Biologi Molekuler Medik Prof. Dr. M. Nurhalim Shahib, dr Biochemist & Molecular Biologist
2013
DEFINISI Biologi molekuler adalah ilmu yang mempelajari struktur dan fungsi molekul makhluk hidup, yang terdiri dari molekul organik dan anorganik, terorganisasi satu sama lain membentuk dan mempertahankan unit seluler sehingga dapat berfungsi biologik.
DEFINISI Biologi molekuler adalah ilmu yang mempelajari struktur dan fungsi molekul makhluk hidup, yang terdiri dari molekul organik dan anorganik, terorganisasi satu sama lain membentuk dan mempertahankan unit seluler sehingga dapat berfungsi biologik.
Gene expressions C H O N P Another elements
Micromolecules Macromolecules Supramolecules
Lifeless molecules
?
Growth & development (associated with microenvironment)
Cell
Living organism
Microenvironment : - Nutritions - Mechanical (temp, osmotic, diffusion, etc) - Chemical (pH, lifeless molecules) - Biological (cell proliferation, differentiation, differentiation, bodyplan, etc)
Different microenvironments? different gene expressions? .. zygote
Fetus Baby/Chil d
embryo
-Cells prolyferation -- cells differentiation -- genetics modification
Cells & Tissues maturation
Increasing of organs function & human systems biology
Adult
-Optimal cell function -Optimal component of blood & hormonal system - Optimal the reproductive system network
Scope of aging
Elderly
Death
? Decline of cell function
Beyond the reality
Relevansi Proses Kimia (dan Fisika) dengan Proses Biologis Banyak para ilmuwan melakukan pendekatan kimia, fisika bahkan teknologi dengan proses biologis (terutama oleh para ahli yang bukan bidang medis) dengan tujuan : (i) untuk memahami mekanisme fenomena biologis (ii) untuk memahami patogenesis penyakit (iii) untuk pengembanga diagnostik dan terapi (iv) Untuk mengetahui kepentingan struktur 3 dimensi dalam proses biologis
STRUKTUR & KANDUNGAN MOLEKUL PADA MAKHLUK HIDUP 1. Semua organisme terdiri dari molekul kimia atau benda mati yang sangat kompleks baik jumlah maupun organisasinya. Bandingkan dengan benda “abiotik ” 2. Organisme hidup memerlukan energi dari lingkungannya dalam bentuk nutrisi atau sinar matahari sehingga dapat mempertahankan dan membangun kerja atau interaksi yang bersifat mekanis kimia, osmotik, mempertahankan suhu tubuh dan lain-lain mekanisme. 3. Organisme hidup, terutama multiseluler memerlukan ruang tiga dimensi untuk pertumbuhan
C H 99 % massa sel O Elemen biologis N S P •monosakarida Elemen •asam amino 1% lain •nukleotida •asam lemak
Mikromolekul Makromolekul • polisakarida • protein • asam
nukleat • lipid dalam bentuk kompleks dengan komponen lipid lainnya
Supramolekul
Komponen molekul sel (Biomolekul).
BIOMOLEKUL
ELEMEN
Hirarki materi biologik DNA
RNA
Protein
Mikromolekul
elemen pokok (C, H, O, N, S, P)
Organel “major minerals” “trace elements”
Sel Makromolekul Jaringan
Organ
Supramolekul
Komposisi kimia tubuh manusia dan organisasi biologisnya.
•
•
Unsur kimia: C, H, O, N, S, P 99% massa sel 1% unsur lain Ikatan kimia non kovalen Terbentuknya molekul atau kovalen terurainya molekul
Struktur dan fungsi molekul
SEL ?
