Sintesis ProteinOleh: Muchtazam Mulsiansyah (1206221683)

ABSTRAKProtein strukturalmenghasilkan beberapa komponen sel dan beberapa bagian diluar sel. Protein fungsional (enzim danhormon) terlibat hampir di semua kegiatan metabolisme, biosintesis, pertumbuhan, pernapasan dan perkembangbiakan dari sel. Oleh sebab itu protein perlu dibuat (disintesis) untuk tetap ada pada sebuah sel. Sintesis protein melalui beberapa tahapan. Tahapan sintesis protein dimulai dari proses transkripsi yang kemudian diteruskan oleh proses translasi. Proses transkripsi yang akan dibahas kali ini hanya pada bagian post transkripsi, sedangkan proses translasi akan dibahas mulai dari tahap inisiasi, elongasi, dan terminasi, kemudian juga akan diteruskan dengan proses protein folding dan protein targeting.KATA KUNCI: asam amino, protein, sintesis, transkripsi, translasiPOST TRANSKRIPSISaat proses transkripsi selesai dilakukan, mRNA yang terbentuk dari proses transkripsi melalui proses terminasi yang berbeda antara sel prokariotik maupun dalam sel eukariotik. Pada sel prokariotik, mRNA yang terbentuk tidak melalui tahap modifikasi lanjut sebelum ditranslasi. Dalam sel prokariotik, proses transkripsi dan translasi juga dapat berlansung secara bersamaan karena tidak ada modifikas dari mRNA tersebut. Pada sel eukariotik hasil transkripsi dari mRNA dinamakan pre-mRNA, dimana pre-mRNA akan dimodifikasi lebih lanjut sebelum memasuki proses translasi pada ribosom. Dalam banyak kasus, beberapa interior dari mRNA dipotong, dan bagian yang tersisa dipisahkan bersama. Modifikasi inilah yang memproduksi molekul mRNA yang siap untuk proses translasi.a. Perubahan Masing-Masing Ujung mRNASetiap masing-masing ujung dari pre-mRNA dimodifikasi sebelum meninggalkan nukleus. Ujung 5 mendapatkan penambahan topi setelah transkripsi dari nukleotide ke 20 hingga 40, yaitu bentuk modifikasi dari nukleotida guanin (G). Pada ujung 3dari molekul pre-mRNA juga dimodifikasi, ebuah enzim menambahkan 50 hingga 250 nukeleotida adenin (A) yang akan membentuk poly-a tail. Modifikasi topi maupun poly-A tail ini memiliki beberapa fungsi, yaitu (1) untuk memfasilitasi keluarnya mRNA dari nukleus, (2) menjaga molekul mRNA dari degradasi oleh enzim hidrolitik, (3) modifikasi ini membantu ujung 5 untuk menempel pada ribosom saam mRNA sampai ke sitoplasma.

Gambar 1. RNA processing: penambahan topi 5 dan polyA-tailPada gambar 1 terlihat molekul mRNA pada sel eukariotik dengan topi dan ekor. Juga tampak pada gambar bagian UTR pada ujung 5 dan ujung 3. UTR adalah bagian dari mRNA yang tidak akan ditranslasi menjadi protein, tapi memiliki fungsi lain untuk mengikat ribosom.b. Pemisahan Gen dan RNA SpicingTahap yang luar biasa dari proses RNA dalam sel eukariotik adalah penghilangan jumlah porsi yang besar dari molekul RNA yang telah disintesis, seperti cut-paste yang disebut dengan RNA splicing.

