KODE GENETIK
RESUME UNTUK MEMENUHI TUGAS MATAKULIAH Genetika Lanjut yang dibina oleh Bapak Prof. Dr. A. D. Corebima, M.Pd
Oleh: Kelompok 9 Kelas D Anton Setia Budi 140341807723 Reza Ardiansyah 140341807392
UNIVERSITAS NEGERI MALANG PROGRAM PASCASARJANA PROGRAM STUDI PENDIDIKAN BIOLOGI FEBRUARI 2015
A. KODE GENETIK Kode genetik merupakan kode nonoverlapping, dengan masing-masing asam amino ditambah inisiasi polipeptida dan penghentian (terminasi) yang ditentukan oleh kodon RNA yang terdiri dari tiga nukleotida. 1. Gambaran Sifat-sifat dari Kode Genetik Pada pertengahan 1960-an, sebagian besar kode genetik ditemukan. Sifat atau ciri dari kode genetika adalah: a. Kode genetik terdiri dari tiga nukleotida yang sama. Tiga nukleotida mRNA di tentukan satu asam amino dalam produk polipeptida; dengan demikian, masingmasing berisi tiga kodon nukleotida. b. Kode genetik adalah nonoverlapping. Setiap nukleotida di mRNA milik hanya satu kodon kecuali dalam kasus yang jarang terjadi di mana gen tumpang tindih dan urutan nukleotida dibaca di dua frame yang berbeda. c. Kode genetika bersifat “bebas koma”. Tidak ada koma atau bentuk lain dari tanda baca dalam daerah pengkodean molekul mRNA. Selama penerjemahan, kodon dibaca berturut-turut. d. Kode genetik bersifat degenerasi. Semua kecuali dua dari asam amino yang spesifik lebih dari satu kodon. e. Kode genetik bersifat ordered. Beberapa kodon untuk asam amino tertentu dan kodon untuk asam amino dengan sifat kimia yang mirip berhubungan erat, biasanya berbeda oleh nukleotida tunggal. f. Kode genetik bersifat dapat memulai dan menghentikan kodon. Kodon spesifik yang digunakan untuk memulai dan untuk mengakhiri rantai polipeptida. g. Kode genetik bersifat universal. Dengan pengecualian kecil, kodon memiliki makna sama dalam semua organisme hidup, dari virus ke manusia. 2. Tiga Nukleotida untuk Tiap Kodon Dua puluh asam amino yang berbeda dimasukkan ke dalam polipeptida selama fase translasi. Dengan demikian, setidaknya 20 kodon yang berbeda harus dibentuk dengan empat basa yang tersedia di mRNA. Dua basis per kodon akan menghasilkan hanya 42 atau 16, kemungkinan kodon-jelas tidak cukup. Tiga basis
1
per kodon menghasilkan 43 atau 64 kemungkinan kelebihan-kodon. Pada tahun 1961, Francis Crick dan rekannya, menemukan bukti kuat pertama untuk mendukung dari kode triplet (tiga nukleotida per kodon). Crick dan rekan kerjanya melakukan analisis genetik mutasi induksi di lokus rII bakteriofag T4 oleh proflavin kimia. Proflavin adalah agen mutagenik yang menyebabkan penambahan pasangan basa tunggal dan penghapusan. Crick dan rekannya berpendapat bahwa mutasi asli adalah pasangan basa tunggal yang mengalami penambahan atau penghapusan, mutasi supresor harus tunggal penghapusan pasangan basa atau penambahan, masing-masing, yang terjadi di sebuah situs atau situs dekat mutasi asli. Jika triplet nukleotida berurutan dalam mRNA menentukan asam amino, maka setiap sekuen nukleotida dapat dikenali atau dibaca selama translasi dalam tiga cara yang berbeda. Sebagai contoh, AAAGGGCCCTTT urutan dapat dibaca (1) AAA, GGG, CCC, TTT, (2) A, AAG, GGC, CCT, TT, atau (3) AA, AGG, GCC, CTT, T. Frame mRNA adalah triplet nukleotida yang dibaca (diposisikan di ribosom) selama translasi. Tambahan pasangan basa tunggal atau penghapusan akan mengubah kerangka pembacaan gen dan mRNA untuk bagian distal gen mutasi tersebut yang diilustrasikan pada Gambar 1 di bawah ini.
2
Gambar 1. Bukti awal bahwa kode genetik adalah kode triplet. 3. Mengartikan Kode Genetik Para ilmuwan perlu mengartikan kode genetik untuk mendapatkan jawaban atas beberapa pertanyaan: (1) kodon yang menentukan masing-masing dari 20 asam amino? (2) Berapa banyak dari 64 mungkin kodon triplet yang digunakan? (3) Bagaimana kode diselingi? (4) Apakah kodon memiliki arti yang sama dalam virus, bakteri, tumbuhan, dan hewan? Jawaban atas ini pertanyaan tersebut terutama diperoleh dari hasil dua jenis percobaan, baik yang dilakukan dengan sistem selbebas. Jenis pertama dari percobaan yang terlibat menerjemahkan artifi dari molekul mRNA in vitro dan menentukan mana dari 20 amino asam dimasukkan ke dalam protein. Pada jenis percobaan kedua, ribosom yang diaktifkan dengan mini-mRNA hanya tiga nukleotida panjang. Kemudian, penelitian di lakukan pada aminoasil tRNA-dirangsang untuk mengikat ribosom diaktifkan dengan masing-masing messager trinucleotide (Gambar 2).
