Sintesis Protein dan Regulasi Ekspresi Genetika
Disusun Oleh :
Davien Utoyo 173311060118
Program Pendidikan pascasarjana Magister BioMedik Fakultas Kedokteran Universitas Prima Indonesia 2017
KATA PENGANTAR
Puji syukur ke hadirat Tuhan Yang Maha Esa karena atas rahmat dan karunia-Nya tugas pascasarjana ini dapat terselesaikan. Tujuan penulisan laporan kasus ini adalah sebagai salah satu persyaratan dalam poembuatan makalah tersebut. Yang berjudul “Sintesis Protein dan Regulasi Ekspresi Genetika”. Penyusunan laporan ini jauh dari kata sempurna, oleh karena itu penulis mengharapkan kritik dan saran dari para pembaca untuk penyempurnaan laporan kasus ini.
Medan, 21 Oktober 2017
Penulis
i
DAFTAR ISI KATA PENGANTAR ...................................................................................................................................
i
DAFTAR ISI .................................................................................................................................................
ii
BAB 1 PENDAHULUAN ............................................................................................................................
1
BAB 2 PEMBAHASAN ...............................................................................................................................
3
2.1
Protein dan Asam Amino ..........................................................................................................
3
2.2
Metabolisme Protein .................................................................................................................
5
2.3
Sintesis Protein dan Kode Genetika .......................................................................................... 7
2.4
Regulasi Ekspresi Genetika ......................................................................................................
Daftar Pustaka .............................................................................................................................................
9
10
ii
BAB 1 PENDAHULUAN 1.1
Latar Belakang
Protein berasal dari bahasa Yunani yaitu Protos yang berati “yang paling utama”. Protein adalah senyawa organik kompleks berbobot molekul tinggi yang merupakan polimer dari monomer-monomer Asam amino yang dihubungkan satu sama lain dengan ikatan peptida. Molekul Protein mengandung karbon (C), hidrogen (H), oksigen (O), nitrogen (N) dan kadang kala sulfur (S) serta fosfor (P). Protein berfungsi sebagai z at utama pembentuk dan pertumbuhan tubuh. Sebagai zat utama pembentuk maksudnya Protein merupakan zat utama pembentuk sel-sel tubuh dan digunakan sebagai sumber energi jika berkurang karbohidrat dan lemak di dalam tubuh. Kebanyakan Protein merupakan enzim atau subunit enzim. Asam amino merupakan unit pembangun Protein yang dihubungkan melalui ikatan peptida pada setiap ujungnya. Protein tersusun dari atom C, H, O, dan N, serta kadangkadang P dan S. Dari keseluruhan Asam amino yang terdapat di alam hanya 20 Asam amino yang yang biasa dijumpai pada protein. Tidak semua Asam amino terdapat di dalam molekul Protein, karena memiliki tugas lain. Sama halnya dengan proses metabolisme pada komponen lain, pada metabolisme Protein dan Asam amino juga terjadi anabolisme dan katabolisme yang juga membutuhkan peranan enzim. Sehingga kita harus tahu bagaimana proses metabolisme dari Protein dan Asam amino. Maka dari itu kami menyusun makalah ini yang di dalamnya kami berusaha memaparkan dan menjelaskan secara rinci, bagaimana proses metabolisme Protein dan Asam amino. Semua organisme membutuhkan penyediaan materi dan energi yang tetap dari lingkungannya agar tetap hidup. Bagi sejumlah be sar organisme, penyediaan utama materi dan satu-satunya penyediaan energi berasal dari molekul organik yang dimakannya (Kimball: 2003: 143). Dengan bantuan enzim, sel secara sistematik merombak molekul organik kompleks yang kaya akan energi potensial menjadi produk limbah yang berenergi lebih rendah. Sebagian energi yang diambil dari simpanan kimiawi dapat dilakukan untuk melakukan kerja dan sisanya dilepas sebagai panas. Jalur metabolisme yang melepaskan energi simpanan dengan cara memecah molekul kompleks disebut jalur katabolik (Campbell, 2003: 159). 1