Gambar 2.RNA processing

Panjang rata-rata dari transkripsi dalam DNA manusia adalah 27.000 pasang nukleotida, hal ini mengakibatkan transkripsi primer yang juga panjang. Padahal, hanya dibutuhkan 1.200 nukleotida pada RNA untuk di coding untuk menjadi ukuran rata-rata protein dari 400 asam amino. Tandanya, kebanyakan gen dari eukariotik dan transkrip RNA nyamemiliki bagian noncoding yang panjang, yaitu daerah yang tidak akan ditranslasi. Yang lebih mengejutkan adalah kebanyakan dari bagian noncoding tersebut berada diantara bagian coding dari RNA. Dengan kata lain, urutan nukelotida DNA yang dikode untuk polipeptida eukariotik biasanya tidak kontinyu, melainkan terbagi menjadi beberapa segmen. Segmen noncoding dari asam nukleat yang terletak diantara segmen coding dinamakan entervening sequences, atau introns. Bagian yang lain dinamakan exons. Exons inilah yang biasanya akan ditranslasi kedalam urutan asam amino, kecuali pada bagian UTR. Dengan ini kita dapat menyimpulkan bahwa exon adalah urutan RNA yang akan dibawa meninggalkan nukleus.Saat pembuatan transkripsi primer, enzim RNA Polimerasi II mentranskripsi baik bagian exon maupun intron dari DNA, namun RNA yang memasuki sitoplasma adalah RNA yang telah dimodifikasi. Bagian introns dipotong, dan bagian exons bergabung yang membentuk rutan koding molekul RNA yang kontinyu. Proses ini dinamakan dengan RNA splicing. Proses RNA splicing terjadi saat ada sinyal untuk melakukan proses tersebut, adalah sebuah nukleotida pendek pada ujung masing-masing intron. Partikel kecil tersebut dinamakan small nuclear ribonucleoproteins, yang disingkat dengan snRNPs (dibaca snurps), yang mengenali daerah splicing. snRNPs terletak pada nukleus dan terbentuk dari molekul RNA dan protein. Molekul RNA pada snRNPs dinamakan snRNA small nuclear RNA, masing-masing dari molekul snRNA memiliki panjang sekitar 150 nukleotida. Beberapa dari molekul snRNPs yang berbeda bergabung dengan protein tambahan untuk membentuk pemasangan yang lebih besar yang disebut dengan spliceosome. Spliceosome berinteraksi dengan beberapa daerah tertentu sepanjang intron, yang akan mengakibatkan lepasnya intron yang kemudian akan terdegradasi, dan kemudian menyambung exon yang sebelumnya diapit oleh intron.

Gambar 3. snRNPs dan spliceosomes dalam splicing pre-mRNAsnRNAs mengkatalisis proses ini, dan juga berpartisipasi saat pembentukan spliceosome dan pengenalan daerah splicing.

TRANSLASI

Selanjutnya, setelah proses post transkripsi, kita akan membahas secara detail proses terpenting dalam sintesis protein, yaitu proses translasi. Proses translasi adalah proses dimana informasi genetik ditranslasikan dari mRNA ke protein.

a. Komponen Molekul dalam TranslasiSaat proses translasi berlansung, sebuah sel membaca pesan genetik dan membangun polipeptida secara berurutan. Pesan tersebut adalah urutan kodon sepanjang sebuah molekul mRNA, dan yang menerjemahkan (translator) disebut dengan transfer RNA (tRNA). Fung dari tRNA adalah mengirim asam amino dari sitoplasma ke dalam pembentukan polipeptida dalam ribosom. Sebuah sel menjaga stok 20 asam amino dalam sitoplasma, baik dengan mensintesis dari senyawa lain, maupun mengambil dari lingkungannya. Ribosom adalah organel yang terbentuk dari protein dan RNA, menambahkan asam amino yang dibawa oleh tRNA untuk membentuk ikatan polipeptida.

