Proses dan Tahapan Sintesis Protein, Pengertian Replikasi, Transkripsi DNA dan Translasi RNA, Pembentukan Protein / Polipeptida

Proses dan Tahapan Sintesis Protein, Pengertian Replikasi, Transkripsi DNA dan Translasi RNA, Pembentukan Protein / Polipeptida - Proses sintesis atau pembentukan protein memerlukan adanya molekul RNA yang merupakan materi genetik di dalam kromosom, serta DNA sebagai pembawa sifat keturunan. Informasi genetik pada double helix DNA berupa kode-kode sandi atau kode genetik. Nah, kode-kode sandi tersebut nantinya akan dibawa atau dicetak untuk membentuk RNA. Informasi berupa urutan kode-kode sandi pada RNA akan dirangkai menjadi asam-asam amino, peptida, polipeptida, sampai terbentuk protein.

Protein-protein yang terbentuk akan menyusun sebagian besar komponen di dalam tubuh. Contoh protein sebagai komponen penyusun tubuh adalah miosin, aktin, keratin, kolagen, hemoglobin, dan insulin.

Variasi dari 20 macam asam amino yang ada, dapat membentuk protein yang berbeda-beda. Oleh karena itu, setiap individu akan mempunyai bermacam-macam protein yang berbeda pula satu sama lain. Lalu, bagaimana hubungan sintesis protein dengan sifat-sifat individu?

Nah, seperti telah disebutkan sebelumnya, protein akan menyusun komponen tubuh. Setiap komponen yang berbeda tentunya akan menghasilkan sifat dan fungsi yang berbeda pula. Dengan demikian, protein dikatakan dapat mengekspresikan sifat pada individu. Sebagai contoh, individu yang mempunyai kadar hemoglobin yang rendah akan menunjukkan sifat atau ciri yang berbeda dengan individu yang berkadar hemoglobin tinggi. Apa sajakah tahapan dalam sintesis protein?

1. Tahapan Sintesis Protein

Pada tahun 1950, Paul Zamecnik melakukan percobaan untuk mengetahui tahapan dan tempat terjadinya sintesis protein. Paul menginjeksikan asam amino radioaktif ke tubuh tikus dan berhasil menjelaskan tempat terjadinya sintesis protein, yaitu di dalam ribosom. Selanjutnya, penelitian dilakukan bersama dengan Mahlon dan menyimpulkan bahwa molekul RNA pemindah (RNA t) berperan dalam sintesis protein. Akhirnya, Francis Crick menemukan bahwa RNA pemindah harus mengenali urutan nukleotida untuk disusun sebagai asam amino sesuai pemesanan, yang kemudian dibawa oleh RNA pembawa pesan.

Tahapan sintesis protein mengikuti aturan dogma sentral, dimana informasi genetik dipindahkan dari DNA ke DNA melalui tahap replikasi. Dari DNA ke RNA melalui tahap transkripsi. Selanjutnya dari RNA ke protein melalui sintesis protein. Sebelum terjadi sintesis protein, DNA pada struktur nukleosom akan lepas dari protein histon oleh bantuan kerja enzim polimerase.

Secara umum, proses sintesis protein meliputi tiga tahapan utama, antara lain:

a. Replikasi DNA

Setiap sel dapat memperbanyak diri dengan cara membelah. Sebuah sel membelah menjadi 2 sel, 2 sel membelah menjadi 4 sel, 4 sel membelah menjadi 8 sel dan seterusnya. Sebelum sel membelah, terjadi perbanyakan komponen-komponen di dalam sel termasuk DNA. Perbanyakan DNA dilakukan dengan cara replikasi. Dengan demikian, replikasi adalah proses pembuatan (sintesis) DNA baru atau penggandaan DNA di dalam nukleus. Pada saat replikasi berlangsung, DNA induk membentuk kopian DNA anak yang sama persis sehingga DNA induk berfungsi sebagai cetakan untuk pembentukan DNA baru.

RNA Virus dapat Membentuk DNA

Menurut Baltimore, Mizushima, dan Temin (1970), beberapa virus dapat mensintesis DNA dari RNA hasil cetakan yang berantai tunggal. Enzim yang berperan disebut DNA polimerase bergantung RNA atau Transkriptase Sebaliknya. (Suryo, Genetika, hlm. 101)

Replikasi merupakan tahapan rumit yang mengawali sintesis protein. Oleh karena itu, kalian perlu menyimak dengan saksama.

Gambar 1. Tahapan replikasi DNA.

