MIKROBIOLOGI

MAKALAH MIKLROBIOLOGI

SUBSTANSI GENETIKA

Disusun Oleh :

KELOMPOK 7

YAKOBA LORWENS                                        111.0701.028

DEVI JULIANTI                                                111.0701.029

ANDES BASAULI SIMBOLON                        111.0701.030

WINSTON THERENSIUS. S                            111.0701.031

DIII KEPERAWATAN

FAKULTAS ILMU-ILMU KESEHATAN

UNIVERSITAS PEMBANGUNAN NASIONAL

“VETERAN” JAKARTA

T.A 2012

BAB I

PEMBAHASAN

SUBSTANSI GENETIKA

1.1.  Pengertian Asam Nukleat

Berbicara tentang substansi genetika, maka kita akan berbicara tentang senyawa kimia di dalam inti sel (nukleus) yang disebut asam nukleat. Asam nukleat berfungsi sebagai informasi genetik yang mengatur pemunculan sifat suatu makhluk hidup. Suatu sifat akan dimunculkan melalui pengendalian enzim-enzim atau senyawa protein lain yang disintesis oleh asam nukleat.

Selain itu dengan adanya asam nukleat segala aktivitas hidup dikendalikan (proses-proses metabolisme dalam tubuh makhluk hidup yang terjadi di dalam setiap sel) melalui pengendalian enzim-enzim yang disintesis oleh asam nukleat. Fungsi pengendalian dan pengaturansintesis protein inilah yang dijadikan dasar untuk menyebut asam nukleat sebagai substansi genetika (pembawa informasi genetik).

Manusia, hewan, tumbuhan, dan banyak lagi semua dihubungkan dengan bahan genetik. Setiap makhluk hidup dapat terlihat berbeda dan bertindak berbeda, tetapi dalam hati - jalan jauh di dalam inti sel - makhluk hidup mengandung kimia yang sama "bahan" yang membentuk materi genetik sangat mirip.

Pada tahun 1879, Albrecht Kossel menemukan asam nukleat yang tersusun oleh suatu gugus gula, gugus fosfat, dan gugus basa

Asam nukleat merupakan salah satu makromolekul yang memegang peranan sangat penting dalam kehidupan organisme karena di dalamnya tersimpan informasi genetik. Asam nukleat sering dinamakan juga polinukleotida karena tersusun dari sejumlah molekul nukleotida sebagai monomernya.

Asam nukleat yang paling umum adalah Asam deoksiribonukleat (DNA) and Asamribonukleat (RNA).Asam nukleat ditemukan pada semua sel hidup serta pada virus. Asam nukleat dinamai demikian karena keberadaan umumnya di dalaminti (nukleus) sel.

Ada dua macam asam nukleat, yaitu :                                                           

1. Asam deoksiribonukleat atau deoxyribonucleic acid (DNA) 

2. Asam ribonukleat atau ribonucleic acid (RNA).

Anda seluruh komposisi genetik, kepribadian, mungkin engsel intelijen bahkan pada molekul yang mengandung senyawa nitrogen, gula, dan asam. Para basa nitrogen purin adalah molekul baik disebut atau pirimidin.

Purin termasuk

·         Adenin

·         Guanin

Pirimidin termasuk

·         Sitosin

·         Timin (pada RNA)

·         Urasil (dalam DNA)

Dilihat dari strukturnya, perbedaan di antara kedua macam asam nukleat ini terutama terletak pada komponen gula pentosanya. Pada RNA gula pentosanya adalah ribosa, sedangkan pada DNA gula pentosanya mengalami kehilangan satu atom O pada posisi C nomor 2’ sehingga dinamakan gula 2’-deoksiribosa.

Tabel : Berikut perbedaan DNA dengan RNA :

	DNA	RNA
Bentuk struktur	Double heliks	Single heliks
Susunan basa	Purin        : Adenin (A)                    Guanin (G) Pirimidin  : Sitosin C                     Timin (T)	Purin        : Adenin (A)                    Guanin (G) Pirimidin  : Sitosin C                     Urasil (U)
Letak dalam sel	Nukleus/Inti	Sitoplasma
Susunan molekul	Satu pasang	Tunggal
Gula	Deoksiribosa	Ribosa
Fungsi	Informasi genetika	Sintesa protein
Sifa dalam sel	a. Mampu membiak b. Membuat RNA	a. Tak mampu membiak b. Dibuat DNA
Reaksi	Feulgen	Methyl green pyronin
Enzim	DNA-ase	RNA-ase

Image adapted from : National Human Genome Research Institute.

1.2  DNA & RNA

A. Struktur DNA

DNA mengandung dua untai nukleotida disusun dengan cara yang membuatnya tampak seperti sebuah tangga pair (disebut double helix). Para basa nitrogen DNA yang membangun yang double-helix atas adalah adenin (A), guanin (G), sitosin (C), dan timin (T). Gula yang ada di dalam komposisi DNA adalah 2-deoksiribosa.

Adenin selalu berpasangan dengan timin (AT), dan guanin selalu berpasangan dengan sitosin (GC).Basa-basa yang diselenggarakan bersama oleh ikatan hidrogen, yang merupakan "anak tangga" dari Sisi tangga terbuat dari molekul gula dan fosfat "tangga memutar.".

Bagian tertentu dari basa nitrogen di sepanjang untai DNA membentuk gen. Gen adalah unit yang berisi informasi genetik atau kode untuk produk tertentu dan mengirimkan informasi turun-temurun ke generasi berikutnya.

Tapi gen tidak hanya ditemukan dalam sel reproduksi. Setiap sel dalam organisme mengandung DNA (dan karena itu gen) karena DNA juga mengkode protein yang menghasilkan organisme. Dan protein kontrol fungsi sel dan menyediakan struktur. Jadi, dasar kehidupan yang terjadi dalam setiap sel.

Setiap kali sebuah sel baru dibuat pada sebuah organisme, bahan genetik direproduksi dan dimasukkan ke sel baru. Sel baru dapat membuat protein dalam dirinya sendiri dan juga lulus pada informasi genetik ke sel baru berikutnya.

Urutan basa nitrogen pada untai DNA (atau dalam satu bagian dari DNA yang terdiri dari gen) menentukan asam amino yang diproduksi. Dan urutan asam amino yang dirangkai menentukan protein diproduksi. Mana protein diproduksi menentukan apa elemen struktur diproduksi dalam tubuh Anda (seperti, jaringan otot, kulit, atau rambut) atau apa fungsi dapat dilakukan (seperti jikahemoglobin yang diproduksi untuk mengangkut oksigen ke semua sel).

DNA digunakan untuk membawa informasi genetik organisme sementara RNA mengambil peran yang berbeda, misalnya, RNAdapat bertindak sebagai enzim seperti ribozyme. Ada satu jenis tunggal DNA sementara ada banyak jenis RNA yang memiliki fungsi yang berbeda seperti mRNA (membawa DNApesan ke sitoplasma), tRNA (membawa asam amino untuk mRNA dan Ribosom), rRNA (RNA Ribosomal, meja kerja untuk sintesis protein)

DNA tidak dapat mengkatalisis sintesis sendiri sedangkan RNA bisa. Ini mendukung Hipotesis Dunia RNA. Pasangan basa pada DNA termasuk AT ( Adenin - Timin ) dan GC ( Guanin - Sitosin ) adalah berbeda dengan RNA termasuk AU ( Adenin - Urasil ) dan GC ( Guanin - Sitosin ).

Basis dan gula

DNA merupakan polimer panjang dengan deoxyriboses dan tulang punggung fosfat. Memiliki empat basa nitrogen yang berbeda: adenin, guanin, sitosin dan timin. RNA merupakan polimer dengan ribosa dan tulang punggung fosfat. Empat basa nitrogen yang berbeda: adenin, guanin, sitosin, dan urasil.

Komponen terdiri dari basis dan gula dikenal sebagai nukleosida tersebut. DNA mengandung deoxyadenosine (gula deoksiribosa terikat adenin ), guanoside (gula deoksiribosa terikat guanin ), cytidine (gula deoksiribosa terikat pada sitosin ), dan timidin (deoksiribosa gula berikat untuk timin ). Keterkaitan ikatan antara dasar untuk gula dikenal sebagai hubungan beta-glikosidik. Dalam purin , hal ini terjadi antara N-9 dan C-1 'dan pirimidin ini terjadi antara N-1 dan C-1 '. Sebuah nukleosida dan gugus fosfat membentuk nukleotida. Ikatan antara gula deoksiribosa dari nukleosida dan gugus fosfat adalah hubungan 3'-5 'fosfodiester.

