Kode Genetik, Central Dogma (Tanskripsi dan Translasi)

Kode Genetik

Telah kita ketahui bersama bahwa urutan basa nitrogen dari suatu DNA merupakan tempat penyimpanan informasi genetik. Informasi genetik yang ada dalam DNA selanjutnya akan diterjemahkan untuk merangkai asan amino sehingga membentuk suatu polipeptida (protein).

Pada tahun 1961, Francis Crick dan rekannya membuat suatu hipotesis bahwa kode genetik yang tersimpan dalam DNA berupa berupa beberapa kombinasi dari basa nitogen. Kombinasi basa nitrogen tersebut dikenal dengan sebutan Kodon. Dan tiap kodon menyandikan asam amino tertentu.

Pada DNA, ada 4 macam basa nitrogen yaitu adenin (A), sitosin (C), guanin (G) dan Timin (T) sedangkan jumlah asam amino ada 20 macam. Hipotesis selanjutnya dari Francis Crick menyatakan bahwa kodon hanya mungkin terdiri dari 3 kombinasi basa nitrogen (triplet) sehingga dapat terbentuk 64 kombinasi karena jika kodon terdiri 2 basa nitrogen, hanya terbentuk 16 kombinasi, padahal ada 20 asam amino yang harus disandikan.

Susunan  kodon dalam rangkaian nukleotida berjajar terus-menerus tanpa diselingi oleh nukleotida yang tidak menyandikan kodon. Jika digambarkan dengan suatu susunan kata-kata, susunan kodon dalam suatu rangkaian nukleotida seperti susunan kata-kata dalam kalimat tanpa spasi. Hal tersebut juga dibuktikan oleh Francis Crick yang melakukan penelitian dengan menghilangkan atau menghapus 1 hingga 3 basa nitrogen pada rangkaian nukleotida. Ketika 1 basa nitrogen pada rangkaian nukleotida dihapus / dihilangkan menggunakan suatu senyawa kimia, basa nitrogen selanjutnya pada rangkaian nukleotida tersebut menjadi nonsense atau tidak menyandikan asam amino. Hal yang sama terjadi ketika 2 basa nitrogen dihapus / dihilangkan. Namun ketika 3 basa nitrogen  dihapus / dihilangkan, basa nitrogen selanjutnya pada rangkaian nukleotida tersebut menjadi sense atau tetap menyandikan asam amino. Hasil penelitian itu hanya dapat terjadi jika kodon-kodon yang ada pada nukleotida tersusun tanpa ada jeda atau spasi. Berikut ilustrasinya :

 

Gambar 1. penelitian tentang susunan kodon dengan melakukan menghapusan  1 dan 3 basa; terlihat bahwa dengan menghapus 3 basa dan susunan dianggap tanpa spasi/ jeda, basa nitrogen setelah basa penghapusan tetap mempunyai arti (sense) 

Masih di tahun 1961, Marshall Nirenberg berhasil menemukan 1 kode genetik untuk asam amino polyphenylalanine. Kemudian pada tahun 1964, beberapa ilmuwan mampu menemukan 64 kode genetik, Berikut table  kode genetik secara lengkap :

Gambar 2. Kode genetik; Daftar kodon dan asam amino yang disandikan

Central Dogma

Seperti yang telah kita ketahui bersama bahwa DNA adalah suatu senyawa atau komponen yang dimiliki oleh setiap makhluk hidup dan berfungsi untuk menyimpan informasi genetik. Informasi genetik tersebut selanjutnya akan diterjemahkan untuk menghasilkan suatu protein tertentu. Suatu rangkaian DNA (nukleotida) yang menyandikan suatu protein tertentu disebut dengan gen. Proses ekspresi gen menjadi protein disebut dengan istilah Central Dogma. Rangkaian Central Dogma meliputi proses penyalinan DNA menjadi RNA (Transkripsi) dan proses penerjamahan RNA menjadi protein (Translasi).

Gambar 3. Central Dogma yang merupakan proses ekspresi gen; DNA ditranskripsi menjadi RNA dan RNA ditranslasikan sehingga terbentuk protein

1. Transkripsi

Ada 3 jenis RNA yang dihasilkan dari proses transkripsi, yaitu ribosomal RNA  (rRNA), messenger RNA (mRNA), dan transfer RNA (tRNA). rRNA adalah RNA yang berada pada ribosom berperan membantu proses translasi. mRNA adalah RNA yang akan ditranslasikan menjadi protein. tRNA adalah RNA yang mengikat nukleotida dan membawanya ke ribosom untuk dirangkai menjadi protein.

Hanya 1 strand dari DNA double helix yang ditranskripsi menjadi RNA. Strand DNA yang ditranskripsi menjadi RNA disebut dengan template atau antisense. Sedangkan Strand DNA yang tidak  ditranskripsi menjadi RNA disebut dengan coding strand atau Sense.

