaki terbentuk, DNA

Ligase akan menggabungkannya.

Gambar 5

Proses Transkripsi

Transkripsi yaitu proses sintesis RNA rantai tunggalndengan rantai basa yang

komplementer terhadap satu rantai dari DNA rantai-ganda disintesis. Enzim yang dibawa disebut

DNA-dependent RNA polymerase, proses ini terjadi dalam. 3 tahap yaitu Inisiasi, elongasi, dan

terminasi.

a. Inisiasi (gambar 6.a)

Inisiasi diawali pada promoter, yaitu daerah DNA di mana RNA polimerase

melekat dan mengawali transkripsi. Promoter merupakan start point terjadinya transkripsi

dan promoter juga menentukan yang mana dari kedua untai DNA yang digunakan. Dalam

sel eukariota, kumpulan protein yang disebut faktor transkripsi menjadi perantara antara

pengikatan polimerase RNA dan inisiasi transkripsi. Susunan antara faktor transkripsi

dan RNa polimerase yang mengikatkan diri pada promoter disebut kompleks inisiasi

transkripsi. Pada tahap ini DNA membuka, dan sintesis RNA dimulai pada titik-awal dari

untai cetakannya.

b. Elongasi (gambar 6.b)

Pada saat RNA bergerak di sepanjang DNA, RNA terus membuka pilinan heliks

ganda sekaligus untuk berpasangan dengan nukleotida RNA dam pada saat RNA sedang

tumbuh (dicetak) enzim polimerase menambahkan nukleotida di sepanjang untai heliks-

ganda.

c. Terminasi (gambar 7.a)

Tahap ini, RNA polimerase mentranskripsi urutan DNA yang disebut terminator,

sebagai tanda proses transkripsi telah berakhir. Akhir dari transkripsi, terbentuknya rantai

RNA, namun RNA polimerase akan terus berjalan sampai 10-35 nukleotida terlalui, dan

kamudian dipotong oleh spliocome dan tempat potongan tersebut akan ditambahkan ekor

poli (A) yang nantinya akan digunakan untuk membantu ribosom melekat pada mRNA

dan menghambat terjadinya inhibisi RNA.

Gambar 6.a dan 6.b

Gambar 7.a dan 7.b

Proses Translasi

Translasi ini merupakan lankjutan dari proses transkripsi. Perangkat-perangkat yang

berperan antara lain t-RNA dan ribosom. Proses ini berlangsung di sitoplasma tepatnya di

ribosom. Translasi ini nantinya akan menghasilkan asam amino. Tahapan-tahapan yang terjadi

dalam proses ini adalah :

1. Inisiasi (gambar 8)

Dimulai dengan menempelnya m-RNA dan t-RNA inisiator pada ribosom unit kecil.

Kemudian diikuti dengan pelekatan ribosom sub unit besar. Terbentulkah kompleks

inisiasi.

2. Elongasi (gambar 9,10,11), terdiri atas beberapa tahapan lagi yaitu:

1. Pengenalan kodon. Kodon m-RNA pada tempat A ( Aminoasil ) membentuk ikatan

hidrogen dengan antikodon t-RNA yang masuk membawa asam amino yang sesuai

dengan kodon.

2. Pembentukan ikatan peptida. Ribosom mengkatalisis pembentukan asam amino

dengan menggabungkan rantai asam amino yang sebelumnya trelah terbentuk di

tempat P ke asam amino yang baru tiba pada tempat A. Jadi rantai asam amino

memisahkan diri dari t-RNA tempat ia melekat sebelumnya untuk berikatan dengan

asam amino yang dibawa oleh t-RNA yang melekat pada tempat A.

3. Translokasi, t-RNA yang ada pada tempat A ditranslokasi ke tempat P. Sementara

itu t-RNA di tempat P akan bergeser ke tempat E dan dilepaskan keluar ribosom.

3. Terminasi (gambar 12)

Merupakan tahap terakhir dari translasi. Ketika suatu ribosom mencapai kodon terminasi

UAA, UGA, UAG. Tempat A dari ribosom menerima protein yang disebut faktor

pelepas. Faktor ini menghidrolisis ikatan antara t-RNA di tempat P dan asam amino

terakhir. Kedua sub unit ribosom pun terpisah.