Gambar 2. Stimulasi aminoasil-tRNA mengikat ribosom oleh sintesis trinukleotida mini-mRNA 3
4. Inisiasi dan Terminasi Kodon Kode genetik dapat memberikan tanda baca informasi genetik pada tingkat translasi. Pada prokariota dan eukariota, kodon AUG digunakan untuk memulai rantai polipeptida (Tabel 1). Pada kasus yang jarang, GUG digunakan sebagai kodon inisiasi. Dalam kedua kasus, kodon inisiasi diakui oleh inisiator tRNA, tRNAf ditemui di prokariota dan tRNAi Ditemui di eukariota. Dalam prokariota, sebuah kodon AUG harus mengikuti urutan nukleotida yang tepat, urutan Shine-Delgarno, pada 5 nontranslated segmen molekul mRNA yang berfungsi sebagai inisiasi translasi kodon. Pada eukariota, kodon harus dimulai dari AUG yang dihadapi oleh ribosom karena scan dari rantai ke 5’ akhir molekul mRNA. Pada posisi internal AUG dikenali oleh tRNAMet, dan GUG dikenali oleh valin tRNA. Tabel 1. Kode Genetik
5. Degenerasi dan Kode Pengiriman (Ordered Code) Semua asam amino kecuali metionin dan triptofan ditentukan lebih dari satu kodon (Tabel 1). Tiga asam amino leusin, serin, dan arginin, masing-masing spesifik oleh enam kodon yang berbeda. Isoleusin memiliki tiga kodon. Asam amino lainnya
4
masing-masing memiliki dua atau empat kodon. Terjadinya lebih dari satu kodon per Asam amino ini disebut degenerasi (meskipun konotasi biasa istilah ini hampir tidak yang sesuai). Degenerasi dalam kode genetik tidak secara acak; sebaliknya, sangat spesifik. Degenerasi ada 2 jenis yaitu: a. Degenerasi parsial, terjadi ketika basa ketiga mungkin salah satu dari dua pirimidin (U atau C) atau sebaliknya, salah satu dari dua purin (A atau G). dengan parsial degenerasi, mengubah basa ketiga dari purin ke pirimidin, atau sebaliknya, akan mengubah spesifik asam amino oleh kodon. b. Degenerasi lengkap, dari empat basa dapat hadir pada posisi ketiga dalam kodon, dan kodon masih akan menentukan asam amino yang sama. Sebagai contoh, valin dikodekan oleh GUU, GUC, GUA, dan GUG 6. Sebuah Kode Genetik Hampir Bersifat Universal Kode genetik hampir bersifat universal, yaitu kodon memiliki arti yang sama (dengan sedikit pengecualian) di semua spesies. Pengecualian yang paling penting untuk universalitas kode genetik terjadi pada mitokondria mamalia, yeast, dan beberapa spesies lainnya. Dalam mitokondria manusia dan mamalia lainnya, (1) UGA menentukan triptofan bukan pemutusan rantai, (2) AUA adalah kodon metionin, bukan kodon isoleusin, dan (3) AGA dan AGG adalah kodon terminasi rantai, bukan kodon arginin. Namun, karena pengecualian ini jarang terjadi, kode genetik harus dipertimbangkan hampir bersifat secara universal.
B. INTERAKSI CODON-tRNA Translasi dari sekuen nukleotida di dalam mRNA ke dalam sekuen asam amino yang benar dalam produk polipeptida mensyaratkan pengenalan akurat kodon oleh aminoasil - tRNA. Karena degenerasi kode genetik, baik beberapa tRNA yang berbeda harus mengenali kodon yang berbeda menentukan asam amino tertentu atau antikodon tRNA yang diberikan harus dapat pasangan basa dengan beberapa kodon yang berbeda. Kedua fenomena tersebut sebenarnya memang terjadi. Beberapa tRNA ada untuk asam amino tertentu, dan beberapa tRNA mengenali lebih dari satu kodon.
5
1. Pengenalan Kodon oleh tRNA: Hipotesis Wobble Ikatan hidrogen antar basa dalam antikodon tRNA dan kodon mRNA mengikuti aturan ketat pasangan basa hanya pada dua basa awal dari kodon. Pasangan basa yang melibatkan basa ketiga dari kodon bersifat kurang ketat, memungkinkan peristiwa apa yang disebut wobble oleh Crick terjadi pada tempat ini. Tabel 2 di bawah ini menunjukkan pasangan basa yang diprediksi oleh Crick menggunakan hipotesis Wobble. Tabel 2. Prediksi pasangan basa dengan hipotesis Wobble.