• SEL jaringan
Fungsi tubuh
H H
O
O C Suhu tinggi H
N
Ikatan hidrogen terputus
N
C T G A
C
T
G
A
G
A
C
T
enzimatis G A C T
Ikatan hidrogen terputus
CH2 H
C
C O
SH2
CH2
CH2
SH2
C
C
H
CH2
CH2
C
S
O
S CH2 C
CH2 H
C O
Ikatan hidrogen
Ikatan ion
NH2 I --- CH2 – OH ….. O = C - CH2 - CH2 --+ --CH2 –CH2 –NH3
-
O C-CH2-CH2O
Ikatan hidrofobik & Van der Waals
Ikatan ion
– CH2 –CH –CH3 I CH3 CH3 I CH3 –CH –CH2 – H H I I C – CH3 CH3 – C I I CH3 CH3
CH2 - C
O O
–
+
H3N - CH2
Ikatan kimia pada suatu protein. Ikatan tersebut dapat pecah dan menyebabkan perubahan konformasi suatu molekul protein
Pembuluh darah
3-4 m
7m 3-4 m
Sel darah merah (eritrosit)
Perubahan bentuk eritrosit dalam pembuluh darah kapiler
a
NH3 + O O C
c CH3
CH3 CH3
c
b O
H
CH
O
C
O
d
CH3
CH3 CH3
CH3
CH2OH
CH3
CH2OH
CH3
Ikatan kovalen a = ikatan ionik (elektostaik) b = ikatan hidrogen c = ikatan nonpolar (hidrofobik) d = ikatan Van der Waals
d
C
NH2
NH2 + O C O
a
BIOLOGI DASAR Konsep: • Semua proses biologis berlandaskan reaksi kimia dan atau fisikokimia (kimia fisik). • Fungsi sel dilaksanakan oleh molekul protein dan atau kompleks protein dengan senyawa lain. • Struktur protein menentukan aktivitas dan fungsi biologisnya: - Enzim - Pengatur (regulatory protein) - Transpor (transport protein) - Penimbun (storage protein) - Kontraktil/ motil - Struktur (structural protein ) - Pelindung (protective protein) - Exotic protein 16
Hirarki biologi molekul :
DNA RNA Protein
Molekul-molekul biologik terkoordinasi membentuk cellular networking
Terdapat interaksi protein-protein protein-nonprotein; protein-asam nukleat
Pola dan Pergerakan sel di dalam embrio
Pertumbuhan & Perkembangan
Proyek Genom Manusia (Human Genome Project =HGP) & gene bank Kemajuan IPTEK bidang Kedokteran Personalized Health
Respon Analisis Analisis selular & DNA RNA sistem imun
Global health
Analisis miRNA Analisis asam / siRNA amino & protein
sel normal
sel normal patalogis
Elemen/ mikro elemen
Analisis molekuler pada sel spesifik
Analisis molekuler leukosit
patalogis
22
STRUCTURE OF THE NUCLEIC ACIDS NUCLEIC ACIDS ARE POLYMERS OF NUCLEOTIDES - Deoxyribonucleic acid (DNA) - Ribonucleic acid (RNA)
NUCLEOTIDE STRUCTURE DNA and RNA, are polymers of nucleoside monophosphates (nucleotides) group. Each nucleotide consists of : 1. A Pentose sugar : a. Ribose sugar b. Deoxyribose sugar
RNA DNA
23
2. A Nitrogenous Base : a. Purines : adenine (A) and guanine (G)
found in DNA or
RNA b. Pyrimidins : Cytosine (C), thymine (T), and uracil (U) Thymines are found only in DNA Uracils are found only in RNA
3. Phosphate
24
O 4’
Basa N
1’
C H
H 2’
H
C
H
H 5’
C
C
H
H
O
P
OH
O
C
3’
OH
H pada DNA OH pada RNA Gula
fosfat
Nukleosida Nukleotida
Gambar 116. Komponen nukleotida Nukleosida terdiri dari basa N dan gula ribosa, sedangkan nukleotida terdiri dari nukleosida dan fosfat.
O O
H O 3’ H H H H
P O O
5’ CH2 O
H
H O
O P O H
O
H
O
H
Thymine
H
H
O
HH
Adenine
O
Guanine
CH2
O P
O
H
O H H H H
P O O
H H 3’ O
O
Cytosine
O
CH2 5’
O
H H
O
H
P
H
O
H O H H H H
O
CH2 O
P
O
H
O
H
Uracil
CH2 O H
H O
H
H OH
O P O O Guanine
CH2 O H H
H
3’ O
O H
3’
5’
H
O P O H O
5’
3’
Cytosine
O
O 5’
H OH
CH2 O
O
H
H
P O O
O
CH2
Guanine
H O
H
Cytosine
CH2 O
H
O
O H H H H O
P O
H
P
-O
H
O
O O
CH2
P O O 5’ CH2 O Adenine
O
O
H
CH2 O H
Thymine
Adenine
H
O
25
O
3’
H
26 O O
O
P O CH2
Cytosine
O
H H
H
O
H
P
O
H 5’ P
Cytosine
O
C 5’
O
Kelompok fosfodiester
CH2 H
H
O
H
H
P
O
Thymine
O
Thymine
T 3’
H
Guanine
G 3’ OH
O
O CH2 H
Guanine
O
H
H
O
O
H
Gambar 118. Struktur trinukleotida yang mengandung jembatan fosfodiester
MOLEKULAR STRUCTURE OF CHROMOSOMES AND GENES a very ong molecule of double stranded DNA Chromosome
Gene
a chromosome carries many genes a double helix of DNA has two strands
Single strand of DNA
a single stand of DNA is made of many nucleotides
Nucleotides
Base (B)+ Sugar (S)+
P
B
S