Proses replikasi dimulai pada beberapa daerah spesifik dari rantai DNA, disebut pangkal replikasi. Beberapa tahapan dan enzim yang berperan dalam sintesis protein, antara lain:

a) DNA helikase, berfungsi untuk membuka rantai ganda DNA induk.

b) Enzim primase, membentuk primer yang merupakan segmen pendek dari RNA sebagai pemula untuk terjadinya sintesis protein.

c) Dari ujung 3´ RNA primer, DNA polimerase menambahkan pasangan basa nitrogen (dari nukleotida-nukleotida) pada rantai tunggal DNA induk dan terbentuk rantai DNA yang bersambungan secara kontinyu (tanpa terpisah-pisah) yang disebut leading strand.

d) Pada rantai tunggal DNA induk yang lain, DNA polimerase membentuk lagging strand (merupakan keseluruhan rantai kopian DNA yang pertumbuhannya tidak kontinyu) dengan memperpanjang RNA primer-RNA primer di beberapa tempat sehingga membentuk segmen-segmen DNA baru yang saling terpisah. Segmen-segmen itulah yang disebut fragmen Okazaki.

e) DNA polimerase yang lainnya, menggantikan RNA primer dengan DNA dan enzim ligase menghubungkan segmen-segmen okazaki, sehingga terbentuk salinan DNA baru. Nah, DNA baru yang telah terbentuk (identik dengan DNA induk) akan melanjutkan tahapan untuk mensintesis protein yaitu tahapan transkripsi dan translasi.

b. Transkripsi

Pada tahapan ini, DNA akan membentuk RNA dengan cara menerjemahkan kode-kode genetik dari DNA. Proses pembentukan RNA ini disebut transkripsi, yang menghasilkan 3 macam RNA seperti yang telah kalian ketahui sebelumnya, yaitu mRNA, tRNA, dan rRNA. Transkripsi terjadi di dalam sitoplasma dan diawali dengan membukanya rantai ganda DNA melalui kerja enzim RNA polimerase. Sebuah rantai tunggal berfungsi sebagai rantai cetakan atau rantai sense, rantai yang lain dari pasangan DNA ini disebut rantai anti sense. Tidak seperti halnya pada replikasi yang terjadi pada semua DNA, transkripsi ini hanya terjadi pada segmen DNA yang mengandung kelompok gen tertentu saja. Oleh karena itu, nukleotida nukleotida pada rantai sense yang akan ditranskripsi menjadi molekul RNA dikenal sebagai unit transkripsi.

Transkripsi meliputi 3 tahapan, yaitu tahapan inisiasi, elongasi, dan terminasi.

1) Inisiasi (Permulaan)

Jika pada proses replikasi dikenal daerah pangkal replikasi, pada transkripsi ini dikenal promoter, yaitu daerah DNA sebagai tempat melekatnya RNA polimerase untuk memulai transkripsi. RNA polimerase melekat atau berikatan dengan promoter, setelah promoter berikatan dengan kumpulan protein yang disebut faktor transkripsi. Nah, kumpulan antara promoter, RNA polimerase, dan faktor transkripsi ini disebut kompleks inisiasi transkripsi. Selanjutnya, RNA polimerase membuka rantai ganda DNA.

2) Elongasi (Pemanjangan)

Setelah membuka pilinan rantai ganda DNA, RNA polimerase ini kemudian menyusun untaian nukleotida-nukleotida RNA dengan arah 5´ ke 3´. Pada tahap elongasi ini, RNA mengalami pertumbuhan memanjang seiring dengan pembentukan pasangan basa nitrogen DNA. Pembentukan RNA analog dengan pembentukan pasangan basa nitrogen pada replikasi. Pada RNA tidak terdapat basa pirimidin timin (T), melainkan urasil (U). Oleh karena itu, RNA akan membentuk pasangan basa urasil dengan adenin pada rantai DNA. Tiga macam basa yang lain, yaitu adenin, guanin, dan sitosin dari DNA akan berpasangan dengan basa komplemennya masing-masing sesuai dengan pengaturan pemasangan basa. Adenin berpasangan dengan urasil dan guanin dengan sitosin (Gambar 2).

Gambar 2. Tahap elongasi transkripsi.

3) Terminasi (Pengakhiran)

Penyusunan untaian nukleotida RNA yang telah dimulai dari daerah promoter berakhir di daerah terminator. Setelah transkripsi selesai, rantai DNA menyatu kembali seperti semula dan RNA polimerase segera terlepas dari DNA. Akhirnya, RNA terlepas dan terbentuklah RNA m yang baru.

