[Buku Bahasa Indonesia] Guyton And Hall Textbook of Medical Physiology
BAB 3
Pengendalian Genetik Sintesis Protein, Fungsi Sel, dan Reproduksi Sel
Hampir semua orang mengetahui bahwa gen, yang terletak di dalam inti semua sel tubuh, mengendalikan pewarisan sifat dari orang tua kepada anak. Namun, sebagian besar orang tidak menyadari bahwa gen yang sama juga mengendalikan fungsi sehari-hari semua sel tubuh. Gen mengatur fungsi sel dengan menentukan zat apa yang disintesis di dalam sel—struktur apa yang dibentuk, enzim apa yang dihasilkan, dan zat kimia apa yang diproduksi.
Gambar 3-1 menunjukkan skema umum pengendalian genetik. Setiap gen, yang merupakan asam nukleat yang disebut asam deoksiribonukleat (DNA), secara otomatis mengendalikan pembentukan asam nukleat lain, yaitu asam ribonukleat (RNA). RNA ini kemudian menyebar ke seluruh sel untuk mengendalikan pembentukan protein tertentu. Seluruh proses ini, mulai dari transkripsi kode genetik di dalam inti hingga translasi kode RNA dan pembentukan protein di sitoplasma sel, sering disebut sebagai ekspresi gen.
Karena terdapat sekitar 30.000 gen yang berbeda di setiap sel, secara teoritis memungkinkan terbentuknya sejumlah besar protein seluler yang berbeda.
Sebagian protein seluler merupakan protein struktural yang, bersama dengan berbagai lipid dan karbohidrat, membentuk struktur berbagai organel intraseluler yang telah dibahas pada Bab 2. Namun, sebagian besar protein adalah enzim yang mengkatalisis berbagai reaksi kimia di dalam sel. Sebagai contoh, enzim mempercepat semua reaksi oksidatif yang menyediakan energi bagi sel, serta membantu sintesis berbagai zat seluler seperti lipid, glikogen, dan adenosin trifosfat (ATP).
Gen dalam Inti Sel
Di dalam inti sel, sejumlah besar gen tersusun ujung ke ujung dalam molekul DNA heliks ganda yang sangat panjang, dengan berat molekul mencapai miliaran. Segmen sangat pendek dari molekul ini ditunjukkan pada Gambar 3-2. Molekul tersebut tersusun dari beberapa senyawa kimia sederhana yang terikat dalam pola teratur, yang rinciannya dijelaskan pada bagian berikut.
Unit Dasar Penyusun DNA
Gambar 3-3 menunjukkan senyawa kimia dasar yang terlibat dalam pembentukan DNA. Senyawa tersebut meliputi (1) asam fosfat, (2) gula yang disebut deoksiribosa, dan (3) empat basa nitrogen (dua purin, yaitu adenin dan guanin, serta dua pirimidin, yaitu timin dan sitosin). Asam fosfat dan deoksiribosa membentuk dua rantai heliks yang menjadi kerangka utama molekul DNA, sedangkan basa nitrogen terletak di antara kedua rantai tersebut dan menghubungkannya.
Nukleotida
Tahap awal pembentukan DNA adalah penggabungan satu molekul asam fosfat, satu molekul deoksiribosa, dan satu dari empat basa nitrogen untuk membentuk satu nukleotida asam. Dengan demikian, terbentuk empat jenis nukleotida, masing-masing untuk setiap basa, yaitu asam deoksiadenilat, deoksitimidilat, deoksiguanilat, dan deoksisitidilat.
Gambar 3-1. Skema umum bagaimana gen mengendalikan fungsi sel.