Jalur katabolik dapat terjadi secara aerob (dengan menggunakan oksigen) dan anaerob (tanpa menggunakan oksigen). Terdapat tiga tahap utama di dalam katabolisme aerobik, yaitu makromolekul sel dipecahkan menjadi unit-unit pembangun utamanya (tahap I), produk yang telah terbentuk pada tahap I selanjutnya diubah menjadi molekul yang lebih sederhana (tahap II), produk akhir dari tahap II yang berupa asetil KoA selanjutnya memasuki lintas akhir (tahap III). Pada tahap akhir ini, terjadi oksidasi nutrien, menghasilkan karbon dioksida, air dan amonia sebagai produk akhirnya. Penguraian enzimatik dari masing-masing nutrien penghasil utama energi utama pada sel (karbohidrat, lipid, dan protein) berlangsung secara bertahap melalui sejumlah reaksi enzimatik yang berurutan dan berbeda antara satu nutrien dengan nutrien lainnya
2
BAB 2 PEMBAHASAN 2.1
Protein dan Asam Amino
Protein adalah polimer asam amino dengan masing-masing residu asam amino yang menjadi tipe ikatan konvalen yang spesifik. (Reflek “residu” adalah hilangnya elemen air ketika satu asam amino bergabung untuk lainnya.) Protein dapat hancur (hidrolisis) pada asam amino dengan berbagai metode. 20 asam amino adalah α-amino acid . Kelompok carboxyl dan asam amino dibentuk beberapa atom karbon yang sama (α carbon). Berbeda dari masing-masing sisi rantai, atau kelompok R , yang memiliki perbedaan struktur, ukuran dan pengisian elektrik, dan pengaruh kelarutan asam amino dalam air. Pada penambahan 20 asam amino banyak yang kurang. Residu modifikasi setelah protein dapat disintesis, adanya asam amino yang lain pada organisme tidak dapat konstituen pada protein (Nelson, Cox. 2008). Protein mengandung rantai polipeptida yang memiliki tiga tingkat: primer, sekunder, dan struktur tersier. Untuk protein mengandung kedua atau rantai polipeptida yang lebih,
masing-masing rantai adalah subunit dan struktur quaternary . Struktur primer adalah asam amino unik pada asam amino yang membuat sebagian polipeptida, yang mengatur ikatan kovalen; sekunder, tersier dan struktur quaternary bertujuan mengatur tanpa ikatan kovalen; jembatan disulfida dapat di tingkat sekunder dan tersier. Struktur sekunder meningkat dari ikatan hidrogen yang berulang dengan rantai, seperti lapisan α-helix, β-
pleated, dan β-turns. Struktur tersier mengambarkan hubungan dimensi tiga stereochemical pada semua residu asam amino pada protein rantai tunggal. F olding pada polipeptida memiliki proses akibat mencapai status energi yang mugkin rendah. Folding pada polipeptida kedalam struktur sekunder tergantung struktur utama primer, kedua struktur terletak, struktur tersier terbentuk dan stabil dengan interaksi sepanjang asam amino dengan urutan utama, tetapi mendekati satu sama lain dengan struktur tiga dimensi. (Bhagavan, Ha. 2011)
3
Struktur: L-Asam Amino
20 asam amino dalam protein mempunyai kelompok amino, kelompok carboxyl, atom hidrogen, dan kelompok R yang melekat pada karbon-α. Proline adalah pengecualian, dikarenakan struktur siklik dan mengandung kelompok amine sekunder (imino group) daripada grup amine primer (amino group). Asam amino diklasifikasikan menurut kimia adalah grup-R. Disebabkan karena adan ya glycine (R = H), asam amino mempunyai karbon atom asimetris (karbon-α). Konfigurasi yang absolut mempunyai 4 kelompok yang melekat pada karbon-α. (Bhagavan, Ha. 2011)