1. Fungsi DNA Sebagai Materi Genetik

DNA sebagai materi genetik pada sebagian besar organisme harus dapat menjalankan tiga macam fungsi pokok berikut ini.

Ø  DNA harus mampu menyimpan informasi genetik dan dengan tepat dapat meneruskan informasi tersebut dari tetua kepada keturunannya, dari generasi ke generasi. Fungsi ini merupakan fungsi genotipik, yang dilaksanakan melalui replikasi.

Ø  DNA harus mengatur perkembangan fenotipe organisme. Artinya, materi genetik harus mengarahkan pertumbuhan dan diferensiasi organisme mulai dari zigot hingga individu dewasa. Fungsi ini merupakan fungsi fenotipik, yang dilaksanakan melalui ekspresi gen

Ø  DNA adalah asam nukleat yang berisi instruksi genetik yang digunakan dalam pengembangan dan fungsi dari semua organisme hidup dikenal. Ini adalah media penyimpanan jangka panjang dan transmisi informasi genetik, sedangkan RNA merupakan polimer asam nukleat yang memainkan peran penting dalam proses penerjemahan informasi genetik dari asam deoksiribonukleat (DNA) ke dalam produk protein. RNA bertindak sebagai pembawa pesan antara DNA dan sintesis kompleks protein yang dikenal sebagai ribosom.

                       Kedua DNA dan RNA dimulai sintesis dalam arah 5'-3 '. Namun, primer tidak diperlukan untuk RNA. Selain itu, polimerase RNA tidak memiliki kemampuan untuk mendeteksi kesalahan dari pasangan dasar, suatu sifat yang DNA polimerase mampu melakukan.

                       Asam deoksiribonukleat (DNA) menyimpan informasi untuk sintesis protein spesifik. DNA memiliki deoksiribosa sebagai gula. DNA terdiri dari gugus fosfat, gula, dan sebuah basis nitrogen . Struktur DNA adalah, heliks untai ganda makromolekul dengan basis memproyeksikan ke bagian dalam molekul. Kedua helai selalu saling melengkapi secara berurutan.Salah satu untai berfungsi sebagai template untuk pembentukan lain selama replikasi DNA , sumber utama warisan. Fitur unik dari DNA menyediakan mekanisme untuk kelangsungan hidup. Struktur DNA ditemukan oleh Rosalind Franklin ketika ia digunakan kristalografi sinar-x untuk mempelajari materi genetik. Foto x-ray ia memperoleh mengungkapkan struktur fisik DNA sebagai suatu heliks.

2. Dobel Helix DNA

Pada tahun 1953, James Watson dan Francis Crick menggambarkan struktur  tiga dimensi DNA dan menyimpulkan  mekanisme replikasinya. Watson dan Crick  melakukan analisis gambaran difraksi sinar-X serat-serat DNA yang dibuat oleh Rosalind Franklin dan Maurice Wilkins  dan menetapkan suatu model struktural yang pada dasarnya dapat dibuktikan.

Ciri-ciri model DNA adalah  ;

ü  Dua rantai heliks  polinukleotida melingkar menglilingi satu sumbu. Kedua rantai mempunyai arah yang berlawanan.

ü  Basa purin dan pirimidin  terdapat di bagian heliks, sedangkan unit-unit fosfat dan deoksiribosa terdapat dibagian luar.

ü  Diameter heliks adalah 20 A. Jarak antara  basa yang bersebelahan ialah 3,4 A pada poros heliks dengan sudut rotasi sebesar 36⁰. Dengan demikian, perputaran heliks  berulang setelah 10 residu pada setiap rantai, yakni pada interval 34 A.

ü  Kedua rantai saling berhubungan melalui ikatan hidrogen  antara pasangan-pasangan basa. Adenin selalu berpasangan dengan timin, guanin selalu berpasangan dengan sitosin

            DNA memiliki struktur heliks ganda. Tepi luar dibentuk oleh molekul gula deoksiribosa bergantian dan gugus fosfat , yang membentuk tulang punggung gula-fosfat. Dua helai berjalan di arah yang berlawanan, satu masuk 3 'ke 5' arah dan yang lainnya akan di 5 'ke 3' arah. Para basa nitrogen diposisikan dalam struktur heliks seperti "anak tangga di tangga," karena efek hidrofobik, dan distabilkan oleh ikatan hidrogen.

            Dua helai berjalan di arah yang berlawanan untuk membentuk heliks ganda. Alur yang diselenggarakan bersama oleh ikatan hidrogen dan interaksi hidrofobik. H-ikatan terbentuk antara pasangan basa dari anti-paralel helai.Basis dalam untai pertama membentuk ikatan H-hanya dengan basis tertentu dalam untai kedua. Kedua basis membentuk pasangan basa (H-ikatan interaksi yang membuat helai bersama dan membentuk struktur heliks ganda). Basis-pasangan dalam DNA adalah adenin - timin (AT) dan sitosin - guanin (CG). Interaksi tersebut memberikan kita pemahaman bahwa nitrogen yang mengandung basa berada dalam dari DNA heliks ganda struktur, sedangkan gula dan fosfat terletak di luar dari struktur heliks ganda.

            Dasar, terletak di dalam double helix, ditumpuk. Basis Penumpukan berinteraksi satu sama lain melalui Van der Waals. Meskipun energi yang berkaitan dengan interaksi Van der Waals relatif kecil, dalam struktur heliks, sejumlah besar atom saling terkait dalam interaksi tersebut dan jumlah bersih energi yang cukup besar. Jarak antara dua pangkalan tetangga yang tegak lurus dengan sumbu utama adalah 3,4 ˚ A. The DNA adalah struktur berulang. Ada sepuluh basa per putaran, yang merupakan struktur berulang setelah 34 ˚ A, jadi dasar setiap memiliki sudut 34 ° rotasi. Diameter dari helix ganda adalah sekitar 10 ˚ A.

Cara mudah untuk membedakan antara nukleosida dan Deoxynucleosides adalah atom terikat pada C-2 pada unit gula. Jika struktur adalah nukleosida, maka C-2 dikenakan dua atom hidrogen. Jika deoxynucleoside, maka C-2 beruang satu hidrogen dan satu kelompok hidroksida, inwhich kelompok hidroksida menghadap ke selatan.

Ø  Variasi struktural dalam DNA dapat terjadi jika: 

1. Ada yang berbeda deoxyriboise konformasi 
2. Jika ada rotasi di sekitar ikatan bersebelahan di tulang punggung phosphodeoxyribose 
3. Gratis rotasi C-1'N = glycosyl obligasi (syn / anti).

Ø  DNA umum struktur dan basis nya

1. Komposisi dasar DNA umumnya bervariasi dari satu spesies yang lain.

2. DNA diisolasi dari spesimen jaringan yang berbeda dari spesies yang sama memiliki komposisi dasar yang sama.

3. Komposisi dasar DNA dalam suatu spesies tidak berubah dari waktu ke waktu, negara bagian gizi, atau lingkungan.

4. Dalam semua sel DNA , terlepas dari jenis, jumlah residu adenin sama dengan jumlah residu timin (A = T) dan jumlah residu guanin sama dengan jumlah residu sitosin (G = C).

                       Kemudian pada tahun 1953, Rosalind Franklin dan Maurice Wilkins menggunakan teknik difraksi sinar-X kuat yang disebut kristalografi sinar-X untuk menyimpulkan DNA struktur. Foto-foto yang dihasilkan oleh kristalografi sinar-X metode tidak benar-benar gambar molekul, namun bintik-bintik dan noda yang dihasilkan oleh sinar-X yang terdifraksi (dibelokkan) saat mereka melewati mengkristal DNA .Kristalografi menggunakan persamaan matematika untuk menerjemahkan pola seperti bintik-bintik menjadi informasi tentang bentuk tiga dimensi dari DNA . Franklin dan Wilkins menemukan bahwa DNA molekul heliks dengan dua periodisitas sepanjang sumbu panjang mereka, yang utama dari 3,4 A dan satu sekunder dari 34 A.