Gambar 4. Proses dasar translasi

b. Struktur dan Fungsi dari tRNAKunci dari translasi pesan genetik ke dalam urutan asam amino yang spesifik adalah faktanya setiap molekul dari tRNA tidak identik, dan masing-masing tipe dari molekul tRNA diterjemahkan dalam secara tertentu pada kodon mRNA kedalam asam amino tertentu. Sebuah tRNA yang sampai pada ribosom telah berikatan dengan asam amino yang spesifik pada ujungnya. Pada ujung lain dari tRNA adalah triplet nukleotida yang disebut antikodon, yang mana pasangan basa dengan kodon dari mRNA. Contohnya, sebuah kodon mRNA GGC, yang akan diterjemahkan kedalam asam amino glycine. tRNA dengan pasangan basa dengan kodon CCG akan berikatan dengan ikatan hidrogen sebagai antikodon, dan membawa glycine pada ujung lainnya. Seperti terlihat pada gambar, glycine akan ditambahkan pada rantai polipeptida kapaanpun ada kodon GGC pada tranlasi. Kodon demi kodon diterjemahkan dengan tRNA yang membawa asam amino sesuai urutan yang telah disebutkan diatas. tRNA berfungsi sebagai penejermah, karena dapat mengenali bahasa dari asam nukleat, dan bahasa dari protein (asam amino). tRNA dapat digunakan secara berulang, setelah proses pembentukan rantai polipeptida selesai dilakukan dalam ribosom, tRNA akan terlepas dan kembali berikatan dengan asam amino dalam sitoplasma.Untuk keakuratan translasi dari pesan genetik dibutuhkan 2 pengenalan molekul. Pertama adalah tRNA yang berikatan pada sebuah kodon mRNA menspesifikasi asam amino tertentu yang harus dibawa, dan ujung lain dari tRNA tidak boleh membawa molekul yang lain selain asam amino. Enzim aminocyl-tRNA syntases berfungsi untuk membenarkan ikatan antara tRNA dan asam amino agar tidak terjadi kesalahan.PEMBENTUKAN POLIPEPTIDAKita dapat membagi proses translasi (sintesis polipeptida) menjadi tiga tahap, yaitu; (1) inisiasi, (2)elongasi, dan (3) terminasia. Inisiasi TranslasiTahap inisiasi dari translasi adalah membawa mRNA, dan tRNA yang berikatan dengan asam amino dari polipeptida, dan dua subunit dari ribosom. Pertama, subunit ribosomal kecil berikatan dengan mRNA dan inisiator spesifik tRNA, yang membawa asam amino methionine.

Prokariotik Pada bakteria (prokariotik), subunit kecil ini dapat berikatan dengan kedua ini dengan baik; subunit ini mengikat mRNA pada urutan RNA spesifik, hulu dari awal kodon, AUG.

EukariotikPada eukariotik, subunit yang kecil dari ribosom, dengan tRNA inisiator telah terikat, mengikat dengan topi 5, dan kemudian bergerak, ke hilir sepanjang mRNA sehingga mencapai awal odon; tRNA inisiator kemudian berikatan dengan ikatan hidrogen dengan awal kodon AUG. Pada kasus lain, awal kodon akan memberikan sinyal untuk memulai proses translasi; hal ini penting, karena hal ini membangun pembacaan frame kodon untuk mRNA.Kesatuan dari mRNA, inisiator tRNA, dan subunit ribosom yang kecil diikuti dengan pemasangan subunit ribosom yang besar, memenuhi inisiasi tranlasi kompleks. Protein disebut dengan initial factor yang dibutuhkan untuk membawa semua komponen faktor bersama. Sel juga membutuhkan energi didapatkan dengan hidrolisis dari molekul GTP untuk membentuk inisiasi kompleks. Pada penyele saian dari proses inisiasi, inisiator tRNA dari terletak pada daerah P di ribosom. Dan satu daerah kosong telah siap untuk aminoacyl tRNA selanjutnya. Kita harus memperhatikan bahwa sebuah polipeptida selalu disintesis ddengan 1 arah, dari awal methioninepada ujung asam amino, juga disebut dengan N-terminus, kearah ujunhg (final) asam amino) pada ujung karboksil juga disebut dengan C-terminus.b. Elongasi Rantai PolipeptidaDalam tahap proses elongasi translasi, asam amino ditambahkan satu demi satu ke dalam asam amino yang sebelumnya pada rantai C-Terminus yang tumbuh (disintesis). Setiap penambahan melibatkan beberapa protein yang disebut dengan faktor elongasim dan terjadi dalam tiga tahap cycle yang didescribsikan pada gambar 6 berikut