Gambar 8 Gambar 9

Gambar 10 Gambar 11

Gambar 12

b. Abnormal (mutasi)

Ekspresi gen yang abnormal, terjadi akibat kesalahan pada ekspresi yang salah, baik pada

DNA, kromosom dan pencetakan asam amino. Ekspresi gen yang abnormal akan

menyebabkan terjadinya mutasi. Mutasi yaitu perubahan konstitusi genetik dari sel induk

ke sel anak atau merupakan suatu ekspresi gen yang bersifat abnormal. Mutasi terjadi

pada tingkat gen disebut dengan mutasi gen, dan mutasi yang terjadi pada tingkat

kromosom disebut mutasi kromosom.

a) Mutasi Gen

Mutasi gen dapat dikelompokkan menjadi dua kelompok. Yaitu mutasi substitusi

dan mutasi insersi atau delesi. Adapun penjelasan dari mutasi tersebut tertera sebagai

berikut:

1. Mutasi subsititusi : mutasi yang disebabkan karena ada penggantian basa nitrogen.

Mutasi subsititusi diantaranya;

Mutasi transisi

Suatu pasangan purin-pirimidin digantikan oleh pasangan purin-pirimidin lain

Misal : AT à GC, CGàTA

Mutasi transversi

Suatu pasangan purin-pirimidin à digantikan oleh pasangan pirmidin-purin

ATàTA, GCàCG

Mutasi missense, terjadi penggantian satu asam amino dengan asam amino

lainnya

Mutasi nonsense, terjadi karena terminasi prematur pada proses sintesis

protein/polipeptida

Neutral mutation adalah mutasi pada kodon mRNA yang hasil substitusi asam

aminonya tidak menimbulkan perubahan fungsi pada protein yang ditranslasi

Asam amino pengganti mempunyai struktur kimia yang equivalen dengan asam

amino yang digantikan 5’-AAA-3’(arginin) à 5’-AGA-3’ (lisin)

Silent mutation adalah perubahan pada pasangan basa nitrogen gen yang

mengubah kodon mRNA, tetapi menghasilkan insersi asam amino yang sama

Mutasi transisi AT-GC yang merubahn kodon 5’-AAA-3’ (lisin) à5’-AAG-3”

(lisin)

2. Mutasi Insersi/delesi : mutasi yang disebabkan karena adanya kehilangan 1 basa

nitrogen pada rantai DNA.

b) Mutasi Kromosom

Mutasi kromosom terdiri atas mutasi jumlah kromosom dan mutasi struktur

kromosom.

1. Mutasi jumlah kromosom terdiri atas: euploidi yang menyangkut seluruh set

kromosom. Contohnya : monosomi (2n-1), trisomi (2n+1), tetrasomi (2n+),

pentasomi (2n+3) dan aneuploidi yang menyangkut kromosom tunggal dalam suatu

set kromosom.

Contoh aneuploidi yang monosomi yaitu Sindrom Turner (45, XO) dengan cirri-

ciri tubuh pendek, dada lebar, tanda kelamin sekunder tidak berkembang, dan ada

kulit tambahan pada leher. Adapun contoh aneuploidi pada trisomi yaitu : ada yang

menyangkut kromosom kelamin dan ada juga yang menyangkut autosom.

Trisomi untuk kromosom kelamin :

1) Sindrom Klinefelter (47, XXY) : fenotip pria dengan tanda-tanda wanita

seperti tubuh pendek, suara tinggi seperti wanita, testis kecil, lengan dan kaki

ekstrim panjang. Sindrom Klinefelter terjadi karena adanya non disjunction.

Misalnya saja fertilisasi ovum XX oleh spermatozoa Y atau fertilisasi ovum X

oleh spermatozoa XY.

2) Sindrom Triple-X (47,XXX) : adanya gangguan mental, menstruasi tidak

teratur. Kelainan ini terjadi karena adanya non disjunction pada waktu ibu

membentuk gamet.

3) Pria XXY : tubuh tinggi, IQ antara 80-118, leebih agresif dibandingkan pria

normal dan banyak ditemukan di penjara. Kelainan ini terjadi karena non

disjunction selama meiosis II.

Trisomi untuk autosom :

1) Sindrom Down (47,XX, +21) atau (47, XY, +21) : tubuh pendek dan puntung,

lengan atau kaki kadang-kadang bengkok, kepala lebar, tubuh membulat,

mulut selalu terbuka, ujung lidah besar, IQ antara 25-75 tapi kebanyakan

kurang dari 40.

