RESUME TRANSLASI Kelompok 5 – Offering C Andy Heppi Risma Jaya (150341605349) Farah Adibah Zuhri (150341603252) Suatu proses translasi informasi genetic yang terdapat pada mRNA menjadi asam amino membutuhkan bantuan banyak makromolekul, mencakup: (1) Lebih dari 50 polipeptida dan dari 3 sampai 5 molekul RNA terdapat pada setiap ribosom. (2) Paling sedikit 20 enzim pengaktif asam amino (aminoacyl-tRNA sintetase). (3) Kurang lebih 40 hingga 60 molekul tRNA yang berbeda, dan (4) Paling sedikit 9 protein yang dapat larut dan terlibat dalam inisiali, elongasi, dan terminasi rantai polipeptida. Proses translasi terjadi di ribosom yang merupakan struktur makromolekul kompleks yang terdapat di sitoplasma. Translasi melibatkan 3 tipe RNA yaitu mRNA, 3 sampai 5 molekul RNA yang merupakan bagian dari ribosom (rRNA), dan 40-60 molekul RNA kecil yang berfungsi sebagai media dalam penggabungan asam amino ke kodon spesifik mRNA. Ribosom dapat dibaratkan sebagai meja kerja yang lengkap dengan mesin dan peralatan yang dibutuhkan untuk membuat polipeptida.
Gambar 1. Gambaran dari proses sintesis protein Sumber: Snustad, 2012. Sebuah studi yang menggunakan pulse labelling (dengan asam amino radioactive) dan autoradiografi memperlihatkan bahwa protein disintesis dalam jumlah besar di sitoplasma tepatnya pada suatu struktur makromolekul kecil namun kompleks yang disebut ribosom. Pada prokariot, ribosom tersebar di dalam sel, sedangkan pada prokariot sering ditemukan di jaringan membran intraseluler yang disebut reticulum endoplasma. Ribosome adalah sekitar setengah protein dan setengah ribosom. Dalam proses translasi, ribosom tersusun atas dua subunit dimana satu berukuran kecil dan satu berukuran besar. Keduanya akan bergabung ketika proses translasi dimulai, dan ketika proses translasi telah selesai, mereka akan berpisah lagi. Ukuran ribosom ditunjukkan dengan istilah S (Svedberg units) yang menunjukkan sedimentasi selama sentrifugasinya. Ribosome E.coli yang mewakili organisme prokariot, memiliki berat molekul 2,7 × 106 dan ukuran 70S. Ribosome eukariot biasanya lebih besar yaitu sekitar 80S. Ribosom yang terdapat pada organel (mitokondria dan kloroplas) organisme eukariotik berukuran lebih kecil yaitu sekitar 60S.
1
Gambar 2. Komposisi makromolekular dari prokariotik dan eukariotik ribosom. Sumber: Snustad, 2012. RNA ribosomal (rRNA) disintesis melalui proses transkripsi dari DNA tamplate. Pada eukariot, ini terjadi di dalam nucleolus dan dikatalisis oleh RNA polymerase khusus yang hanya terdapat pada nucleolus. Bahkan, transkripsi rRNA menghasilkan prekusor rRNA yang berukuran lebih besar dibandingkan molekul rRNA yang ditemukan di ribosom. Perkusor rRNA ini mengalami proses posttranskripsional untuk memproduksi molekul rRNA yang terlibat dalam proses translasi. Pada E. coli, rRNA gen transkrip adalah prekusor 30S, yang mana mengalami pembelahan oleh endoribonuklease untuk memproduksi 5S, 16S, dan 23S rRNA beserta molekul transfer RNA 4S. Pada eukariotik, rRNA 2S (jika ada), 5.8S, 18S, dan 28S memotong dari prekusor 40S hingga 45S (tergantung pada spesiesnya), sedangkan rRNA 5S diproduksi oleh proses posttranskripsional dari transkrip gen terpisah.