each nucleotide is made of hree components
27
28
ORGANIZATION OF EUKARYOTIC GENOMIC DNA Size of DNA molecules - Human = 3.0 x 109 base pairs / haploid cell = 6.0 x 109 base pairs / diploid cell - 1 chromosome ~ 7 cm in length - 46 chromosome 2m - < 10% of DNA codes for a product Packing of DNA in cells - DNA interacts with basic proteins known as histones - Histones arginine and lysine - Five classes of histones : H1, H2A, H2B, H3 and H4 H2A H2B Ellipsoid H3 H4 - Other types of proteins are also associated with DNA - Nucleosomes : * bead-like structures of DNA * DNA coils around the surface of the ellipsoid * Complex of histones plus DNA
Gen A
Gen B
Gen C
mRNA
Protein A
Protein B
- Struktur sel - Fungsi sel
Protein C
P
2
Centromere Telomere
Telomere
Gene A
Gene B
Gene C
mRNA A
mRNA B
mRNA C
Protein A30 Protein B
Protein C
Up stream
- 1000
TATA
Down stream
DNA (GEN)
+1
mRNA
5’ Cap
3’
Poly A Splicing
Poly A
mRNA matur
N C
Maturasi Protein
Kode Genetik
Protein
Up stream
Down stream
DNA (GEN)
- 1000
TATA
+1 mRNA 5’ Cap
3’
Poly A Splicing Poly A
mRNAMatur
Pelipatan (Folding)
C N
Proteolisis (Pemotongan Protein)
Modifikasi Asam Amino (-OH, PO4- , COO- , CH3, C2H5, KH, Isopren, Prostetik, Asam Lemak, dll)
Disulfide Cross-links Ikatan : - Ionik - Hidrogen - Van der Waals - Hidrofobik
PROSES POST TRANSLASI
Gambar Maturasi Protein
MATURASI PROTEIN
FUNGSI SELULER
POST TRANSLATION MODIFICATIONS Molekul Protein selalu mencari bentuk yang paling stabil Folding Natural state
Molekul yang berperan adalah “chaperones” yang terdapat dalam dua bentuk : • Yang menstabilkan protein dan mencegah dari degradasi • Yang bekerja melipatkan protein 36
miRNA (micro RNA) - small, non-coding RNA - 22 nucleotides in length - Natural miRNA acts as a guide to target RISC complex (RNA induced silencing complex) - To regulate the expression of ≥ 60% all protein coding genes - miRNAs play vital roles in proliferation, differentiation, cell growth, cell death, stress resistance, and metabolism
- The profile changes of miRNA
→
- Infections - Degenerative disease (cancer, CVD, etc) - As an biomarker to asses and monitor the pathophysiological conditions - miRNAs can act both as „oncomers‟ and tumor suppressor, 20 carcinogenesis may occur through loss of tumor suppressing miRNAs or over expression of tumor-promoting miRNAs.
• miRNA regulated network in disease state: ▫ Insufficient or abberant responses
• The miRNA contribution to mendelion and complex genetic disease
To utilize and target miRNAs of diagnostic and treatment Hundreds of targets for each miRNA ( Alexior et al ., 2009)
Pattern of miRNA expression provide useful information for tumor classification and prognosis • miRNA expression is highly cell-type specific • The specific miRNAs act as oncogenes and tumor suppressors • The phenotypic effects of miRNA-mediated regulation are enhanced under stress conditions
Stability of RNA molecules mRNA miRNA
Beberapa menit s/d beberapa hari Beberapa hari s/d beberapa bulan
DISTRIBUSI PROTEIN DALAM SEL •
•
Protein yang telah disintesis menempuh dua jalur : a. Kelompok protein yang mengandung ” Endoplasmic reticulum signal sequence” (ER signal sequence) - Membran ER dan sebagian sitoplasma - Vesikel dan eksport protein - Membran sel - dll. b. Kelompok protein yang tidak mengandung ER signal sequence - Sebagian besar sitoplasma - Organel, nukleus, mitokondria - dll. Terdapat urutan asam amino spesifik pada ujung protein baru yang dapat mengenal reseptor spesifik pada inti, periksisom dan mitokondria.
Stability of Protein with certain amino acids added to its N terminus sebagai contoh
Amino acid added
β-galactosidase
Half-life
Met, Ser, Ala
> 20 h
Thr, Val, Gly
> 20 h
Ile, Glu
> 30 h
Tyr, Gln
~ 10 min
Pro
~ 7 min
Phe, Leu, Asp, Lys
~ 3 min
Arg
~ 2 min
(Adapted from Bachmair et al., Science 234:179-186, 1986)