Gambar 6. Siklus elongasi translasi

Keluarnya energi terjadi pada tahap pertama dan tahap ketiga. Pengenalan kodon membutuhkan hidrolisis dari satu moleku GTP, yang mana akan meningkatkan akurasi dan efesiensi dari tahapan ini. GTP yang berlebih dihidrolisis untuk menyediakan energi untuk tahapan translokasi.mRNA bergerak sepanjang ribosom dengan hanya satu arah saja, ujung 5 adalah yang pertama; hal ini sama dengan ribosom bergerak 5 3 pada mRNA. Poin terpenting adalah ribosom dan mRNA bergerak relatif satu sama ain, secara berlawanan arah, kodon demi kodon. Siklus elongasi membutuhkan waktu sepersepuluh detik pada bakteri, dan diulang setiap asam amino ditambahkan pada rantai hingga polipeptida komplit.c. TerminasiTahapan akhir dari translasi adalah terminasi, dapat dilihat pada gambar 7. Elongasi terus berjalan hingga pemberhentian kodon dalam mRNA mencapai daerah A pada ribosom. Basa nukleotida triplet UAG, UAA, dan UGA tidak mengkode asam amino, melainkan berperan sebagai sinyal untuk memberhentikan translasi. Sebuah release factor, sebuah bentuk protein seperti aminoacyl tRNA, berikatan secara lansung dengan stop codon dalam daerah A. Release factor ini mengakibatkan penambahan molekul air daripada asam amino pada rantai polipeptida. Reaksi ini menghidrolisis ikatan antara polipeptida yang lengkap dengan tRNA dalam daerah P, mengeluarkan polipeptida melewati pintu keluar dari subunit ribosom yang besar. Proses yang tertinggal dari pemasangan translasi kemudian datang terpisah dalam proses yang multi tahap, dibantu oleh faktor protein yang lainnya. Pemecahan dari pemasangan translasi membutuhkan hidrolisis dari lebih dari dua molekul GTP.

Gambar 7. Proses terminasi translasiPOST TRANSLASITranslasi bukan akhir dari ekspresi genom. Polipeptida muncul dari ribosom non-aktif, dan sebelum menerima perannya yang fungsional di dalam sel itu harus mengalami sedikitnya satu dari empat tipe proses post-translational.PROTEIN FOLDINGPolipeptida adalah non-aktif, sampai dilipat ke dalam struktur tersiernya yang benar. Protein folding menguji empat tingkat struktur protein (primer, sekunder, tersier, dan kuartener) dan semua informasi suatu polipeptida memerlukan struktur tiga dimensional yang di dalamnya berisi sekuen asam amino.Denaturasi dan naturasi kembali secara spontan dari suatu protein kecil. Ketika urea itu dipindahkan dengan cara dialisis, protein kecil ini mengambil kembali konformasi yang terlipat. Aktivitas protein meningkat kembali ketingkat asli dan viskositas larutannya berkurang.Pelipatan spontan ribonuklease dan protein meliputi dua proses:1. Motif struktural sekunder rantai polipeptida membentuk beberapa mili detik selama denaturasi. Langkah ini disertai protein roboh ke dalam suatu kompak, tetapi tidak terlipat, organisasi, dengan gugus hidrofob disampingnya, yang dilindungi dari air.2. Motif struktural sekunder saling berhubungan satu dengan yang lain dan struktur tersier secara berangsur-angsur terbentuk. Dengan kata lain, protein mengikuti suatu tahapan pelipatan. Lebih dari satu tahapan yang mungkin diikuti suatu protein dapat untuk terhubung secara benar pada struktur lipatan. Jika satu struktur yang salah tidak stabil menyebabkan struktur terbuka, menyebabkan protein kedua meneruskan rute yang produktif ke arah konformasi yang benar.

TRANSLOKASI PROTEIN Setelah mengalami proses translasi, sebagian besar polipeptida mengalami suatu proses lebih lanjut sebelum menjadi protein fungsional. Hal pertama kali adalah polipeptida akan diarahkan ke berbagai macam komponen selular. Kedua, sebagian besar polipeptida akan mengalami substitusi melalui reaksi kimiawi tertentu sebelum membentuk protein aktif. Dan ketiga, protein akan mengalami mekanisme degradasi yang terprogram. Langkah-langkah tersebut membutuhkan mekanisme regulasi yang mana regulator tersebut tersusun dari urutan asam amino yang disebut dengan signal sequence. Signal sequence tersebut berada bersamaan dengan polipeptida yang bersangkutan dan berfungsi untuk mampu mengenali daerah target dari ribosom menuju ke organel yang lain. Pada organisme eukariotik signal sequence bekerja dengan ribonukloprotein, yakni SRP signal recognition particle. Jalur target Protein Didalam sitoplasma, ribosom yang berfungsi sebagai translator mRNA dan menghasilkan polipetida, maka polipeptida tersebut akan ditranspor ke berbagai macam tempat.

Gambar 8. Mekanisme sinyal untuk targeting protein ke ER