2) Sindrom Patau (47,XX, +13) atau (47, XY, +13) : cacat mental, tuli, celah

bibir dan atau palatum, polidaktili, mata kecil, kelainan otak, jantung, ginjal,

usus, tangan dan kaki tampak rusak.

3) Sindrom Edwars (47,XX, +18) atau (47, XY, +18) : telinga rendah, rahang

bawah juga rendah, mulut kecil, tuna mental, ginjal double, dan sternum

pendek.

4) Trisomi pada abortus spontan : trisomi D dan E, trisomi 7, 1, 5, 12, 17, 19

serta trisomi C.

2. Mutasi kromosom pada struktur kromosom :

1) Delesi / defisien : hilangnya sebagian kromosom karena kromosom itu patah.

Delesi pada kromosom ini terdiri atas dua yaitu delesi terminal (kromosom

patah di satu tempat dekat ujung kromosom dan delesi interkalar (patah di dua

tempat sehingga kromosom akan kehilangan suatu segmen di bagian tengah.

Contohnya yaitu Sindrom Cri-du Chat (46,XX,5p-) atau (46,XY,5p-) :

hilangnya lengan pendek pada autosom no-5. tapi biasanya mengadakan

translokasi dengan autosom no 15. ciri-cirinya yaitu kepala kecil, muka lebar,

hidung seperti pelana, kedua matanya jauh letaknya, biasanya IQ antara 20-40

dan tangisan mirip bunyi kucing.

2) Duplikasi yaitu suatu bagian dari sebuah kromosom memiliki gen-gen yang

berulang.

3) Inversi yaitu suatu bagian dari sebuah kromosom memiliki urutan gen yang

terbalik. Inversi terdiri atas dua bagian yaitu inversi parasentris (sentromer di

sebelah luar bagian yang mengalami inversi) dan inversi perisentris

(sentromer terletak di bagian dalam yang mengalami inversi).

Translokasi yaitu perubahan posisi segmen kromosom dan urutan gen yang

terkandung di dalamnya ke lokasi yang berbeda pada genom.

MEKANISME PERTUKARAN ZAT

Pertukaran zat dapat dilakukan melalui transport aktif dan transport pasif.

a. Transport pasif

Transport pasif dapat dilakukan dengan beberapa cara yaitu:

1. Difusi yaitu gerakan partikel dari konsentrasi tinggi ke konsentrasi yang rendah.

Difusi dapat dibagi menjadi,

Difusi pasif

Difusi pasif adalah persitiwa mengalir atau berpindahnya suatu zat dalam pelarut

dari bagian berkonsentrasi tinggi ke rendah melalui pori-pori membrane sel.

Disini, membran berfungsi sebagai saringan atau tapis. Air bergerak lebih cepat

Difusi terfasilitasi

2. Dialisis adalah pemisahan partikel yang terlarut kristaloid yang berdiameter kurang

dari 1 nm (misalnya ion, glukosa, oksigen), dengan berdifusi melalui membran yang

pemeabel untuk partikel tersebut.

3. Osmosis yakni penyaringan molekul air melalui selaput atau membran permiabel.

4. Filtrasi yakni kekuatan gerakan air dan molekul yang dapat berdifusi melewati

membran plasma akibat tekanan mekanik atau tekanan mekanik atau tekanan cairan

yang tinggi, contohnya tekanan darah hidrostatik.

b. Transport aktif

Transport aktif adalah transport yang menggunakan energi metabolik dari reaksi kimia.

Transport aktif dapat dibedakan menjadi dua yaitu:

1. Transport yang diperantarai oleh carier.

2. Transport massa yang berukuran besar adalah suatu proses aktif mentransport partikel

besar dan makro molekul yang menembus membran plasma dengan membungkusnya

dalam suatu atau dengan melipat membran untuk membentuk suatu vesikel atau

vakuola yang melekat pada membran.

Zat dapat ditransfer melalui dua cara. Ada zat yang masuk ke dalam sel (endositosis) dan ada

zat yang keluar dari sel (eksositosis).

Endositosis adalah suatu proses pemasukan zat ke dalam sel. Endositosis meliputi dua

hal yaitu :

1. Fagositosis yaitu proses penelanan suatu zat padat

yang besar dengan cara melipat membran plasma

untuk membuat atau membentuk suatu vesikel fagositik.

2. Endositosis diperantarai reseptor yaitu mengacu

pada proses pengikatan molekul resetor dipermukaan

sel dengan zat tertentu yang disebut ligan.