3. Replikasi DNA

                       Replikasi DNA adalah proses penggandaan rantai ganda DNA. Pada sel, replikasi DNA terjadi sebelum pembelahan sel. Prokariota terus-menerus melakukan replikasi DNA. Pada eukariota, waktu terjadinya replikasi DNA sangatlah diatur, yaitu pada fase S siklus sel, sebelummitosis atau meiosis I. Penggandaan tersebut memanfaatkan enzim DNA polimerase yang membantu pembentukan ikatan antara nukleotida-nukleotida penyusun polimer DNA. Proses replikasi DNA dapat pula dilakukan in vitro dalam proses yang disebut reaksi berantai polimerase (PCR).

                       Replikasi DNA. Mula-mula, heliks ganda DNA (merah) dibuka menjadi dua untai tunggal oleh enzim helikase dengan bantuan topoisomerase yang mengurangi tegangan untai DNA. Untaian DNA tunggal dilekati oleh protein-protein pengikat untaian tunggal untuk mencegahnya membentuk heliks ganda kembali. Primase  membentuk oligonukleotida RNA yang disebut primer  dan molekul DNA polimerase melekat pada seuntai tunggal DNA dan bergerak sepanjang untai tersebut memperpanjang primer, membentuk untaian tunggal DNA baru yang disebutleading strand dan lagging strand . DNA polimerase yang membentuk lagging strand harus mensintesis segmen-segmen polinukleotida diskontinu (disebut fragmen Okazaki . Enzim DNA ligase  kemudian menyambungkan potongan-potongan lagging strand tersebut.

Sebuah DNA molekul dipisahkan dan dibuat dari putri baru DNA

 

1. Replikasi DNA prokariota

Replikasi DNA kromosom prokariota, khususnya bakteri, sangat berkaitan dengan siklus pertumbuhannya. Daerah ori pada E. coli, misalnya, berisi empat buah tempat pengikatan protein inisiator DnaA, yang masing-masing panjangnya 9 pb. Sintesis protein DnaA ini sejalan dengan laju pertumbuhan bakteri sehingga inisiasi replikasi juga sejalan dengan laju pertumbuhan bakteri. Pada laju pertumbuhan sel yang sangat tinggi; DNA kromosom prokariota dapat mengalami reinisiasi replikasi pada dua ori yang baru terbentuk sebelum putaran replikasi yang pertama berakhir. Akibatnya, sel-sel hasil pembelahan akan menerima kromosom yang sebagian telah bereplikasi.

Protein DnaA membentuk struktur kompleks yang terdiri atas 30 hingga 40 buah molekul, yang masing-masing akan terikat pada molekul ATP. Daerah ori akan mengelilingi kompleks DnaA-ATP tersebut. Proses ini memerlukan kondisi superkoiling negatif DNA (pilinan kedua untai DNA berbalik arah sehingga terbuka). Superkoiling negatif akan menyebabkan pembukaan tiga sekuens repetitif sepanjang 13 pb yang kaya dengan AT sehingga memungkinkan terjadinya pengikatan protein DnaB, yang merupakan enzim helikase, yaitu enzim yang akan menggunakan energi ATP hasil hidrolisis untuk bergerak di sepanjang kedua untai DNA dan memisahkannya.

Untai DNA tunggal hasil pemisahan oleh helikase selanjutnya diselubungi oleh protein pengikat untai tunggal atau single-stranded binding protein (Ssb) untuk melindungi DNA untai tunggal dari kerusakan fisik dan mencegah renaturasi. Enzim DNA primase kemudian akan menempel pada DNA dan menyintesis RNA primer yang pendek untuk memulai atau menginisiasi sintesis pada untai pengarah. Agar replikasi dapat terus berjalan menjauhi ori, diperlukan enzim helikase selain DnaB. Hal ini karena pembukaan heliks akan diikuti oleh pembentukan putaran baru berupa superkoiling positif. Superkoiling negatif yang terjadi secara alami ternyata tidak cukup untuk mengimbanginya sehingga diperlukan enzim lain, yaitutopoisomerase tipe II yang disebut dengan DNA girase. Enzim DNA girase ini merupakan target serangan antibiotik sehingga pemberian antibiotik dapat mencegah berlanjutnya replikasi DNA bakteri.

 

2. Replikasi DNA eukariota

Pada eukariota, replikasi DNA hanya terjadi pada fase S di dalam interfase. Untuk memasuki fase S diperlukan regulasi oleh sistem protein kompleks yang disebut siklin dan kinase tergantung siklin atau cyclin-dependent protein kinases (CDKs), yang berturut-turut akan diaktivasi oleh sinyal pertumbuhan yang mencapai permukaan sel. Beberapa CDKs akan melakukan fosforilasi dan mengaktifkan protein-protein yang diperlukan untuk inisiasi pada masing-masing ori.

Berhubung dengan kompleksitas struktur kromatin, garpu replikasi pada eukariota bergerak hanya dengan kecepatan 50 pb tiap detik. Sebelum melakukan penyalinan, DNA harus dilepaskan dari nukleosom pada garpu replikasi sehingga gerakan garpu replikasi akan diperlambat menjadi sekitar 50 pb tiap detik. Dengan kecepatan seperti ini diperlukan waktu sekitar 30 hari untuk menyalin molekul DNA kromosom pada kebanyakan mamalia.

Sederetan sekuens tandem yang terdiri atas 20 hingga 50 replikon mengalami inisiasi secara serempak pada waktu tertentu selama fase S. Deretan yang mengalami inisasi paling awal adalah eukromatin, sedangkan deretan yang agak lambat adalah heterokromatin. Daerah sentromer dan telomer dari DNA bereplikasi paling lambat. Pola semacam ini mencerminkan aksesibilitas struktur kromatin yang berbeda-beda terhadap faktor inisiasi.

Seperti halnya pada prokariota, satu atau beberapa DNA helikase dan Ssb yang disebut dengan protein replikasi A atau replication protein A (RP-A) diperlukan untuk memisahkan kedua untai DNA. Selanjutnya, tiga DNA polimerase yang berbeda terlibat dalam elongasi. Untai pengarah dan masing-masing fragmen untai tertinggal diinisiasi oleh RNA primer dengan bantuan aktivitas primase yang merupakan bagian integral enzim DNA polimerase a. Enzim ini akan meneruskan elongasi replikasi tetapi kemudian segera digantikan oleh DNA polimerase d pada untai pengarah dan DNA polimerase e pada untai tertinggal. Baik DNA polimerase d maupun e mempunyai fungsi penyuntingan. Kemampuan DNA polimerase d untuk menyintesis DNA yang panjang disebabkan oleh adanya antigen perbanyakan nuklear sel atau proliferating cell nuclear antigen (PCNA), yang fungsinya setara dengan subunit b holoenzim DNA polimerase III pada E. coli. Selain terjadi penggandaan DNA, kandungan histon di dalam sel juga mengalami penggandaan selama fase S.

B. Struktur RNA

            RNA terdiri dari rantai poliribonukleotida dengan susunan basa yang biasanya adalah adenine, guanine, urasil dan sitosin. RNA berada dalam inti sel dan sitoplasma. RNA terdapat dalam beberapa bentuk seperti lekukan tangkai atai jepit rambut yang mempunyai peranan fungsional yang penting.

RNA digolongkan menjadi tiga macam yakni RNA transfer (tRNA), RNA ribosom (rRNA) dan RNA  kurir (mRNA)  yang masing-masing  mempunyai komposisi basa dan berat molekul yang khas dan terdiri dari rantai poliribonukleotida tunggal .

RNA kurir (mRNA) terdiri dari basa A, G, S, dan U, dan disitensis di dalam  inti sel dalam proses transkripsi yakni proses penurunan urutan  basa dari salah satu untaian DNA pada kromosom dengan perantara enzim menjadi bentuk rantai tunggal mRNA. Basa mRNA yang terjadim ini merupakan komplemen urutan basa dalam  DNA tersebut.

Setelah proses transkripsi, mRNA keluar dari inti sel bergerak  ke ribosom, dan bersama-sama dengan ribosom memulai proses biosintesisi polipeptida, urutan triplet nukleotida adalah kodon yang terdapat  sepanjang rantai mRNA yang menentukan urutan residu asam amino yang membentuk rantai polipeptida.

tRNA berfungsi sebagai pembawa asam amino spesifik dalam proses biosintesis protein pada ribosom.