Gambar 3. Sintesis dan proses dari: (a) RNA prekusor 30S pada E.coli dan (b) RNA prekusor 45S pada mamalia. Sumber: Snustad, 2012. Multiple copies dari gen rRNA yang terdapat di genome dari semua organisme dipelajari untuk saat ini. Pada E.coli, ditaksir ada 5-10 copy dari gen rRNA, dengan sedikitnya satu copy di setiap tiga daerah yang ada pada kromosom. Pada eukariot, rRNA gen tersaji dalam jumlah ratusan hingga ribuan copy. Gen rRNA 5.8S-18S-28S dari eukariot terdapat dalam duplikasi berurutan dua-dua dalam wilayah nucleolar organizer 2
dari kromosom. Pada beberapa eukariot, seperti jagung, terdapat pasangan tunggal dari nucleolar organizer. Pada Drosophilla dan Xenopus laevis, kromosom sex-nya membawa nucleolar organizer. Di samping itu, manusia memiliki lima pasang nucleolar organizer yang terletak pada lengan pendek kromosom 13, 14, 15, 21, 22. Gen rRNA 5S pada eukariot tidak terletak pada wilayah nucleolar organizer. Sebagai gantinya, mereka tersebar melebihi beberapa kromosom. Meskipun ribosom menyediakan meja kerja yang lengkap dengan mesin dan peralatan yang wajib ada untuk mensintesis protein, dan spesifikasi dari setiap polipeptida dikode di molekul mRNA, translasi dari kode genetic yang terdapat pada mRNA menjadi asam amino membutuhkan kelas tambahan dari molekul RNA yaitu tRNA yang berfungsi sebagai pembawa asam amino yang sesuai dengan kode yang dibawa oleh mRNA. tRNA ini ditemukan oleh Crick pada tahun 1958, dimana sebelumnya disebut “soluble RNA (sRNA)”. tRNA mengandung triplet basa sekuens yang disebut anticodon yang akan berpasangan dengan kodon dari mRNA selama proses translasi. Terdapat 1 hingga 3 tRNA yang diketahui untuk setiap asam amino. Aminoasil ~ tRNA adalah substrat untuk mensintesis polipeptida pada ribosom, dimana tRNA yang diaktifkan akan mengenali kodon mRNA dengan benar serta penyajian asam amino dalam konfigurasi sterik (struktur tiga dimensi) yang memfasilitasi peptida pembentukan ikatan. TRNA ditranskripsi dari gen. Seperti dalam kasus rRNA, tRNA yang dituliskan dalam bentuk molekul prekursor yang lebih besar yang mengalami pasca transkripsi pengolahan (pembelahan, pemangkasan, metilasi, dan sebagainya). Molekul-molekul tRNA matang mengandung beberapa nukleosida yang tidak hadir dalam transkrip gen tRNA utama. Nukleosida tersebut adalah inosin, pseudouridine, dihydrouridine, 1-metil guanosin, dan lainnya, yang diproduksi oleh post transkripsional, kation dari enzim yang mengkatalis dari empat nukleosida dimasukkan ke dalam RNA selama transkripsi. Karena ukurannya yang kecil (kebanyakan 70-95 nukleotida yang panjang), tRNA akan digantikan oleh molekul yang lebih besar dari RNA yang terlibat dalam sintesis protein. Urutan lengkap nukleotida dan struktur daun semanggi yang diusulkan dari tRNA alanin ragi yang diterbitkan oleh Robert W. Holley dan rekan pada tahun 1965. Struktur tiga dimensi dari tRNA fenilalanin ragi ditentukan oleh studi difraksi sinarX pada tahun 1974. Antikodon setiap tRNA terjadi dalam loop (wilayah nonhidrogen-berikat yang dekat tengah molekul.
Sumber: Snustad dan Simmons, 2012 Molekul tRNA harus berisi banyak tempat spesifik meskipun ukuran mereka kecil. Dalam melakukan Translasi tRNA harus: (1) memiliki urutan antikodon yang benar, sehingga dapat menanggapi kodon yang tepat (2) diterima oleh sintetase aminoasil-tRNA yang benar, sehingga dapat diaktifkan dengan asam amino yang benar, dan (3) mengikat ke situs yang sesuai pada ribosom untuk melaksanakan fungsi adapter mereka. 3
Ada tiga macam tRNA mengikat situs di setiap ribosom:
Sumber: Snustad, 2012. 1. A atau situs aminoasil yang mengikat masuk aminoasil-tRNA, tRNA akan membawa asam amino berikutnya yang akan ditambahkan ke rantai polipeptida berkembang. 2. P atau peptidil yang mengikat tRNA dari polipeptida yang berkembang. 3. E atau keluar situs mengikat bermuatan tRNA berangkat. Struktur kristal dari ribosom 70S bakteri Thermus thermophilus menunjukkan positus dari tiga situs tRNA mengikat pada 50S-30S dan positus relatif dari rRNA dan protein ribosom. Meskipun situs aminoasiltRNA terletak mengikat sebagian besar pada subunit 50S dan molekul mRNA terikat oleh subunit 30S, kota spesifik untuk aminoasil tRNA mengikat dalam setiap situs yang disediakan oleh kodon mRNA yang membentuk bagian dari situs pengikatan. Sebagai ribosom bergerak sepanjang mRNA (atau sebagai mRNA shuttled di ribosom), tempat spesifik untuk mengikat aminoasil-tRNA dalam A, P, dan perubahan situs E sebagai kodon mRNA yang berbeda akan bergerak memasuki ke situs yang mengikat. Dengan demikian mampu mengikat setiap aminoasil-tRNA Translasi dari urutan nukleotida dalam mRNA molekul ke dalam urutan asam amino dalam produk polipeptida dapat dibagi menjadi tiga tahap: (1) inisiasi rantai polipeptida, (2) perpanjangan rantai polipeptida, dan (3) terminasi rantai polipeptida. 1. Inisiasi Rantai Polipeptida Gugus amino akan diblok oleh kelompok . Sebuah metionin tRNA yang berbeda, yaitu tRNAMet akan merespon kodon metionin internal. Kedua tRNA metionin memiliki antikodon yang sama, dan keduanya menanggapi kodon yang sama untuk metionin. Namun, hanya methionyl-tRNAf Met yang akan berinteraksi dengan faktor inisiasi protein IF-2 untuk memulai proses inisiasi. Dengan demikian, hanya methionyl-tRNAf Met yang akan mengikat ribosom dalam menanggapi kodon AUG di mRNA dan meninggalkan methionyl-tRNAMet untuk mengikat dalam menanggapi kodon AUG internal. Methionyl-tRNAf Met juga mengikat ribosom dalam menanggapi kodon GUG (Kodon valin ketika hadir pada positus internal), yang terjadi pada beberapa molekul mRNA.