Kompleks reseptor ligan kemudian mengalami

proses endositosis untuk bisa masuk ke dalam sel.

3. Pinositosis (pino=minum) berarti menelan tetesan

kecil cairan ektraselular yang mungkin

mengandung nutrien yang sudah terurai dan

memasukkannya kedalam sel.

Eksositosis adalah suatu proses pengeluaran zat dari dalam sel.

Substansi yang akan dilepas dibungkus secara vesikel yang berdifusi dengan membran

sel agar dapat keluar. Contohnya bisa kita lihat pada pelepasan produk dari sel-sel

sekretori pankreas dan perlepasan transmiter kimia dari sel-sel saraf di ujung saraf.

Organel Sel

Ribosom

Struktur

Bentuknya bergranula kecil berwarna hitam (berdiameter 25 nm), yang tersusun dari

RNA ribosomal dan hampir 80 jenis protein.Ribosom ditemukan sebagai granula

individual atau dalam kelompok yang disebut poliribosom. Ribosom ada yang menempel

pada RE dan ada yang bebas pada sitoplasma.

Fungsi

Ribosom merupakan tempat sintesis proteim. Ribosom bebas terlibat dalam sintesis

protelr: untuk di pakai sel itu sendiri : misalnya dalam pembaruan enzim dan membrane.

Ribosum yang berikatan merupakan tempat berlangsungnya sintesis protein yang

merupakan produk sekretori yang akan di keluarkan sel.

Retikulum Endoplasma

Struktur

Saluran berdinding mempunyai labiri dan berhubungan dengan nucleus. RE terdiri

tersusun dari jarring-jaring rongga (sisterna ) datar yang dilapisi membrane yang

menyambung membran plasma dan membran nuclear. Ada dua jenis reticulum

endoplasma: RE kasar (granula), yang membrannya memiliki ribosom, dan RE halus

( agranulan), yang tidak memiliki ribosom. Dalam sel yang mengandung kedua jenis RE

tersebut, RE kasar bersambungan dengan retikulum endoplasma halus.

Fungsi

Untuk menampung protein hasil sintesis rebosom dan sintesis lipid serta dapat

mendeteksi obat-obatan dalam hati. RE merupakan tempat utama sintesis produk sel dan

juga berperan dalam transport dan penyimpanannya. RE kasar menonjol pada sel yang

khusus untuk sekresi protein seperti enzim pencernaan. RE halus banyak terdapat dalam

sel beberapa kelenjar endukrin yang menyintesis hormon dalam sel hati. Pada sel otot,

RE halus disebut reticulum sarkoplasma dan turut berperan dalam proses kontraksi.

Apparatus Golgi

Struktur

Gelembung berdinding membran. Aparatus golgi mengandung 4 sampai 7 kantong datar

yang terikat membran, atau sisterna, masing-masing bentuknya agak melekuk. Kantong

tersebut tersusun seperti mangkok terbalik. Permukaan konveks susunan menghadap ke

reticulum endoplasma dan nucleus ; permukaan konkaf menghadap ke permukaan

eksternal sel. Biasanya ada banyak vesikel transport di sisi perifer tonjolan dan ada

sedikit penebalan vakuola yang berukuran lebih besar pada salah satu kutub.

Fungsi

Aparatus golgi berhubungan langsung dengan RE kasar menyusun lipoprotein. Apparatus

golgi merupakan tempat untuk akumulasi, konsentrasi, pembungkusan dan kimia produk

sekretori yang disintesis dalam reticulum endoplasma kasar. Aparatus golgi dapat

memproses protein yang berfungsi secara intraseluler, seperti enzim lisosom.

Mitokondria

Sruktur

Terdapat hampir disemua sel kecuali dalam sel darah merah, jumlahnya sel berhubungan

dengan konsumsi energy

sel. Mitokondria tampak

seperti batang atau filament

yang bergerak dengan

konstan dalam $sel hidup.

Setiap mitokondria terdiri

dari membran terluar yang

halus dan membran dalam

yang berbentuk lipatan

yang disebut dengan Krista.

Krista menonjol

menyerupai rak dalam

mitoondria dan menambah

bidang permukaan

membran bagian dalam.

Ruang anatr Krista

dipenuhi matrik yang berisi protein, DNA, RNA,dan ribosom.