Dalam proses biosintesis protein, gugus amino akan dibawa ke ribosom dan dipindahkan ke rantai polipeptida yang sedang bertumbuh dalam proses pemanjangannya. rRNA membentuk 65 % berat ribosom.

Pada kebanyakan hewan, RNA bukanlah materi genetik utama. Banyak virus - seperti human immunodeficiency virus (HIV) penyebab AIDS - berisi RNA sebagai materi genetik mereka. Namun, pada hewan, RNA bekerja bersama dengan DNA untuk memproduksi protein yang dibutuhkan seluruh tubuh.

1.  Tipe-tipe RNA

RNA hadir di alam dalam berbagai macam/tipe. Sebagai bahan genetik, RNA berwujud sepasang pita (Inggris double-stranded RNA, dsRNA). Genetika molekular klasik mengajarkan adanya tiga tipe RNA yang terlibat dalam proses sintesis protein:

1. RNA-kurir (bahasa Inggris: messenger-RNA, mRNA),

2. RNA-ribosom (bahasa Inggris: ribosomal-RNA, rRNA),

3. RNA-transfer (bahasa Inggris: transfer-RNA, tRNA).

Pada akhir abad ke-20 dan awal abad ke-21 diketahui bahwa RNA hadir dalam berbagai macam bentuk dan terlibat dalam proses pascatranslasi. Dalam pengaturan ekspresi genetik orang sekarang mengenal RNA-mikro (miRNA) yang terlibat dalam “peredaman gen” atau gene silencing dan small-interfering RNA (siRNA) yang terlibat dalam proses pertahanan terhadap serangan virus.

2.  Fungsi RNA

Pada sekelompok virus (misalnya bakteriofag), RNA merupakan bahan genetik. Ia berfungsi sebagai penyimpan informasi genetik, sebagaimana DNA pada organisme hidup lain. Ketika virus ini menyerang sel hidup, RNA yang dibawanya masuk ke sitoplasma sel korban, yang kemudian ditranslasi oleh sel inang untuk menghasilkan virus-virus baru.

Namun demikian, peran penting RNA terletak pada fungsinya sebagai perantara antara DNA dan protein dalam proses ekspresi genetik karena ini berlaku untuk semua organisme hidup. Dalam peran ini, RNA diproduksi sebagai salinan kode urutan basa nitrogen DNA dalam proses transkripsi. Kode urutan basa ini tersusun dalam bentuk ‘triplet’, tiga urutan basa N, yang dikenal dengan nama kodon. Setiap kodon berelasi dengan satu asam amino (atau kode untuk berhenti), monomer yang menyusun protein. Lihat ekspresi genetik untuk keterangan lebih lanjut.

Penelitian mutakhir atas fungsi RNA menunjukkan bukti yang mendukung atas teori ‘dunia RNA’, yang menyatakan bahwa pada awal proses evolusi, RNA merupakan bahan genetik universal sebelum organisme hidup memakai DNA.

3.  Intereferensi RNA

Suatu gejala yang baru ditemukan pada penghujung abad ke-20 adalah adanya mekanisme peredaman (silencing) dalam ekspresi genetik. Kode genetik yang dibawa RNA tidak diterjemahkan (translasi) menjadi protein oleh tRNA. Ini terjadi karena sebelum sempat ditranslasi, mRNA dicerna/dihancurkan oleh suatu mekanisme yang disebut sebagai “interferensi RNA”. Mekanisme ini melibatkan paling sedikit tiga substansi (enzim dan protein lain). Gejala ini pertama kali ditemukan pada nematoda Caenorhabditis elegans tetapi selanjutnya ditemukan pada hampir semua kelompok organisme hidup.

4.  Prosesing RNA

Bila dibandingkan dengan transkripsi, translasi merupakan proses yang lebih rumit karena melibatkan fungsi berbagai makromolekul. Oleh karena kebanyakan di antara makromolekul ini terdapat dalam jumlah besar di dalam sel, maka sistem translasi menjadi bagian utama mesin metabolisme pada tiap sel. Makromolekul yang harus berperan dalam proses translasi tersebut meliputi

1. Lebih dari 50 polipeptida serta 3 hingga 5 molekul RNA di dalam tiap ribosom
2. Sekurang-kurangnya 20 macam enzim aminoasil-tRNA sintetase yang akan mengaktifkan asam amino
3. Empat puluh hingga 60 molekul tRNA yang berbeda
4. Sedikitnya 9 protein terlarut yang terlibat dalam inisiasi, elongasi, dan terminasi polipeptida.

C.  Proses Translasi RNA

Mekanisme translasi atau sintesis protein secara skema garis besar dapat dilihat pada Gambar 6.1. Sebuah molekul mRNA akan terikat pada permukaan ribosom yang kedua subunitnya telah bergabung. Pengikatan ini terjadi karena pada mRNA prokariot terdapat urutan basa tertentu yang disebut sebagai tempat pengikatan ribosom (ribosom binding site) atau urutan Shine-Dalgarno. Sementara itu, pada eukariot pengikatan ribosom dilakukan oleh ujung 5’ mRNA. Selanjutnya, berbagai aminoasil-tRNA akan berdatangan satu demi satu ke kompleks ribosom-mRNA ini dengan urutan sesuai dengan antikodon dan asam amino yang dibawanya. Urutan ini ditentukan oleh urutan triplet kodon pada mRNA. Ikatan peptida terbentuk di antara asam-asam amino yang terangkai menjadi rantai polipeptida di tapak P ribosom. Penggabungan asam-asam amino terjadi karena gugus amino pada asam amino yang baru masuk berikatan dengan gugus karboksil pada asam amino yang terdapat pada rantai polipeptida yang sedang diperpanjang.

Inisiasi sintesis protein dilakukan oleh aminoasil-tRNA khusus, yaitu tRNA yang membawa metionin (dilambangkan sebagai metionil-tRNA_i^Met). Hal ini berarti bahwa sintesis semua polipeptida selalu dimulai dengan metionin. Khusus pada prokariot akan terjadi formilasi gugus amino pada metionil-tRNA_i^Met (dilambangkan sebagaimetionil-tRNA_f^Met) yang mencegah terbentuknya ikatan peptida antara gugus amin tersebut dengan gugus karboksil asam amino pada ujung polipetida yang sedang diperpanjang sehingga asam amino awal pada polipeptida prokariot selalu berupa f-metionin. Pada eukariot metionil-tRNA_i^Met tidak mengalami formilasi gugus amin, tetapi molekul ini akan bereaksi dengan protein-protein tertentu yang berfungsi sebagai faktor inisiasi (IF-1, IF-2, dan IF-3). Selain itu, baik pada prokariot maupun eukariot, terdapat pula metionil-tRNA yang metioninnya bukan merupakan asam amino awal (dilambangkan sebagai metionil-tRNA^Met).

Kompleks inisiasi pada prokariot terbentuk antara mRNA, metionil-tRNA_f^Met, dan subunit kecil ribosom (30S) dengan bantuan protein IF-1, IF-2, dan IF-3, serta sebuah molekul GTP. Pembentukan kompleks inisiasi ini diduga difasilitasi oleh perpasangan basa antara suatu urutan di dekat ujung 3’ rRNA berukuran 16S dan sebagian urutan pengarah (leader sequence) pada mRNA. Selanjutnya, kompleks inisiasi bergabung dengan subunit besar ribosom (50S), dan metionil-tRNA_f^Metterikat pada tapak P.  Berpasangannya triplet kodon inisiasi pada mRNA dengan antikodon pada metionil-tRNA_f^Met di tapak P menentukan urutan triplet kodon dan aminoasil-tRNA_f^Met berikutnya yang akan masuk ke tapak A. Pengikatan aminoasil-tRNA_f^Met berikutnya, misalnya alanil- tRNA_ala, ke tapak A memerlukan protein-protein elongasi EF-Ts dan EF-Tu. Pembentukan ikatan peptida antara gugus karboksil pada metionil-tRNA_f^Met di tapak P dan gugus amino pada alanil-tRNA_ala di tapak A dikatalisis oleh enzim peptidil transferase, suatu enzim yang terikat pada subunit ribosom 50S. Reaksi ini menghasilkan dipeptida yang terdiri atas f-metionin dan alanin yang terikat pada tRNA_ala di tapak A.

Langkah berikutnya adalah translokasi, yang melibatkan :

1) . Perpindahan f-met-ala- tRNA_ala dari tapak A ke tapak P.