*dikutip dari Bhagavan, Ha. 2011 KLASIFIKASI
Klasifikasi asam amino berguna saat terlarut (ionisasi dan polaritas) sifat pada sisi rantai ( R-groups). 4 kelas dari R-groups: (Bhagavan, Ha. 2011) 1. Nonpolar 2. Polar negatively charged (acidic) 3. Polar positively charged (basic); dan 4. Polar neutral (unionized ) Setiap kelas memiliki kelompok-R pada bentuk, ukuran, dan yang lainnya secara berbeda struktur pada masing-masing asam amino menurut klasifikasi, dengan grup R diluar. Struktur ionisasi yang tergambar adalah pH 7.0. Tiga-huruf dan satu huruf yang berdekatan pada asam amino dengan akhir “yl” pada residu akhir asam amino pada kelompok carboxyl yang berhubungan pada fungsi fungsi kelompok lain (ikatan peptida). (Bhagavan, Ha. 2011)
4
2.2
Metabolisme Protein
Metabolisme adalah segala proses kimia yang terjadi di dalam tubuh makhluk hidup. Proses metabolisme terbagi menjadi dua yaitu Anabolisme dan Katabolisme. Anabolisme adalah proses sintesis molekul kimia kecil menjadi besar yang mebutuhkan energi (ATP). Katabolisme adalah proses penguraian molekul besar menjadi molekul kecil yang melepaskan energi (ATP). (Poedjiadi, Anna. 1994)
Proses metabolisme protein Asam amino yang dibuat dalam hati, maupun yang dihasilkan dari proses katabolisme protein dalam hati, dibawa oleh darah kedalam jaringan untuk digunakan proses anabolik maupun katabolik juga terjadi dalam jaringan diluar hati. Asam amino yang terdapat dalam darah berasal dari tiga sumber, yaitu absorbsi melalui dinding usus, hasil penguraian protein dalam sel dan hasil sintesis asam amino dalam sel. Banyaknya asam amino dalam darah tergantung keseimbangan antara pembentukan asam amino dan penggunaannya. Hati berfungsi sebagai pengatur ko nsentrasi asam amino dalam darah. (Poedjiadi, Anna. 1994) Dalam tubuh kita, protein mengalami perubahan – perubahan tertentu dengan kecepatan yang berbeda untuk tiap protein. Protein dalam darah, hati dan organ tubuh lain mempunyai waktu paruh antara 2,5 sampai 10 hari. Rata-rata tiap hari 1,2 gram protein per kilogram berat badan diubah menjadi senyawa lain. Ada tiga kemungkinan mekanisme perubahan protein, yaitu : (Poedjiadi, Anna. 1994) 1) Sel-sel mati, lalu komponennya mengalami proses penguraian atau katabolisme dan dibentuk sel – sel baru. Protein dalam makanan diperlukan untuk menyediakan asam amino yang akan digunakan untuk memproduksi senyawa nitrogen yang lain, untuk mengganti protein dalam jaringan yang mengalami proses penguraian dan untuk mengganti nitrogen yang telah dikeluarkan dari tubuh dalam bentuk urea. (Poedjiadi, Anna. 1994) 2) Masing-masing protein mengalami proses penguraian dan terjadi sintesis protein baru, tanpa ada sel yang mati. Protein dari makanan diuraikan lagi dengan proses dimulai dari proses pencernaan di mulut sampai di usus halus, dilanjutkan dengan proses metabolisme asam amino. Yaitu sebagian besar zat makanan yang mengandung protein
5
dipecahkan menjadi molekul-molekul yang lebih kecil terlebih dahulu sebelum diabsorpsi dari saluran pencernaan. (Poedjiadi, Anna. 1994) 3) Protein dikeluarkan dari dalam sel diganti dengan sintesis protein baru. Protein dalam makanan dicerna dalam lambung dan usus di katabolisme menjadi asam amino yang diabsorbsi dan dibawa oleh darah. Protein diabsorpsi di usus halus dalam bentuk asam amino → masuk darah. Dalam darah asam amino disebar keseluruh sel untuk disimpan. Asam amino dalam darah di bawa ke hati menjadi asam amino dalam hati (ekstra sel), kemudian asam amino tersebut ada yang di simpan