4
Sumber: Snustad, 2012. Inisiasi rantai polipeptida diawali dengan pembentukan dua kompleks, yaitu: (1) satu berisi faktor inisiasi IF-2 dan methionyl-tRNAf Met , dan (2) yang lain berisi molekul mRNA yang merupakan sebuah subunit 30S ribosomal dan inisiasi faktor IF-3). Subunit 30S / mRNA kompleks akan membentuk hanya pada IF-3. Dengan demikian, IF-3 mengontrol kemampuan dari subunit 30S untuk memulai proses inisiasi. Pembentukan kompleks 30S subunit / mRNA bergantung pada pasangan basa antara urutan nukleotida dekat 3’ pada akhir 16S rRNA dan urutan dekat 5’ pada akhir molekul mRNA. mRNA prokariotik mengandung saluran polypurine yaitu AGGAGG, terletak di sekitar hulu dari tujuh nukleotida yang berasal dari inisiasi kodon AUG. IF-2 / methionyl-tRNAf Met kompleks dan mRNA / 30S subunit / IF-3 kompleks kemudian menggabungkan dengan satu sama lain dan dengan faktor inisiasi IF-1 dan satu molekul GTP untuk membentuk lengkap 30S inisiasi kompleks. Langkah terakhir inisiasi dari translasi adalah penambahan subunit 50S untuk 30S inisiasi kompleks sehingga menghasilkan 70S ribosom lengkap. Faktor inisiasi IF-3 harus dibebaskan dari kompleks sebelum subunit 50S dapat bergabung dengan kompleks IF-3 dan subunit 50S tidak pernah ditemukan terkait dengan subunit 30S pada saat yang sama. Penambahan subunit 50S membutuhkan energi dari GTP dan pelepasan faktor inisiasi IF-1 dan IF-2. Penambahan 50S subunit ribosom ke positus kompleks inisiator tRNA methionyl-tRNAf Met , di situs peptidil (P) dengan antikodon tRNA selaras dengan inisiasi kodon AUG mRNA. methionyl-tRNAf Met adalah satu-satunya aminoasil-tRNA yang dapat masuk ke situs P langsung tanpa pertama melewati aminoasil (A). Dengan inisiator AUG diposituskan di situs P, kodon kedua dari mRNA dalam daftar dengan situs A akan mengikat spesifisitas aminoasil-tRNA di situs tersebut dan mengatur untuk tahap kedua dalam sintesis polipeptida yaitu perpanjangan (Elongasi) rantai polipeptida. 1. Pemanjangan rantai polipeptida Proses Pemanjangan rantai polipeptida pada dasarnya sama antara prokariota dan eukariota. Penambahan masing-masing asam amino ke polipeptida tumbuh terjadi dalam tiga langkah: (1) pengikatan suatu aminoasil-tRNA ke situs A ribosom, (2) transfer rantai polipeptida dari tRNA di situs P ke tRNA di situs A dengan pembentukan ikatan peptida baru, dan (3) translokasi ribosom sepanjang mRNA ke positus kodon berikutnya dalam situs A. Pada langkah pertama, sebuah aminoasil-tRNA masuk dan menjadi terikat pada situs A dari ribosom, dengan tempat spesifik yang disediakan oleh kodon mRNA dalam situs A. Tiga nukleotida dalam antikodon masuk dari aminoasil-tRNA harus berpasangan dengan nukleotida dari kodon mRNA di lokasi A. Langkah ini membutuhkan faktor elongasi Tu membawa molekul GTP (EF-Tu.GTP). GTP yang diperlukan untuk 5