2). Pergeseran posisi mRNA pada ribosom sepanjang tiga basa sehingga triplet kodon yang semula berada di tapak A masuk ke tapak P. 

 Dalam contoh ini triplet kodon yang bergeser dari tapak A ke P tersebut adalah triplet kodon untuk alanin. Triplet kodon berikutnya, misalnya penyandi serin, akan masuk ke tapak A dan proses seperti di atas hingga translokasi akan terulang kembali.  Translokasi memerlukan aktivitas faktor elongasi berupa enzim yang biasa dilambangkan dengan EF-G.

Pemanjangan atau elongasi rantai polipeptida akan terus berlangsung hingga suatu tripet kodon yang menyandi terminasi memasuki tapak A. Sebelum suatu rantai polipeptida selesai disintesis terlebih dahulu terjadi deformilisasi pada f-metionin menjadi metionin. Terminasi ditandai oleh terlepasnya mRNA, tRNA di tapak P, dan rantai polipeptida dari ribosom. Selain itu, kedua subunit ribosom pun memisah. Pada terminasi diperlukan aktivitas dua protein yang berperan sebagai faktor pelepas atau releasing factors, yaitu RF-1 dan RF-2.

Sesungguhnya setiap mRNA tidak hanya ditranslasi oleh sebuah ribosom. Pada umumnya sebuah mRNA akan ditranslasi secara serempak oleh beberapa ribosom yang satu sama lain berjarak sekitar 90 basa di sepanjang molekul mRNA. Kompleks translasi yang terdiri atas sebuah mRNA dan beberapa ribosom ini dinamakan poliribosom atau polisom. Besarnya polisom sangat bervariasi dan berkorelasi dengan ukuran polipeptida yang akan disintesis. Sebagai contoh, rantai hemoglobin yang tersusun dari sekitar 150 asam amino disintesis oleh polisom yang terdiri atas lima buah ribosom (pentaribosom).

Pada prokariot translasi seringkali dimulai sebelum transkripsi berakhir. Hal ini dimungkinkan terjadi karena tidak adanya dinding nukleus yang memisahkan antara transkripsi dan translasi. Dengan berlangsungnya kedua proses tersebut secara bersamaan, ekspresi gen menjadi sangat cepat dan mekanisme nyala-padam (turn on-turn off) ekspresi gen, seperti yang akan dijelaskan nanti, juga menjadi sangat efisien.

D.  Prinsip Dasar Transkripsi

Fungsi dasar kedua yang harus dijalankan oleh DNA sebagai materi genetik adalah fungsi fenotipik. Artinya, DNA harus mampu mengatur pertumbuhan dan diferensiasi individu organisme sehingga dihasilkan suatu fenotipe tertentu.  Fungsi ini dilaksanakan melalui ekspresi gen, yang tahap pertamanya adalah proses transkripsi, yaitu perubahan urutan basa molekul DNA menjadi urutan basa molekul RNA. Dengan perkataan lain, transkripsi merupakan proses sintesis RNA menggunakan salah satu untai molekul DNA sebagai cetakan (templat)nya.

Transkripsi mempunyai ciri-ciri kimiawi yang serupa dengan sintesis/replikasi DNA, yaitu :

1.      Adanya sumber basa nitrogen berupa nukleosida trifosfat. Bedanya dengan sumber basa untuk sintesis DNA hanyalah pada molekul gula pentosanya yang tidak berupa deoksiribosa tetapi ribosa dan tidak adanya basa timin tetapi digantikan oleh urasil. Jadi, keempat nukleosida trifosfat yang diperlukan adalah adenosin trifosfat (ATP), guanosin trifosfat (GTP), sitidin trifosfat (CTP), dan uridin trifosfat (UTP).

2.      Adanya untai molekul DNA sebagai cetakan. Dalam hal ini hanya salah satu di antara kedua untai DNA yang akan berfungsi sebagai cetakan bagi sintesis molekul RNA. Untai DNA ini mempunyai urutan basa yang komplementer dengan urutan basa RNA hasil transkripsinya, dan disebut sebagai pita antisens. Sementara itu, untai DNA pasangannya, yang mempunyai urutan basa sama dengan urutan basa RNA, disebut sebagai pita sens. Meskipun demikian, sebenarnya transkripsi pada umumnya tidak terjadi pada urutan basa di sepanjang salah satu untai DNA. Jadi, bisa saja urutan basa yang ditranskripsi terdapat berselang-seling di antara kedua untai DNA. 

3.      Sintesis berlangsung dengan arah 5’→ 3’ seperti halnya arah sintesis DNA.

4.      Gugus 3’- OH pada suatu nukleotida bereaksi dengan gugus 5’- trifosfat pada nukleotida berikutnya menghasilkan ikatan fosofodiester dengan membebaskan dua atom pirofosfat anorganik (PPi). Reaksi ini jelas sama dengan reaksi polimerisasi DNA. Hanya saja enzim yang bekerja bukannya DNA polimerase, melainkan RNA polimerase. Perbedaan yang sangat nyata di antara kedua enzim ini terletak pada kemampuan enzim RNA polimerase untuk melakukan inisiasi sintesis RNA tanpa adanya molekul primer.  

Secara garis besar transkripsi berlangsung dalam empat tahap, yaitu pengenalan promoter, inisiasi, elongasi, dan teminasi. Masing-masing tahap akan dijelaskan secara singkat sebagai berikut.

a. Pengenalan promoter

Agar molekul DNA dapat digunakan sebagai cetakan dalam sintesis RNA, kedua untainya harus dipisahkan satu sama lain di tempat-tempat terjadinya penambahan basa pada RNA. Selanjutnya, begitu penambahan basa selesai dilakukan, kedua untai DNA segera menyatu kembali. Pemisahan kedua untai DNA pertama kali terjadi di suatu tempat tertentu, yang merupakan tempat pengikatan enzim RNA polimerase di sisi 5’ (upstream) dari urutan basa penyandi (gen) yang akan ditranskripsi. Tempat ini dinamakan promoter.

b. Inisiasi

Setelah mengalami pengikatan oleh promoter, RNA polimerase akan terikat pada suatu tempat di dekat promoter, yang dinamakan tempat awal polimerisasi atautapak inisiasi (initiation site). Tempat ini sering dinyatakan sebagai posisi +1 untuk gen yang akan ditranskripsi. Nukleosida trifosfat pertama akan diletakkan di tapak inisiasi dan sintesis RNA pun segera dimulai.

c.  Elongasi

Pengikatan enzim RNA polimerase beserta kofaktor-kofaktornya pada untai DNA cetakan membentuk kompleks transkripsi. Selama sintesis RNA berlangsung kompleks transkripsi akan bergeser di sepanjang molekul DNA cetakan sehingga nukleotida demi nukleotida akan ditambahkan kepada untai RNA yang sedang diperpanjang pada ujung 3’ nya. Jadi, elongasi atau polimerisasi RNA berlangsung dari arah 5’ ke 3’, sementara RNA polimerasenya sendiri bergerak dari arah 3’ ke 5’ di sepanjang untai DNA cetakan.

d.  Terminasi

Berakhirnya polimerisasi RNA ditandai oleh disosiasi kompleks transkripsi atau terlepasnya enzim RNA polimerase beserta kofaktor-kofaktornya dari untai DNA cetakan. Begitu pula halnya dengan molekul RNA hasil sintesis. Hal ini terjadi ketika RNA polimerase mencapai urutan basa tertentu yang disebut dengan terminator.

Terminasi transkripsi dapat terjadi oleh dua macam sebab, yaitu terminasi yang hanya bergantung kepada urutan basa cetakan (disebut terminasi diri) dan terminasi yang memerlukan kehadiran suatu protein khusus (protein rho). Di antara keduanya terminasi diri lebih umum dijumpai. Terminasi diri terjadi pada urutan basapalindrom yang diikuti oleh beberapa adenin (A).

Inisiasi transkripsi tidak harus menunggu selesainya transkripsi sebelumnya. Hal ini karena begitu RNA polimerase telah melakukan pemanjangan 50 hingga 60 nukleotida, promoter dapat mengikat RNA polimerase yang lain. Pada gen-gen yang ditranskripsi dengan cepat reinisiasi transkripsi dapat terjadi berulang-ulang sehingga gen tersebut akan terselubungi oleh sejumlah molekul RNA dengan tingkat penyelesaian yang berbeda-beda.