Organisasi Nukleotida Membentuk Dua Rantai DNA yang Terikat Longgar
Gambar 3-6 menunjukkan cara sejumlah besar nukleotida terikat bersama membentuk dua rantai DNA. Kedua rantai ini kemudian terikat satu sama lain secara longgar melalui ikatan silang yang lemah, yang ditunjukkan pada Gambar 3-6 dengan garis putus-putus di bagian tengah. Perlu diperhatikan bahwa kerangka setiap rantai DNA tersusun dari susunan bergantian antara asam fosfat dan deoksiribosa. Basa purin dan pirimidin melekat pada sisi molekul deoksiribosa. Selanjutnya, melalui ikatan hidrogen yang lemah (ditunjukkan dengan garis putus-putus) antara basa purin dan pirimidin, kedua rantai DNA tersebut dipertahankan bersama.
Namun, perhatikan hal berikut:
- Setiap basa purin adenin pada satu rantai selalu berikatan dengan basa pirimidin timin pada rantai lainnya.
- Setiap basa purin guanin selalu berikatan dengan basa pirimidin sitosin.
Gambar 3-2. Struktur gen berbentuk heliks ganda. Rantai luar tersusun dari asam fosfat dan gula deoksiribosa. Molekul di bagian dalam yang menghubungkan kedua rantai heliks adalah basa purin dan pirimidin; inilah yang menentukan “kode” gen.
Gambar 3-3. Unit dasar penyusun DNA.
Gambar 3-4. Asam deoksiadenilat, salah satu nukleotida yang menyusun DNA.
Dengan demikian, pada Gambar 3-6, urutan pasangan basa komplementer adalah CG, CG, GC, TA, CG, TA, GC, AT, dan AT. Karena ikatan hidrogen bersifat lemah, kedua rantai dapat dengan mudah terpisah, dan hal ini terjadi berulang kali selama fungsinya di dalam sel.
Untuk menggambarkan bentuk fisiknya secara tepat, kedua ujung DNA dapat diputar membentuk heliks. Dalam setiap satu putaran penuh heliks DNA terdapat 10 pasangan nukleotida, seperti ditunjukkan pada Gambar 3-2.
Kode Genetik
Pentingnya DNA terletak pada kemampuannya mengendalikan pembentukan protein di dalam sel. Hal ini dilakukan melalui kode genetik. Ketika kedua rantai DNA terpisah, basa purin dan pirimidin yang menonjol dari masing-masing rantai menjadi terbuka, seperti terlihat pada rantai atas di Gambar 3-7. Basa-basa inilah yang membentuk kode genetik.
Kode genetik terdiri dari rangkaian “triplet” basa, yaitu setiap tiga basa berturut-turut merupakan satu kata kode. Triplet-triplet ini pada akhirnya mengatur urutan asam amino dalam molekul protein yang akan disintesis di dalam sel. Perhatikan pada Gambar 3-6 bahwa rantai atas DNA, dibaca dari kiri ke kanan, memiliki kode genetik GGC, AGA, dan CTT, dengan setiap triplet dipisahkan oleh tanda panah. Jika diikuti melalui Gambar 3-7 dan 3-8, terlihat bahwa ketiga triplet tersebut bertanggung jawab atas penempatan berturut-turut tiga asam amino, yaitu prolin, serin, dan asam glutamat, dalam molekul protein yang baru terbentuk.
Gambar 3-6. Susunan nukleotida deoksiribosa dalam dua rantai DNA.
Gambar 3-5. Simbol untuk empat nukleotida yang membentuk DNA. Setiap nukleotida mengandung asam fosfat (P), deoksiribosa (D), dan salah satu dari empat basa: A (adenin), T (timin), G (guanin), atau C (sitosin).
Gambar 3-7. Kombinasi nukleotida ribosa dengan satu rantai DNA untuk membentuk molekul RNA yang membawa kode genetik dari gen ke sitoplasma. Enzim RNA polimerase bergerak sepanjang rantai DNA dan membentuk molekul RNA.
Gambar 3-8. Bagian dari molekul RNA yang menunjukkan tiga “kodon” RNA—CCG, UCU, dan GAA—yang masing-masing mengendalikan penempelan tiga asam amino, yaitu prolin, serin, dan asam glutamat, pada rantai RNA yang sedang tumbuh.