Pada sel prokariotik, RNA hasil transkripsi dari DNA, langsung berperan sebagai RNA m. Sementara itu, RNA hasil transkripsi gen pengkode protein pada sel eukariotik, akan menjadi RNA m yang fungsional (aktif) setelah malalui proses tertentu terlebih dahulu. Dengan demikian, pada rantai tunggal RNA m terdapat beberapa urut-urutan basa nitrogen yang merupakan komplemen (pasangan) dari pesan genetik (urutan basa nitrogen) DNA. Setiap tiga macam urutan basa nitrogen pada nukleotida RNA m hasil transkripsi ini disebut sebagai triplet atau kodon.

c. Translasi

Setelah replikasi DNA dan transkripsi mRNA di dalam nukleus, mRNA dari nukleus dipindahkan ke sitoplasma sel. Langkah selanjutnya adalah proses translasi RNA m untuk membentuk protein. Translasi merupakan proses penerjemahan beberapa triplet atau kodon dari RNA m menjadi asam amino-asam amino yang akhirnya membentuk protein. Urutan basa nitrogen yang berbeda pada setiap triplet, akan diterjemahkan menjadi asam amino yang berbeda. Misalnya, asam amino fenilalanin diterjemahkan dari triplet UUU (terdiri dari 3 basa urasil), asam amino triptofan (UGG), asam amino glisin (GGC), dan asam amino serin UCA.

Sebanyak 20 macam asam amino yang diperlukan untuk pembentukan protein merupakan hasil terjemahan triplet dari mRNA. Selanjutnya, dari beberapa asam amino (puluhan, ratusan, atau ribuan) tersebut dihasilkan rantai polipeptida spesifik dan akan membentuk protein spesifik pula.

Gambar 3. Tahapan transkripsi RNA.

Lalu, bagaimana mekanisme translasi tersebut? Langkah-langkah pada proses translasi adalah sebagai berikut:

1) Inisiasi Translasi

Ribosom sub unit kecil mengikatkan diri pada mRNA yang telah membawa sandi bagi asam amino yang akan dibuat, serta mengikat pada bagian inisiator tRNA. Selanjutnya, molekul besar ribosom juga ikut terikat bersama ketiga molekul tersebut membentuk kompleks inisiasi. Molekul-molekul tRNA mengikat dan memindahkan asam amino dari sitoplasma menuju ribosom dengan menggunakan energi GTP dan enzim. Bagian ujung tRNA yang satu membawa antikodon, berupa triplet basa nitrogen. Sementara, ujung yang lain membawa satu jenis asam amino dari sitoplasma. Kemudian, asam amino tertentu tersebut diaktifkan oleh tRNA tertentu pula dengan menghubungkan antikodon dan kodon (pengkode asam amino) pada mRNA.

Gambar 4. Tahap inisiasi translasi.

Kodon pemula pada proses translasi adalah AUG, yang akan mengkode pembentukan asam amino metionin. Oleh karena itu, antikodon tRNA yang akan berpasangan dengan kodon pemula adalah UAC. tRNA tersebut membawa asam amino metionin pada sisi pembawa asam aminonya.

2) Elongasi

Tahap pengaktifan asam amino terjadi kodon demi kodon sehingga dihasilkan asam amino satu demi satu. Asam-asam amino yang telah diaktifkan oleh kerja tRNA sebelumnya, dihubungkan melalui ikatan peptida membentuk polipeptida pada ujung tRNA pembawa asam amino. Misalnya, tRNA membawa asam amino fenilalanin, maka antikodon berupa AAA kemudian berhubungan dengan kodon mRNA UUU. Fenilalanin tersebut dihubungkan dengan metionin membentuk peptida. Nah, melalui proses elongasi, rantai polipeptida yang sedang tumbuh tersebut semakin panjang akibat penambahan asam amino.

Gambar 5. Tahap elongasi translasi.

Keterangan :

a. tRNA membawa antikodon AAA & asam amino (fenilalanin)
b. antikodon AAA berpasangan dengan kodon mRNA
c. pembentukan ikatan peptida
d. pemanjangan rantai polipeptida & ribosom siap menerima tRNA selanjutnya.

3) Terminasi

Proses translasi berhenti setelah antikodon yang dibawa tRNA bertemu dengan kodon UAA, UAG, atau UGA. Dengan demikian, rantai polipeptida yang telah terbentuk akan dilepaskan dari ribosom dan diolah membentuk protein fungsional.

Gambar 6. Terminasi translasi.