Hipotesis Wobble memprediksi keberadaan setidaknya dua tRNA untuk setiap asam amino dengan kodon yang menunjukkan degenerasi lengkap, dan ini telah terbukti benar. Hipotesis Wobble juga memprediksi terjadinya tiga tRNA untuk enam kodon serin. Beberapa tRNA mengandung basa inosin, yang terbuat dari hipoksantin purin. Inosin diproduksi oleh kation modifi posttranscriptional adenosin. Hipotesis Wobble Crick memprediksikan bahwa ketika inosin hadir pada ujung 5’ antikodon (posisi wobble), itu akan memungkinkan pasangan basa dengan urasil, sitosin, atau adenin di dalam kodon. Namun pada kenyataannya, alanyl-tRNA yang dimurnikan mengandung inosine (I) pada posisi 5’ dari ikatan antikodon mengikat ribosom yang diaktifkan dengan GCU, GCC, atau trinukleotida GCA (Gambar ). Dengan demikian, hipotesis wobble Crick tepat dalam menjelaskan hubungan antara tRNA dan degenerasi kodon, tapi diperintahkan, kode genetik.
6
Gambar 3. Pasangan basa antara antikodon alanyl-tRNA dan kodon mRNA GCU, GCC dan GCA menurut hipotesis wobble Crick. 2. Mutasi Supresor Memproduksi tRNA dengan Pengenal Kodon yang diubah Mutasi supresor telah terbukti dapat terjadi pada gen tRNA. Kebanyakan dari mutasi supresor ini mengubah antikodon dari tRNA. Contoh yang paling umum dari mutasi supresor yang mengubah kespesifikan tRNA adalah yang menekan mutasi rantai terminasi UAG dengan pengkodean sekuen gen. Mutasi ini disebut amber mutations, yang mengakibatkan sintesis polipeptida terpotong. Mutasi yang memproduksi triplet rantai terminasi dalam gen disebut mutasi nonsense, sedangkan mutasi yang mengubah triplet sehingga menentukan asam amino yang berbeda disebut mutasi missense. Mutasi nonsense seringkali merupakan hasil dari substitusi pasangan basa tunggal, ilustrasinya dapat dilihat pada gambar di bawah ini (Gambar 4a). Fragmen polipeptida yang dihasilkan dari gen yang mengandung mutasi nonsense (Gambar 4b) sering benar-benar nonfungsional. Penekanan mutasi nonsense telah menunjukkan hasil dari mutasi pada gen tRNA yang menyebabkan tRNA mutan mampu mengenali terminasi atau penghentian kodon (UAG, UAA, atau UGA), meskipun dengan efisiensi yang berbeda-beda. Mutan tRNA ini disebut sebagai suppressor tRNA. Dengan demikian, suppressor tRNA memungkinkan polipeptida lengkap untuk disintesis dari mRNA yang mengandung kodon terminasi dalam gen (Gambar 4c). Polipeptida tersebut akan berfungsi jika asam amino dimasukkan oleh suppressor tRNA tidak secara signifikan mengubah sifat kimia protein.
7
Gambar 4. (a) Pembentukan sebuah amber (UAG) mutasi rantai-terminasi. (b) Efeknya pada produk gen polipeptida tanpa adanya suppressor tRNA. (c) Adanya suppressor tRNA. Dapat disimpulkan bahwa hipotesis wobble menjelaskan bagaimana sebuah tRNA tunggal dapat merespon dua atau lebih kodon. Beberapa mutasi supresor mengubah antikodon tRNA sehingga tRNA mutan mengenali kodon rantai terminasi dan memasukkan asam amino dalam menanggapi kehadirannya dalam molekul mRNA.
8
C. PERTANYAAN 1. Jelaskan jenis degenerasi kodon! Jawaban: Degradasi kodon ada dua macam, yaitu: a. Degenerasi parsial, terjadi ketika basa ketiga mungkin salah satu dari dua pirimidin (U atau C) atau sebaliknya, salah satu dari dua purin (A atau G). dengan parsial degenerasi, mengubah basa ketiga dari purin ke pirimidin, atau sebaliknya, akan mengubah spesifik asam amino oleh kodon. b. Degenerasi lengkap, dari empat basa dapat hadir pada posisi ketiga dalam kodon, dan kodon masih akan menentukan asam amino yang sama. Sebagai contoh, valin dikodekan oleh GUU, GUC, GUA, dan GUG 2. Jelaskan perbedaan antara mutasi nonsense dan mutasi missense! Jawaban: Mutasi nonsense adalah mutasi yang memproduksi triplet rantai terminasi dalam gen. Mutasi nonsense menghasilkan polipeptida yang terpotong, dengan panjang rantai bergantung pada posisi mutasi yang terjadi di dalam gen. Sedangkan mutasi missense adalah mutasi yang mengubah triplet sehingga menentukan asam amino yang berbeda. Sebuah gen yang berisi mutasi missense mengkode polipeptida lengkap, namun dengan substitusi asam amino dalam produk gen polipeptida. Mutasi nonsense seringkali merupakan hasil dari substitusi pasangan basa tunggal.
D. DAFTAR RUJUKAN Snustad and Simmons. 2012. Principles of Genetics, Sixth Edition. United States: John Wiley and Sons, Inc.
9