Pemindahan Kode DNA di Inti Sel ke Kode RNA di Sitoplasma—Proses Transkripsi
Karena DNA terletak di dalam inti sel, sementara sebagian besar fungsi sel berlangsung di sitoplasma, diperlukan suatu mekanisme agar gen DNA di inti dapat mengendalikan reaksi kimia di sitoplasma. Hal ini dicapai melalui perantara jenis asam nukleat lain, yaitu RNA, yang pembentukannya dikendalikan oleh DNA di inti.
Seperti ditunjukkan pada Gambar 3-7, kode genetik dipindahkan ke RNA melalui proses yang disebut transkripsi. RNA kemudian berdifusi dari inti melalui pori-pori inti menuju kompartemen sitoplasma, tempat RNA mengendalikan sintesis protein.
Sintesis RNA
Selama sintesis RNA, kedua rantai molekul DNA akan terpisah sementara; salah satu rantai digunakan sebagai cetakan untuk sintesis molekul RNA. Triplet kode pada DNA menyebabkan terbentuknya triplet kode komplementer (disebut kodon) pada RNA; kodon ini kemudian mengatur urutan asam amino dalam protein yang akan disintesis di sitoplasma sel.
Unit Dasar Penyusun RNA
Unit dasar penyusun RNA hampir sama dengan DNA, dengan dua perbedaan. Pertama, gula deoksiribosa tidak digunakan dalam pembentukan RNA. Sebagai gantinya, digunakan gula lain dengan komposisi sedikit berbeda, yaitu ribosa, yang memiliki satu gugus hidroksil tambahan pada struktur cincin ribosa. Kedua, timin digantikan oleh pirimidin lain, yaitu urasil.
Pembentukan Nukleotida RNA
Unit dasar RNA membentuk nukleotida RNA, sama seperti yang telah dijelaskan pada sintesis DNA. Empat jenis nukleotida digunakan dalam pembentukan RNA. Nukleotida ini mengandung basa adenin, guanin, sitosin, dan urasil. Perlu diperhatikan bahwa basa-basa ini sama dengan yang terdapat pada DNA, kecuali bahwa pada RNA, urasil menggantikan timin.
“Aktivasi” Nukleotida RNA
Langkah berikutnya dalam sintesis RNA adalah “aktivasi” nukleotida RNA oleh enzim RNA polimerase. Proses ini terjadi dengan penambahan dua gugus fosfat tambahan pada setiap nukleotida sehingga membentuk trifosfat (ditunjukkan pada Gambar 3-7 oleh dua nukleotida RNA di bagian paling kanan selama pembentukan rantai RNA). Dua gugus fosfat terakhir ini terikat pada nukleotida melalui ikatan fosfat berenergi tinggi yang berasal dari ATP di dalam sel.
Hasil dari proses aktivasi ini adalah tersedianya energi ATP dalam jumlah besar pada setiap nukleotida, yang digunakan untuk mendorong reaksi kimia penambahan setiap nukleotida RNA baru pada ujung rantai RNA yang sedang terbentuk.
Perakitan Rantai RNA dari Nukleotida Teraktivasi Menggunakan Rantai DNA sebagai Cetakan—Proses “Transkripsi”
Perakitan molekul RNA berlangsung seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3-7 di bawah pengaruh enzim RNA polimerase. Enzim ini merupakan protein besar yang memiliki banyak fungsi penting dalam pembentukan RNA, yaitu sebagai berikut:
- Pada rantai DNA tepat di depan gen awal terdapat urutan nukleotida yang disebut promoter. RNA polimerase memiliki struktur komplementer yang dapat mengenali promoter ini dan kemudian menempel padanya. Ini merupakan langkah penting untuk memulai pembentukan molekul RNA.