Tahap pertama dalam Central Dogma atau ekspresi gen  adalah Transkripsi. Proses transkripsi diawali dengan menempelnya RNA polimerase pada suatu sequen yang disebut dengan promotor.

Promotor merupakan sequen DNA yang pertama kali ditempeli oleh RNA polimerase. Contoh promoter yang sering dijumpai pada bakteri memiliki urutan sequen TTGACA dan TATAAT. Promotor dengan sequen TTGACA disebut juga dengan -35 sequence karena berjarak 35 sequen dari sequen dimulainya transkripsi. Sedangkan Promotor dengan sequen TATAAT disebut juga dengan -10 sequence karena berjarak 10 sequen dari sequen dimulainya transkripsi. Promotor yang sering dijumpai pada eukariotik memiliki urutan sequen TATAAA. Promotor tersebut lebih dikenal dengan TATA box, berjarak 25 sequen dari sequen dimulainya transkripsi

Bakteri hanya mempunyai 1 RNA polimerase, sedangkan eukariotik mempumyai 3 RNA polimerase, yaitu RNA polimerase I, RNA polimerase II, RNA polimerase III. RNA polimerase I mengkatalisis sintesis rRNA dalam nucleolus, RNA polimerase II mengkatalisis sintesis mRNA dan , RNA polimerase III mengkatalisis sintesis tRNA.

Setelah RNA polimerase menempel pada promotor, RNA polimerase kemudian meluruskan dan membuka ikatan double stranded DNA, membentuk suatu kompleks yang disebut dengan transcription bubble sepanjang 17 urutan basa nitrogen.

Di dalam transcription bubble, RNA polimerase melakukan sintesis RNA dengan urutan yang komplementer dengan DNA template. Setiap 12 basa nukleotida RNA yang disintesis awalnya berikatan dengan DNA menbentuk ikatan DNA-RNA . Kemudian transcription bubble akan bergerak membelah ikatan nukleotida double stranded DNA didepannya, sedangkan ikatan DNA-RNA paling belakang akan terputus. Demikian seterusnya hingga sampai proses transkripsi berakhir. Transcription bubble bergerak pada double stranded DNA dengan kecepatan 50 nukleotida per detik.

Gambar 4. Transcription buble adalah kompleks yang terbentuk saat terjadi transkripsi DNA

Proses transkripsi berakhir ketika ketika RNA polimerase melewati stop sequence atau stop signal. Contoh stop sequence paling sederhana adalah serangkaian pasangan basa GC yang diikuti oleh serangkaian basa AT. Namun bagaimana  stop sequence dapat menghentikan transkripsi? Berikut mekanisme terjadinya terminasi transkripsi :

 Stop sequence ditranskripsi oleh RNA polimerase menghasilkan rangkaian RNA dengan basa nitrogen guanin (G) dan sitosin (C) yang diikuti oleh beberapa basa nitrogen urasil (U). Basa nitrogen G dan C saling berikatan membentuk harpain sedangkan serangkaian RNA dengan basa nitrogen U akan membentuk ikatan RNA-DNA namun ikatan antara basa nitrogen U pada RNA dengan basa nitrogen adesin (A) pada DNA merupakan ikatan yang lemah sehingga ikatan tersebut akan putus menyebabkan RNA terlepas dari transcription bubble dan akhirnya proses transkripsi berhenti.

Gambar 5. Struktur hairpain mRNA yang dihasilkan oleh stop sequence menyebabkan translasi DNA berhenti

Pada eukariotik, RNA hasil transkripsi harus keluar dari inti sel menuju sitoplasma karena proses selanjutnya yaitu proses translasi terjadi di sitoplasma. Sebelum menuju sitoplasma RNA pada eukariotik harus melalui beberapa modifikasi, yaitu modifikasi di ujung 5’ atau yang sering disebut dengan 5’ Cap dan modifikasi pada ujung 3’ atau yang sering disebut dengan 3′ poly-A tail.

Pada RNA hasil tanskripsi (primary RNA transcript) dari eukariotik terdapat dua bagian yaitu intron dan ekson (exon). Intron adalah bagian RNA yang tidak menyandikan suatu polipeptida sedangkan ekson (exon) bagian RNA yang menyandikan suatu polipeptida sedangkan ekson (exon). Dalam primary RNA transcript, intron dan ekson (exon) tersusun berselang seling. Sebelum proses translasi berlangsung, intron  pada primary RNA transcript harus dihilangkan / dibuang terlebih dahulu. Proses penghilangan intron tersebut dikenal dengan istilah intron spicing menghasilkan serangkaian RNA yang hanya tersusun dari intron dan dikenal dengan mRNA.