1. Tahapan Transkripsi Pada Prokariot

Seperti proses transkripsi pada umumnya, transkripsi pada prokariot berlangsung dalam empat tahap, yaitu pengikatan promoter, inisiasi, elongasi, dan teminasi. Di bawah ini akan dijelaskan pula sekilas tentang pembukaan heliks, yang terjadi antara tahap pengikatan promoter dan insiasi transkripsi.

a. Pengikatan promoter

Pada awalnya, RNA polimerase inti (a₂bb’w) mempunyai afinitas nonspesifik terhadap DNA. Keadaan ini dikenal sebagai pengikatan longgar, dan sifatnya cukup stabil. Namun, begitu faktor s bergabung dengan enzim inti tersebut hingga terbentuk holoenzim, terjadilah pengurangan afinitas nonspesifik terhadap DNA hingga 20.000 kali. Sejalan dengan hal itu, faktor s juga meningkatkan pengikatan holoenzim pada tempat pengikatan promoter yang tepat hingga 100 kali. Dengan demikian, akan terjadi peningkatan spesifisitas holoenzim yang tajam dalam mengenali promoter.

Pada genom E. coli holoenzim dapat mencari dan mengikat promoter dengan sangat cepat. Bahkan, karena begitu cepatnya, maka proses ini tidak mungkin terjadi melalui pengikatan dan pelepasan holoenzim dari DNA secara berulang-ulang. Kemungkinan yang masuk akal hanyalah melalui pergeseran holoenzim di sepanjang molekul DNA hingga mencapai urutan promoter. Pada promoter, holoenzim mengenali urutan -35 dan -10. Kompleks awal antara holoenzim dan promoter dikenal sebagai kompleks tertutup (closed complex).

b.  Pembukaan heliks

Agar pita antisens dapat diakses untuk perpasangan basa antara DNA dan RNA yang disintesis, untai ganda (heliks) DNA harus dibuka terlebih dahulu oleh enzim RNA polimerase.

Pada kebanyakan gen pembukaan heliks oleh RNA polimerase akan dimudahkan oleh struktur superkoiling negatif DNA sehingga transkripsi dapat ditingkatkan. Namun, tidak semua promoter dapat diaktivasi oleh superkoiling negatif sehingga terisyaratkan bahwa perbedaan topologi DNA dapat mempengaruhi transkripsi. Hal ini mungkin karena adanya perbedaan hubungan sterik pada urutan -35 dan -10 di dalam heliks. Sebagai contoh, promoter untuk subunit enzim DNA girase justru dihambat oleh superkoiling negatif. Seperti kita ketahui, DNA girase adalah enzim yang bertanggung jawab untuk superkoiling negatif pada genom E. coli(Bab IV) sehingga superkoiling negatif ini dapat bertindak sebagai umpan balik yang menghambat ekspresi DNA girase.

Pembukaan awal heliks DNA akan menyebabkan pembentukan kompleks terbuka(open complex) dengan RNA polimerase. Proses ini dikenal sebagai pengikatan ketat.

c.  Inisiasi

Berbeda dengan sintesis DNA (Bab IV), sintesis RNA dapat berlangsung tanpa adanya molekul primer. Oleh karena hampir semua tapak inisiasi transkripsi berupa basa G atau A, maka nukleosida trifosfat pertama yang digunakan untuk sintesis RNA adalah GTP atau ATP.

Mula-mula RNA polimerase akan menggabungkan dua nukleotida pertama dan membentuk ikatan fosfodiester di antara kedua nukleotida tersebut. Selanjutnya, sembilan basa pertama ditambahkan tanpa disertai pergeseran RNA polimerase di sepanjang molekul DNA.

Pada akhir penambahan masing-masing basa ini akan terdapat peluang yang nyata terjadinya aborsi untai RNA yang baru terbentuk itu. Proses inisiasi abortif mempengaruhi laju transkripsi secara keseluruhan karena proses tersebut memegang peranan utama dalam menentukan waktu yang dibutuhkan oleh RNA polimerase untuk meninggalkan promoter dan memungkinkan RNA polimerase lainnya menginisiasi putaran transkripsi berikutnya. Waktu minimum untuk pengosongan promoter ini adalah 1 hingga 2 detik, suatu waktu yang relatif lama bila dibandingkan dengan waktu untuk tahap-tahap transkripsi lainnya.

d.  Elongasi

Jika inisiasi berhasil, RNA polimerase melepaskan faktor s, dan bersama-sama dengan DNA dan RNA nasen (RNA yang baru disintesis), akan membentukkompleks terner atau kompleks yang terdiri atas tiga komponen. Dengan adanya kompleks terner ini RNA polimerase dapat berjalan di sepanjang molekul DNA. Artinya, promoter akan ditinggalkannya untuk kemudian ditempati oleh holoenzim RNA polimerase berikutnya sehingga terjadi reinisiasi transkripsi.

Bagian DNA yang mengalami pembukaan heliks, atau disebut dengan gelembung transkripsi (transcription bubble), akan terlihat bergeser di sepanjang molekul DNA sejalan dengan gerakan RNA polimerase. Panjang bagian DNA yang mengalami pembukaan heliks tersebut relatif konstan, yakni sekitar 17 pb (Gambar 5.3), sedangkan ujung 5’ molekul RNA yang disintesis akan membentuk heliks hibrid dengan pita antisens DNA sepanjang lebih kurang 12 pb. Ukuran ini ternyata tidak mencapai satu putaran heliks.

RNA polimerase E. coli bergerak dengan kecepatan rata-rata 40 nukleotida per detik. Akan tetapi, angka ini dapat bervariasi sesuai dengan urutan lokal DNA (urutan DNA yang telah dicapai oleh RNA polimerase). Tetap dipertahankannya bagian DNA yang mengalami pembukaan heliks menunjukkan bahwa RNA polimerase membuka heliks DNA di depan gelembung transkripsi dan menutup heliks DNA di belakangnya. Dengan demikian, heliks hibrid RNA-DNA harus berputar setiap kali terjadi penambahan nukleotida pada RNA nasen.

e.  Terminasi

RNA polimerase tetap terikat pada DNA dan melangsungkan transkripsi hingga mencapai urutan terminator (sinyal stop), yang pada umumnya berupa struktur seperti tusuk konde (hairpin). Struktur yang terdiri atas batang dan kala (loop) ini terjadi karena RNA hasil transkripsi mengalami komplementasi diri. Biasanya, bagian batang sangat kaya dengan GC sehingga sangat stabil (GC mempunyai ikatan rangkap tiga).

Bagian ujung RNA yang mengandung banyak U tersebut mempunyai ikatan yang lemah dengan basa-basa A pada DNA cetakan sehingga molekul RNA hasil sintesis akan dengan mudah terlepas dari kompleks transkripsi. Selanjutnya, pita DNA cetakan yang sudah tidak berikatan atau membentuk hibrid dengan RNA segera menempel kembali pada pita DNA komplemennya. RNA polimerase inti pun akhirnya terlepas dari DNA.

f. Terminasi menggunakan protein rho

Telah disinggung di muka bahwa selain karena adanya struktur tusuk konde, terminasi transkripsi dapat juga terjadi dengan bantuan suatu protein khusus yang dinamakan protein rho (ρ). Rho merupakan protein heksamer yang akan menghidrolisis ATP dengan adanya RNA untai tunggal. Protein ini nampak terikat pada urutan sepanjang 72 basa pada RNA, yang diduga lebih disebabkan oleh pengenalan suatu struktur spesifik daripada karena adanya urutan konsensus. Rho bergerak di sepanjang RNA nasen menuju kompleks transkripsi. Pada kompleks transkripsi ini rho memungkinkan RNA polimerase untuk berhenti pada sinyal terminator tertentu. Sinyal-sinyal terminator ini, seperti halnya sinyal terminator yang tidak bergantung kepada rho, lebih dikenali oleh RNA daripada oleh DNA cetakannya. Adakalanya terminator tersebut juga berupa struktur tusuk konde tetapi tidak dikuti oleh urutan poli U.

2.  Tahapan Transkripsi pada Eukariot

Mekanisme transkripsi pada eukariot pada dasarnya menyerupai mekanisme pada prokariot. Namun, begitu banyaknya polipeptida yang berkaitan dengan mesin transkripsi pada eukariot menjadikan mekanisme tersebut jauh lebih kompleks daripada mekanisme pada prokariot.