- Setelah RNA polimerase menempel pada promoter, enzim ini menyebabkan pembukaan sekitar dua putaran heliks DNA dan memisahkan bagian yang terbuka dari kedua rantai.
- Selanjutnya, polimerase bergerak sepanjang rantai DNA, membuka dan memisahkan kedua rantai DNA secara sementara pada setiap tahap pergerakannya. Saat bergerak, enzim ini menambahkan satu nukleotida RNA teraktivasi pada ujung rantai RNA yang sedang terbentuk melalui langkah-langkah berikut:
a. Pertama, membentuk ikatan hidrogen antara basa pada ujung rantai DNA dan basa dari nukleotida RNA di nukleoplasma.
b. Kemudian, satu per satu, RNA polimerase melepaskan dua dari tiga gugus fosfat dari setiap nukleotida RNA, sehingga melepaskan energi dalam jumlah besar dari pemutusan ikatan fosfat berenergi tinggi; energi ini digunakan untuk membentuk ikatan kovalen antara fosfat yang tersisa pada nukleotida dengan ribosa di ujung rantai RNA yang sedang tumbuh.
c. Ketika RNA polimerase mencapai ujung gen DNA, enzim ini menemukan urutan nukleotida khusus yang disebut urutan terminasi rantai; hal ini menyebabkan polimerase dan rantai RNA yang baru terbentuk terlepas dari rantai DNA. Setelah itu, polimerase dapat digunakan kembali untuk membentuk rantai RNA baru lainnya.
d. Selama pembentukan rantai RNA baru, ikatan hidrogen yang lemah antara RNA dan DNA akan terputus karena DNA memiliki afinitas tinggi untuk kembali berikatan dengan rantai DNA komplementernya. Akibatnya, rantai RNA terlepas dari DNA dan dilepaskan ke dalam nukleoplasma.
Dengan demikian, kode yang terdapat pada rantai DNA akhirnya ditransmisikan dalam bentuk komplementer ke rantai RNA. Basa nukleotida ribosa selalu berpasangan dengan basa deoksiribosa sebagai berikut:
Empat Jenis RNA yang Berbeda
Setiap jenis RNA memiliki peran yang berbeda dalam pembentukan protein:
Baca Juga: Lighten PDF Converter OCR 6.1.1 Full Version
- RNA duta (mRNA), yang membawa kode genetik ke sitoplasma untuk mengatur jenis protein yang dibentuk.
- RNA transfer (tRNA), yang mengangkut asam amino teraktivasi ke ribosom untuk digunakan dalam perakitan molekul protein.
- RNA ribosom, yang bersama dengan sekitar 75 jenis protein membentuk ribosom, yaitu struktur fisik dan kimia tempat molekul protein dirakit.
- MikroRNA (miRNA), yaitu molekul RNA beruntai tunggal yang terdiri dari 21 hingga 23 nukleotida dan dapat mengatur transkripsi serta translasi gen.
RNA Duta—Kodon
Molekul mRNA adalah rantai RNA panjang tunggal yang berada di dalam sitoplasma. Molekul ini terdiri dari ratusan hingga ribuan nukleotida RNA dalam bentuk untai tunggal dan mengandung kodon yang sepenuhnya komplementer terhadap triplet kode pada gen DNA. Gambar 3-8 menunjukkan bagian kecil dari molekul mRNA, dengan kodon CCG, UCU, dan GAA.
Kodon-kodon ini masing-masing mengkode asam amino prolin, serin, dan asam glutamat. Transkripsi kodon-kodon ini dari DNA ke RNA ditunjukkan pada Gambar 3-7.
Kodon RNA untuk Berbagai Asam Amino
Tabel 3-1 menunjukkan kodon RNA untuk 22 asam amino umum yang terdapat dalam molekul protein. Perlu diperhatikan bahwa sebagian besar asam amino direpresentasikan oleh lebih dari satu kodon.
Tabel 3-1. Kodon RNA untuk Asam Amino dan untuk Awal dan Akhiran
Comments (0)