aminoasil-tRNA mengikat di lokasi A tapi tidak dibelah sampai ikatan peptida terbentuk. Setelah pembelahan GTP, EF-Tu.GDP dilepaskan dari ribosom. EF-Tu.GDP tidak aktif dan tidak akan mengikat aminoasil-tRNA. EF-Tu.GDP dikonversi ke bentuk EF-Tu.GTP aktif oleh faktor elongasi Ts (EF-Ts), yang menghidrolisis satu molekul GTP. EF-Tu berinteraksi dengan semua aminoasil-Trna kecuali methionyl-tRNA. Langkah kedua dalam perpanjangan rantai polipeptida adalah pembentukan ikatan peptida antara gugus amino dari aminoasil-tRNA di situs A dan ujung karboksil rantai polipeptida pada tRNA di situs P dengan melepaskan tRNA di situs P dan bergabung dengan rantai ke tRNA di situs A. Reaksi kunci ini dikatalisis oleh transferase peptidil, kegiatan enzimatik dibangun ke dalam subunit 50S ribosom. Aktivitas peptidil transferase berada dalam molekul 23S rRNA bukan di protein ribosom. Selama langkah ketiga dalam rantai perpanjangan, peptidil-tRNA hadir di situs A ribosom translokasi ke situs P, dan tRNA bermuatan di situs P akan bertranslokasi ke situs E, sebagai ribosom bergerak tiga nukleotida terhadap akhir molekul 3’mRNA. Langkah translokasi membutuhkan GTP dan elongasi faktor G (EF-G). Ribosom mengalami perubahan konformasi selama proses translokasi, hal itu menunjukkan bahwa mungkin terjadi pergerakan maju-mundur sepanjang molekul mRNA. Energi untuk pergerakan ribosom disediakan oleh hidrolisis GTP. Translokasi peptidil-tRNA dari situs A ke situs P akan meninggalkan situs A dan ribosom siap untuk memulai siklus berikutnya perpanjangan. 2. Terminasi rantai polipeptida Polipeptida perpanjangan rantai polipeptida mengalami pemutusan ketika salah satu dari tiga kodon rantai-terminasi (UAA, UAG, atau UGA) memasuki situs A pada ribosom. Ketiga kodon berhenti diakui oleh protein larut yang disebut faktor rilis (RFS). Pada E. coli, ada dua faktor rilis, RF-1 dan RF-2. RF-1 mengakui kodon terminasi UAA dan UAG; RF-2 mengakui UAA dan UGA. Pada eukariota, faktor merilis single (eRF) mengakui ketiga kodon terminasi. Kehadiran faktor rilis di situs A mengubah aktivitas peptidil transferase sehingga hal itu menambah molekul air ke ujung karboksil dari polipeptida baru lahir. Reaksi ini melepaskan polipeptida dari molekul tRNA di situs P dan memicu translokasi dari tRNA gratis ke situs E. Pemutusan selesai dengan keluarnya molekul mRNA dari ribosom dan disosiasi ribosom menjadi subunit nya. Subunit ribosom kemudian siap untuk memulai putaran lain dari sintesis protein, seperti yang dijelaskan sebelumnya. RUJUKAN Gardner, Eldon John. 1991. Principles Of Genetics. Canada: John Wiley & Sons Inc. Snustad, D.P. & Simmons M. J. 2012. Principle of Genetics. United States of America: John Wiley & Sons, Inc. PERTANYAAN 1. Setiap ribosom memiliki dua tempat pengikatan tRNA, apa saja nama dari tempat pengikatan itu? Jelaskan! Jawab: Masing-masing tempat pengikatan tRNA tersebut adalah sisi aminoasil (sisi A) dan sisi peptidil (sisi P). molekul aminoasil-tRNA yang baru memasuki ribosom akan terikat di sisi A, sedangkan molekul tRNA yang membawa rantai polipeptida yang sedang diperpanjang terikat di sisi P. 2. Bagaimana inisiator Trna khusus pada Eukariot? Jawab: Seperti prokariota, eukariota mengandung tRNA inisiator khusus, tRNAiMet ("i" untuk inisiator), tetapi kelompok amino dari methionyl-tRNAi Met tidak dirumuskan. Inisiator methionyl- tRNAiMet berinteraksi dengan faktor inisiasi larut dan memasuki situs P langsung selama proses inisiasi, seperti di E. coli. Pada eukariota, protein cap-binding (CBP) berikatan dengan guanosin cap 7-metildi 5’ terminus dari mRNA. Kemudian, faktor inisiasi lainnya mengikat CBP-mRNA kompleks, diikuti oleh (40S) subunit kecil ribosom. Seluruh kompleks inisiasi bergerak 5’ → 3’ sepanjang molekul mRNA untuk mencari kodon AUG.
6