Ada tiga macam kompleks RNA polimerase, yang masing-masing diperlukan untuk transkripsi tipe-tipe gen eukariot yang berbeda. Perbedaan ketiga macam RNA polimerase tersebut dapat diketahui melalui pemurnian menggunakan teknik kromatografi dan elusi pada konsentrasi garam yang berbeda. Masing-masing RNA polimerase mempunyai sensitivitas yang berbeda terhadap toksin jamur α-amanitin, dan hal ini dapat digunakan untuk membedakan aktivitasnya satu sama lain.

·         RNA polimerase I (RNA Pol I) mentranskripsi sebagian besar gen rRNA. Enzim ini terdapat di dalam nukleoli dan tidak sensitif terhadap α-amanitin.

·         RNA polimerase II (RNA Pol II) mentranskripsi semua gen penyandi protein dan beberapa gen RNA nuklear kecil (snRNA). Enzim ini terdapat di dalam nukleoplasma dan sangat sensitif terhadap α-amanitin.

·         RNA polimerase III (RNA Pol III) mentranskripsi gen-gen tRNA, 5S rRNA, U6 snRNA dan beberapa RNA kecil lainnya. Enzim ini terdapat di dalam nukleoplasma dan agak sensitif terhadap α-amanitin.

Di samping enzim-enzim nuklear tersebut, sel eukariot juga mempunyai RNA polimerase lainnya di dalam mitokondria dan kloroplas.

a. Subunit-subunit RNA polimerase pada eukariot

Ketiga RNA polimerase pada eukariot merupakan enzim berukuran besar yang terdiri atas 12 subunit atau lebih. Gen-gen yang menyandi dua subunit terbesar mempunyai homologi satu sama lain. Sementara itu, ketiga RNA polimerase eukariot membawa subunit-subunit yang mempunyai homologi dengan subunit-subunit RNA polimerase inti pada E. coli (α2ββ’). Subunit terbesar RNA polimerase eukariot menyerupai subunit β’, sedangkan subunit terbesar kedua menyerupai subunit β, yang merupakan pusat katalitik RNA polimerase E.coli. Homologi struktur ini ternyata berkaitan dengan homologi fungsional karena subunit terbesar kedua pada RNA polimerase eukariot juga mengandung tapak aktif.

Dua subunit yang sama antara RNA Pol I dan RNA Pol III, serta satu subunit lainnya yang khas pada RNA Pol II, memperlihatkan homologi dengan subunit α RNA polimerase E. coli. Sekurang-kurangnya ada lima subunit lainnya yang lebih kecil, yang memperlihatkan kesamaan di antara ketiga RNA polimerase eukariot. Masing-masing RNA polimerase ini juga membawa empat hingga tujuh subunit tambahan yang hanya dijumpai pada salah satu di antara ketiganya.

b. Aktivitas RNA polimerase eukariot

Seperti halnya RNA polimerase bakteri, masing-masing RNA polimerase eukariot mengatalisis transkripsi dengan arah 5’ ke 3’ dan menyintesis RNA yang komplementer dengan urutan DNA cetakan. Reaksi tersebut memerlukan prekursor berupa ATP, GTP, CTP, UTP, dan tidak memerlukan primer untuk inisiasi transkripsi. Namun tidak seperti pada bakteri, RNA polimerase eukariot yang dimurnikan memerlukan adanya protein inisiasi tambahan sebelum enzim ini dapat berikatan dengan promoter dan melakukan inisiasi transkripsi.

c. Gen-gen yang ditranskripsi oleh RNA Pol I

RNA Pol I bertanggung jawab dalam sintesis rRNA secara terus-menerus selama interfase. Sel manusia mengandung lima rumpun (cluster) gen penyandi rRNA yang terdiri atas sekitar 40 salinan dan terletak pada kromosom-kromosom yang berbeda. Masing-masing gen rRNA menghasilkan transkrip 45S rRNA yang panjangnya lebih kurang 13.000 nukleotida (nt). Transkrip ini akan terbagi menjadi sebuah 28S (5.000 nt), 18S (2.000 nt), dan 5,8S (160 nt) rRNA. Transkripsi salinan gen-gen rRNA secara berkesinambungan diperlukan untuk mencukupi produksi rRNA yang selanjutnya akan dikemas ke dalam ribosom.

Masing-masing rumpun gen rRNA dikenal sebagai daerah pengatur nukleolar(nucleolar organizer region) karena nukleolus mengandung kala (loop) DNA berukuran besar yang sesuai dengan rumpun-rumpun gen tersebut. Setelah sebuah sel dihasilkan dari mitosis, sintesis rRNA akan dimulai kembali dan nukleoli yang kecil akan muncul pada lokasi kromosomal yang ditempati oleh gen-gen rRNA. Selama sintesis rRNA berlangsung aktif, transkrip pra-rRNA dikemas di sepanjang gen-gen rRNA dan jika divisualisasikan menggunakan mikroskop elektron akan nampak sebagai ’struktur pohon natal’. Di dalam struktur ini transkrip-transkrip RNA dikemas dengan rapat di sepanjang molekul DNA dan masing-masing muncul tegak lurus dari DNA. Transkrip yang pendek dapat dilihat pada bagian awal gen tersebut.

Transkrip akan makin bertambah panjang pada bagian-bagian berikutnya untuk kemudian menghilang ketika mencapai ujung unit transkripsi.

Promoter-promoter gen pra-rRNA pada mamalia mempunyai suatu daerah kontrol transkripsi bipartit, yang terdiri atas elemen inti atau core element dan elemen kontrol hulu atau upstream control element (UCE), yang secara skema dapat dilihat pada Gambar 5.5. Elemen inti meliputi tapak awal transkripsi dan terbentang dari posisi -31 hingga +6, yang merupakan urutan esensial untuk transkripsi. Sementara itu, UCE mempunyai panjang sekitar 50 hingga 80 pb yang dimulai dari posisi -100. UCE bertanggung jawab untuk peningkatan transkripsi sekitar 10 hingga 100 kali bila dibandingkan dengan laju transkripsi oleh elemen inti saja.

d. Gen-gen yang ditranskripsi oleh RNA Pol III

RNA Pol III terdapat di dalam nukleoplasma dan sekurang-kurangnya terdiri atas 16 subunit yang berbeda. Enzim ini menyintesis prekursor tRNA, 5S rRNA, serta berbagai snRNA dan RNA sitosolik.

Transkrip pertama yang dihasilkan dari gen-gen tRNA merupakan molekul prekursor yang akan diproses menjadi RNA matang. Daerah kontrol transkripsi gen-gen tRNA terletak di sebelah hilir tapak inisiasi transkripsi. Ada dua urutan yang sangat konservatif di dalam gen tRNA, yaitu kotak A (5’- TGGCNNAGTGG – 3’) dan kotak B(5’- GGTTCGANNCC – 3’).

Kedua urutan ini juga menyandi urutan penting di dalam tRNA sendiri, yang disebut dengan kala D (D-loop) dan kala TΨC.  Hal ini berarti bahwa urutan yang sangat konservatif di dalam tRNA juga merupakan urutan promoter yang sangat konservatif.

TFIIIC mengikat baik kotak A maupun kotak B di dalam promoter tRNA. Sementara itu, TFIIIB mengikat daerah sejauh 50 pb ke arah hulu dari kotak A. TFIIIB terdiri atas tiga subunit, yang salah satu di antaranya adalah TBP, suatu faktor inisiasi umum yang diperlukan oleh ketiga RNA polimerase. Subunit yang kedua dan ketiga masing-masing dinamakanBRF dan B’’. Faktor TFIIIB tidak memiliki spesifisitas urutan sehingga tempat pengikatannya bergantung kepada posisi pengikatan TFIIIC pada DNA. TFIIIB memungkinkan RNA Pol III untuk melakukan inisiasi transkripsi. Begitu TFIIIB terikat, TFIIIC dapat dikeluarkan tanpa mempengaruhi transkripsi. Oleh karena itu, TFIIIC dapat dilihat sebagai faktor perakitan untuk penempatan faktor inisiasi TFIIIB.