Gambar 6. Modifikasi post transkripsi DNA yaitu penambahan 5' cap -3' tail dan intron splicing

2. Translasi

Setelah DNA ditranskripsikan menjadi RNA dan diproses menjadi mRNA, mRNA selanjutnya akan diterjemahkan menjadi protein. Proses tersebut dikenal dengan nama translasi. Pada prokariotik proses translasi hampir bersamaan dengan proses transkripsi karena sesaat setelah terbentuk, mRNA langsung di tempeli oleh ribosom, suatu organel sel yang berfungsi untuk sintesis protein (translasi). Sedangkan pada eukariotik, mRNA harus dimodifikasi terdahulu dan ditransfer ke sitoplasma, seperti yang telah dibahas diatas.

Proses translasi diawali dengan adanya tRNA yang mengikat dan membawa asam amino yang dikenalinya. Pengikatan tRNA pada asam amino tersebut dikatalisis oleh enzim aminoacyl-tRNA synthetase yang ada pada tiap-tiap asam amino.

Ada 4 tahapan dalam proses translasi, yaitu inisiasi, elongasi, translokasi dan terminasi, berikut penjelasannya :

a. inisiasi

Sebelum membahas tahapan inisiasi proses translasi, perlu diketahui bahwa proses translasi atau sintesis protein terjadi di ribosom. Ribosom mempunyai 2 sub unit, yaitu sub unit besar dan sub unit kecil. Ribosom juga diketahui mempunyai 3 situs pengikatan yaitu P site  (peptidyl), A site (aminoacyl) , dan E site (exit).

Gambar 7. bagian bagian ribosom

Inisiasi proses translasi pada prokariotik ditandai dengan tRNA yang membawa asam amino N-formylmethionine (tRNA^fMet) mengikat sub unit kecil dari ribosom. Protein yang disebut dengan initiation factor menempatkan tRNA^fMet pada P site. 

Gambar 8. Ikatan antara asam amino dan tRNA dikatalisis oleh activating enzim

Setelah tRNA^fMet menempel pada P site, segera terbentuk A site dan E site yang keduanya mengapit P site sehingga membentuk suatu kompleks yang disebut dengan initiation complex. Initiation complex tersebut kemudian mengikat codon AUG pada mRNA.

Inisiasi proses translasi pada eukariotik ditandai dengan tRNA yang membawa asam amino methionine (tRNA^Met) mengikat sub unit kecil dari ribosom bukan asam amino N-formylmethionine (tRNA^fMet) seperti pada prokariotik namun proses selanjutnya sama seperti pada prokariotik.

Gambar 9. tRNA menempel pada sub unit kecil ribosom, diikuti oleh sub unit besar ribosom

b. elongasi

Setelah initiation complex terbentuk dan mengikat kodon AUG pada mRNA, Sub unit besar ribosom menempel pada sub unit kecil. Ketika ada tRNA (mengikat asam amino) yang memiliki antikodon yang komplementer dengan kodom mRNA pada A site, suatu protein yang disebut dengan elongation factor membantu tRNA tersebut untuk berikatan dengan mRNA pada A site. Kemudian enzim peptidyl transferase akan memutuskan ikatan methionine dan tRNA serta mengkatalisis terjadinya ikatan kimia antara methionine dengan asam amino yang ada di A site.

Gambar 10. Tahapan elongasi pada proses translasi; terjadi penbntukan ikatan kimia antar asam amino yang dikatalisis oleh enzim peptidal transferase

c. translokasi

Pada tahapan translokasi, ribosom bergerak sejauh 3 nukleotida dari arah ujung 5’ ke ujung 3’ menempatkan tRNA dari P site ke E site. tRNA yang berada pada E site kemudian akan terlepas dari ribosom. Pergerakan ribosom tersebut juga menyebabkan A site kosong dan kemudian akan ditempeli lagi oleh tRNA yang komplementer. Tahapan akan terus berulang hingga basa mRNA pada A site adalah stop kodon.

Gambar 11. Tahap translokasi pada translasi; ribosom bergerak sejauh 3 nukleotida dari arah ujung 5’ ke ujung 3’ menempatkan tRNA dari P site ke E site

d. terminasi

Tahapan terminasi akan terjadi jika basa mRNA pada A site adalah stop kodon (nonsense), misalnya UAA. Stop kodon tidak menyandikan protein sehingga tidak akan mengikat mRNA tapi stop kodon tersebut dikenali oleh suatu protein yang disebut dengan release factor. Release factor kemudian akan melepaskan polipeptida / protein yang baru terbentuk dari ribosom. 

Gambr 12. Tahapan terminasi pada translasi

Baca Juga :

Bagaimana Proses Replikasi DNA

Eksperiman yang Mengungkap bahwa Replikasi DNA Berlangsung Secara Semi Konservatif

Rangkaian Penelitian untuk Mengungkap Struktur DNA

Hubungan antara Kanker dan Pembelahan sel

Mekanisme Kontrol pada Pembelahan Mitosis