dalam hati (intra sel) dan sebagian dibawa oleh darah ke jaringan-jaringan tubuh. Jumlah asam amino dalam darah tergantung dari jumlah yang diterima dan jumlah yang digunakan. Pada proses pencernaan makanan, protein diubah menjadi asam amino oleh beberapa reaksi hidrolisis serta enzim – enzim yang bersangkutan. Enzim-enzim yang bekerja pada proses hidrolisis protein antara lain ialah pepsin, tripsin, kimotripsin, karboksi peptidase, amino peptidase, tripeptidase dan dipeptidase. (Poedjiadi, Anna. 1994) Bila tubuh kekurangan protein maka asam amino ini diubah menjadi protein dan sebaliknya jika tubuh membutuhkan asam amino dari dalam tubuh maka protein di rombak kembali menjadi asam amino. Dan asam amino ini juga berfungsi membentuk senyawa N lain yang berfungsi untuk pembentukan sel-sel tubuh, senyawa nitrogen ini merupakan bagian utama dari semu protein, enzim, dan proses metabolik yang disertakan pada sintesa dan perpindahan energi. (Poedjiadi, Anna. 1994) Keseimbangan nitrogen tubuh dikatakan positif bila N masuk tubuh > N yang keluar dari tubuh berarti sintesis protein lebih besar dari pada katabolismenya, terjadi misalnya pada masa penyembuhan, masa pertumbuhan, masa hamil. Keseimbangan nitrogen yang negatif berarti katabolisme protein > sintesisnya, terjadi misalnya pada waktu kelaparan, sakit keseimbangan nitrogen yag setimbang terdapat pada orang dewasa normal dan sehat. (Poedjiadi, Anna. 1994)
6
2.3
Sintesis Protein dan Kode Genetika 2.3.1 Kode Genetik
3 kelas paling utama pada tingkat pengetahuan biosintesis protein. Pertama, sel protein disintesis. Kemudian injeksi radioaktif asam amino kedalam tikus dan perbedaan waktu denfan interval setelah injeksi, buang liver, dihomogenkan, fraksi homogen dengan centrifuge, dan diperiksa fraksi subcelular untuk protein radioaktif. Dalam beberapa jam atau hari kita melihat setelah diinjeksi dan diberikan label asam amino, semua fraksi subselular mengandung label protein. Meskipun hanya beberapa menit label protein hanyalah fraksi kecil yang mengandung ribonukleoprotein partikel. Partikel, dapat terlihat dalam jaringan b inatang dengan mikroskop elektron kemudian identifikasi sebagai sisi sintesis protein dari asam amino dan kemudian dinamakan ribosom. (Nelson, Cox. 2008) Kunci kedua, asam amino yang aktif ketika diinkubasi dengan ATP dan fraksi cytosolic pada sel liver. Asam amino menjadi melekat pada RNA solubale heatstabledan kemudian disebut dengantransfer RNA (tRNA), dibentuk aminoacyltRNAs. Proses enzim katalis ini disebut aminoacyl-RNA synthetases. (Nelson,
Cox. 2008) Ketiga, informasi gentik kemudian dikodekan kembali 4-bahasa pada asam nukleid dapat diterjemahkan kedalam 20 bahasa pada protein. Jumlah kecil asam nukleid (harus RNA) harus menjadi adaptor, satu bagian bekerja menjadi nukleotida dan mengkode kembali asam amino ke dalam mRNA. (Nelson, Cox. 2008) Kemudian 3 kelompok ini menjadi peran utama dalam sintesis protein dalam kode genetik yang spesifik masing-masing pada asam amino. (Nelson, Cox. 2008) 2.3.2 Sintesis Protein
Sintesis DNA dan RNA pada biomolekul polimerik dapat dijadikan inisiasi, pemanjangan, dan tahap terminasi. Proses berdirinya pada dua penambahan tingkat: aktivasi prekusor sebelum sintesis dan proses postsintesis pada polimer total. Asam amino yang aktif sebelum masuk kedalam polipeptida dan proses posttranslational dapat bermain dalam polipeptida total dalam sintesis dan fugsi pada produk protein. (Nelson, Cox. 2008)
7
Biosintesis protein terbagi 5 tahap: Tahap 1: aktivasi asam amino sinteis polipeptida, ada dua kimia yang harus