RNA Pol III mentranskripsi gen 5S rRNA, yang merupakan satu-satunya subunit rRNA yang ditranskripsi secara terpisah. Seperti halnya gen-gen rRNA lainnya yang ditranskripsi oleh RNA Pol I, gen-gen 5S rRNA tersusun secara tandem (berurutan) di dalam suatu rumpun gen. Pada manusia terdapat suatu rumpun yang berisi sekitar 2.000 gen. Promoter gen 5S rRNA mengandung daerah kontrol internal yang dinamakan kotak C. Letaknya sekitar 81 hingga 99 pb ke arah hilir dari tapak inisiasi transkripsi. Selain itu, terdapat juga kotak A yang berada pada posisi sekitar +50 hingga +65. 

Kotak C pada promoter 5S rRNA berperan sebagai tempat pengikatan protein spesifik, yaitu TFIIIA (Gambar 5.8). TFIIIA bekerja sebagai faktor perakitan yang memungkinkan TFIIIC berinteraksi dengan promoter 5S rRNA. Sementara itu, kotak A akan menstabilkan pengikatan TFIIIC sehingga faktor ini berikatan dengan DNA pada posisi yang relatif sama dengan posisi pengikatan pada promoter tRNA. Begitu TFIIIC terikat pada DNA, TFIIIB dapat berinteraksi dengan kompleks pengikatan tersebut dan memungkinkan RNA Pol III untuk melakukan inisiasi transkripsi.

Banyak gen yang ditranskripsi oleh RNA Pol III bergantung kepada urutan hulu untuk regulasi transkripsinya. Beberapa promoter seperti U6 snRNA dan gen-gen RNA kecil dari virus Epstein-Barr hanya menggunakan urutan regulator yang letaknya di sebelah hulu dari tapak inisiasi transkripsinya. Daerah penyandi U6 snRNA mempunyai sebuah kotak A yang khas.

Akan tetapi, urutan ini tidak diperlukan untuk transkripsi. Daerah hulu pada U6 snRNA mengandung urutan khas promoter RNA Pol II, yang meliputi kotak TATA pada posisi -30 hingga -23. Promoter ini juga memiliki beberapa urutan di daerah hulu sebagai tempat pengikatan faktor transkripsi lainnya seperti pada kebanyakan gen U RNA yang ditranskripsi oleh RNA Pol II. Hal ini mendukung pendapat bahwa faktor-faktor transkripsi umum dapat mengatur gen-gen yang ditranskripsi baik oleh RNA Pol II maupun oleh RNA Pol III.

Terminasi transkripsi oleh RNA Pol III nampaknya hanya memerlukan pengenalan polimerase berupa urutan nukleotida sederhana. Urutan ini terdiri atas sekelompok residu dA yang efisiensi terminasinya dipengaruhi oleh urutan di sekitarnya. Urutan 5’- GCAAAAGC – 3’ merupakan sinyal terminasi yang efisien untuk gen 5S rRNA padaXenopus borealis.

e.  Gen-gen yang ditranskripsi oleh RNA Pol II

RNA Pol II terdapat di dalam nukleoplasma dan bertanggung jawab untuk transkripsi semua gen penyandi protein dan beberapa gen snRNA. Pra-mRNA (transkrip primer) yang baru disintesis harus mengalami prosesing melalui pembentukan pelindung(cap) pada ujung 5’ RNA dan penambahan poli A pada ujung 3’ di samping pembuangan intron dan penyatuan (splicing) ekson.

Banyak promoter eukariot mengandung suatu urutan konservatif yang dinamakankotak TATA. Letaknya sekitar 25 hingga 35 pb dari tapak inisiasi transkripsi, berisi urutan konsensus sepanjang 7 pb, yaitu 5’- TATA(A/T)A(A/T) – 3’.  Meskipun demikian, saat ini diketahui bahwa protein yang mengikat kotak TATA, yakni TBP, ternyata berikatan dengan urutan sepanjang 8 pb. Tambahan sepasang basa ini letaknya di sebelah hilir dari kotak TATA dan identitasnya tidaklah penting. Kotak TATA bekerja dengan cara yang sama dengan urutan -10 pada promoter E. coli dalam menempatkan RNA Pol II agar diperoleh inisiasi transkripsi yang benar.

Meskipun urutan di antara kotak TATA dan tapak inisiasi transkripsi bukan merupakan urutan yang penting, jarak antara kedua tempat tersebut ternyata penting. Hampir 50% tapak inisiasi transkripsi berupa residu A.

Beberapa gen eukariot tidak mempunyai kotak TATA tetapi memiliki suatu elemen insiator, yang terletak di sekitar tapak inisiasi transkripsi. Namun, beberapa promoter tidak memiliki baik kotak TATA maupun elemen inisiator. Gen-gen semacam ini biasanya ditranskripsi dengan lambat, dan inisiasi transkripsi dapat terjadi di tempat-tempat yang berbeda sepanjang 200 pb. Gen-gen ini sering kali mengandung daerah yang kaya GC sepanjang 20 hingga 50 pb pada posisi 100 hingga 200 pb arah hulu dari tapak inisiasi transkripsi.

Aktivitas promoter basal yang rendah akan sangat ditingkatkan oleh adanya elemen-elemen lain di sebelah hulu promoter. Elemen-elemen ini dijumpai pada kebanyakan gen dengan tingkat ekspresi yang sangat bervariasi di antara jaringan yang berbeda. Dua contoh yang umum adalah kotak SP1, yang terletak di sebelah hulu dari banyak gen baik yang mempunyai maupun yang tidak mempunyai kotak TATA, dan kotak CCAAT. Promoter dapat memiliki salah satu, keduanya, atau bahkan banyak salinan urutan/kotak tersebut. Urutan yang pada umumnya terletak 100 hingga 200 pb arah hulu dari promoter ini dinamakan elemen regulator hulu atau upstream regulatory elements (UREs). UREs memegang peranan penting dalam menjamin berlangsungnya transkripsi yang efisien.

Transkripsi kebanyakan promoter eukariot dapat dipacu oleh elemen kontrol yang letaknya beribu-ribu pasang basa dari tapak inisiasi transkripsi. Hal ini pertama kali ditemukan pada genom virus SV40. Suatu urutan sepanjang kira-kira 100 pb pada DNA virus ini dapat dengan nyata meningkatkan transkripsi dari promoter basal. Urutan pemacu (enhancer) ini mempunyai panjang 100 hingga 200 pb dan mengandung banyak elemen yang menghasilkan aktivitas totalnya. Pemacu dapat dijumpai pada sembarang sel atau hanya pada tipe sel tertentu.

Dengan makin banyaknya pemacu dan promoter yang ditemukan, terlihat bahwa motif kedua elemen tersebut ternyata tumpang tindih, baik secara fisik maupun fungsional. Dengan demikian, terdapat spektrum elemen regulator yang sinambung, mulai dari elemen-elemen pemacu yang sangat panjang rentangnya hingga elemen-elemen promoter yang pendek rentangnya.

DAFTAR PUSTAKA

Campbell, P.N., A.D. Smith. 1982. Biochemistry Illustrated. Wilture Enterprises. Hong Kong.

Girindra, A. 1986. Biokimia 1. Gramedia. Jakarta.

Kay, E.R.M. 1966. Biochemistry : An Introduction to Dynamic Biology. Collier-Macmillan.Canada.

Kuchel, P., G. B. Ralston. 2006. Biokimia. Schaum. Terjemahan. Erlangga. Jakarta.

Lehninger, A..L., et al. 1997. Principles of Biochemistry. 2^nd .Worth Publisher.    New York.

Ngili, Yohanis. 2009. Biokimia : Struktur dan Fungsi Biomolekul. Graha Ilmu. Yogyakarta.

Nur, M. A. 1990. Konsep Modern Biokimia I. PAU-Ilmu Hayat IPB. Bogor.

Poedjiadi, A., F.M. T. Supriyanti. 2006. Dasar-Dasar Biokimia. UI-Press. Jakaerta.

Stryer, L. 2000. Biokimia. Vol 2. Edisi 4. Penerbit Buku Kedokteran EGC. Jakarta.

Wirahadikusumah, M. 1981. Biokimia : Proteina, Enzima & Asam Nukleat. ITB. Bandung.

Jawezt, Melnick, & Adelberg’s. 2005. Mikrobiologi Kedokteran Twenty Second Ed Edisi I. Salemba Medika. Jakarta

http://37days.typepad.com/37days/imagesDNA&RNA/2008/03/02/franklin20dna20photo.jpg~~V

http://Substansi Genetika.com/google/2009/10/09/biologi/