Fungsi

Mitokondria sebagai pusat respirasi sel, dan protein membrannya tidak dibentuk oleh RE

tetapi oleh free ribosom di mitokondria. Mempunyai DNA untuk memprogram sntesis

protein untuk sisanya. Mitokondria sering disebut sebagai pembangkit tenaga sel karena

fungsi terpentingnya adalah memproduksi energy dalam bentuk ATP. Energi tersebut

dihasilkan dari penguraian nutrient seperti glukosa, asam amino, dan asam lemak. Enzim

yang dibutuhkan untuk melepas energy secara kimia, terlokalisasi dalam matrik

mitokondria dan partikel kecil pada Krista.

Lisosom

Struktur

Merupakan vesikel dari apparatus golgi dan memiliki enzim pencernaan.dan merupakan

vesikel kecil yang terikat membran, mengandung

hampir 50 jenis enzim hidrolitik, yang mampu

menguraikan hampir semua jenis makromolekul

(protein, lipid, karbohidrat, asam nukleat). Lisosom

primer hanya mengandung enzim; lisosom sekunder

mengandung enzim dan materi terdegradasi.

Fungsi

Untuk mencerna organel yang telah mati, dapat menghancurkan benda asing, dapat

mengeluarkan enzim dari dalam sel. Dan fungsi utam liusosom adalah untuk pencernaan

intraselule. Lisosom memegang peranan dalam proses normal dan patologis. Padas el

fagositik, agens yang berpotensi membahayakan seperti bakteri,virus, atau toksin akan

dimakan sel tersebut. Agens tersebut akan melebur denag lisosom primer untuk

memebentuk lisosom sekunder yang kemudian dicerna. Kerusakan sel akibat sejumlah

pengaruh fisik atau kimia dapat menyebabkan membran lisosom hancur dan enzim

terlepas kedalam sitoplasma. Autolisis atau pencernaan sel yang dihasilkan, menjadikan

lisosom disebut kantong bunuh diri untuk sel.

Peroksisom

Struktur

Ruangan metabolism dilingkungan membran tunggal,

peroksisom adalah organel kecil, sferikal yang terikat pada

membran serta mengandung enzim destruktif.

Fungsi

Untuk menghasilkan enzim katalase yang berfungsi

mengubah H2O2 (racun) menjadi uap air (H2O). peroksisom berfungsi untuk melindungi

sel dari pengaruh yang rusak, peroksiso juga berfungsi dalam mebolisme lipid.

Mekanisme kerja organel

Komponen ribosom seperti bagian kecil, bagaian besar serta RNA Mesengger disintesis

dalam nucleus. Setelah komponen ini terbentuk, komponen tersebut keluar melewati pori

nucleus, komponen-komponen ribosom tersebut bersatu dan menuju sitoplasma. Dalam

perjalanannya ribosom ada yang menempel di Retikulum Endoplasma. Ribosom yang

menempel pada Retikulum Endoplasma tersebut mensintesi protein. Hasil protein yang

terbentuk masuk kedalam saluran reticulum Endoplasma yang disebut cisterna. Cisterna

kemudian membentuk vesikel. Dan vesikel ini menuju dan bergabung dengan apparatus

gogi. Protein yang dibawa vesikula, disempurnakan oleh badan gogidan menghasilkan

enzim maupun hormone. Dari saluran golgi, enzim diteruskan ke membrane dan keluar

sel. Vesikel yangmengandung enzim pencernaan diesbut Lisosom, dan vesikel yang

mengandung enzim untuk mengubah Hidrogen Peroksida menjadi oksigen diebut

peroksisom.

Mekanisme pertahanan diri sel

Apabila ada benda asing yang mendekati sel terutama pada sel- sel makrofage maka

benda ini akan dilingkupi oleh membrane sel dan kemudian benda ini masuk kedalam

sitoplasma dalam satu gelembung bermebran yang disebut fagosom. Fagosom kemudian

akan didekati oleh lisosom dan membrannya akan melebur sehingga enzim –enzim dalam

lisosom akan dapat menghancurkan benda asing tersebut. Proses penghancuran benda

asing ini disebut endositosis apabila benda asing berupa cairan disebut pinositosis.

Apabila benda asing yang berbentuk padat dinamakan fagositosis. Bahan – bahan yang

berasal dari benda asing yang telah hancur yang masih berguna langsung masuk kedalam

sitoplasma sedangkan sisanya yang tidak berguna atau mungkin berbahaya akan dibawa

keluar dari dalam sel.