dipertemukan: (1) grup carboxyl pada masing-masing asam amino harus diaktifkan pada fasilitas formasi pada ikatan peptida, dan (2) hubungan harus stabil antara masing-masing asam amino yang baru dan informasi dalam mRNA pada encodes. (Nelson, Cox. 2008) Tahap 2: Inisiasi kode mRNA untuk polipeptida dapat mempertahankan sintesis
kecil pada 2 subunit ribosomal dan inisiasi aminoacyl tRNA. Subunit ribosomal besar seharusnya mempertahankan inisiasi kompleks. Inisiasi aminoacyl-tRNA memiliki pasangan basa dengan kodon mRNA sinyal AUG pada awal polipeptida. Proses tersebut dinamakan GTP, promosi cytosolic protein disebut inisiasi faktor. (Nelson, Cox. 2008) Tahap 3 Pemanjangan
Polipeptida adalah pemanjangan kovalen dengan
pelengkatan sempurna dari unit asam amino masing-masing yang dibawa oleh ribosom dan dengan posisi tRNA yang benar, pasangan basa merespon ulang kodon mRNA. Pemanjangan cytosolic protein dikeetahui sebagai faktor pemanjangan. Penahan masing-masing aminoacyl-tRNA dan pergerakan ribosom mRNA dengan fasilitas hidrolisis GTP sebagai masing-masing residu penambahan berkembangnya polipeptida. (Nelson, Cox. 2008) Tahap 4 Terminasi dan daur ulang ribosom
Rantai polipeptida total dengan sinyal terminasi kodon dalam mRNA. Polipeptida baru adalah pelepasan dari ribosom, tujuan dengan protein disebut faktor melepaskan, dan ribosom yang mengulang untuk perputaran sintesis (Nelson, Cox. 2008) Tahap 5 F olding dan Posttranslational Processing
Pencapaian biologi aktif, polipeptida yang baru harus membentuk dalam konfirmasi tiga dimensi. Sebelum atau setelah bengkok, polipeptida baru hanyalah proses enzimatik, termasuk menggantikan dari satu atau lebih asam amino (biasanya dari amino terminus); penambahan pada asetil, phosphoryl, methyl, carboxyl, atau kelompok lain pada residu asam amino; proteolitik, dan atau pelengketan oligosakarida atau kelompok prostetik. (Nelson, Cox. 2008) 8
2.4
Regulasi Ekspresi Genetika
Konsentrasi selular pada protein pada delikasi seimbang dari tujuh proses terakhir, pada masing-masing regulasi potensial: (Nelson, Cox. 2008) 1. Sintesis primer transkrip RNA 2. Posttranskripsi modifikasi pada mRNA 3. Degradasi mRNA 4. Sintesis Protein (translasi) 5. Posttranslasi modifikasi pada protein 6. Protein target dan transport 7. Degradasi protein Produk untuk gen seperti enzim central metabolik
pathway,
yang
terjadi
peningkatan lebih atau tingkat kurang konstan pada setiap sel pada spesies atau organisme. Seperti gen yang sering menjadi gen pembersih rumah . Peningkatan yang
tidak berbeda-beda disebut konstitusif peningkatan gen. Untuk produk gen, peningkatan mengalami peningkatan dan jatuh pada respon signal molekular, disebut peningkatan regulasi gen. Peningkatan banyak pada gen DNA repair enzymes, seperti sistem regulasi protein dengan respon tingkat DNA damage yang tinggi. (Nelson, Cox. 2008) Transkripsi adalah mediasi dan regulasi pada protein interaksi DNA, khususnya termasuk komponen protein RNA polimerase. Pertama kita harus mengetahui aktivitas polimerase RNA adalah regulasi. (Nelson, Cox. 2008)
9
DAFTAR PUSTAKA
Nelson, Cox. 2008. LEHNINGER PRINCIPLES OF BIOCHEMISTRY 5th edition: Amino Acid, Peptides, and Proteins. New York: WH. Freeman and Company. page 71-112 Bhagavan, Ha. 2011. Essentials of Medical Biochemistry With Clinical Cases: Three Dimensional Structure of Proteins. London: Elsevier. page: 32-38 Nelson, Cox. 2008. LEHNINGER PRINCIPLES OF BIOCHEMISTRY 5th edition: PROTEIN METABOLISM. New York: WH. Freeman and Company. Nelson, Cox. 2008. LEHNINGER PRINCIPLES OF BIOCHEMISTRY 5th edition: REGULATION OF GENE EXPRESSION. New York: WH. Freeman and Company. Poedjiadi, Anna. 1994. Dasar-dasar Biokimia Untuk Mahasiswa Keperawatan. Jakarta : UI Press. Campbell, dkk. 2003. Biology Jilid I . Jakarta: Erlangga.
10
