Biologi Molekuler Medik

Prof. Dr. M. Nurhalim Shahib, dr Biochemist & Molecular Biologist

2013

DEFINISI

Biologi molekuler adalah ilmu yang mempelajari struktur dan fungsi molekul makhluk hidup, yang terdiri dari molekul organik dan anorganik, terorganisasi satu sama lain membentuk dan mempertahankan unit seluler sehingga dapat berfungsi biologik.

Living organism

C

H

O

N

P

Another

elements

Micromolecules

Macromolecules

Supramolecules

? Growth &

development

(associated with

microenvironment)

Lifeless molecules

Microenvironment :

- Nutritions

- Mechanical (temp, osmotic, diffusion, etc)

- Chemical (pH, lifeless molecules)

- Biological (cell proliferation, differentiation,

bodyplan, etc)

Cell

Gene

expressions

Different microenvironments?

different gene expressions? . .

Fetus

Baby/Chil

d Adult Elderly Death

Cells & Tissues maturation

Increasing of organs function

& human systems biology

-Optimal cell function -Optimal

component of blood & hormonal system

- Optimal the reproductive

system network

Decline of cell function

?

Scope of aging Beyond the reality

zygote

(M. Nurhalim S., 2011)

embryo

-Cells prolyferation -- cells differentiation -- genetics modification

Relevansi Proses Kimia (dan Fisika)

dengan Proses Biologis

Banyak para ilmuwan melakukan pendekatan kimia, fisika bahkan teknologi dengan proses biologis (terutama oleh para ahli yang bukan bidang medis) dengan tujuan : (i) untuk memahami mekanisme fenomena biologis (ii) untuk memahami patogenesis penyakit (iii) untuk pengembanga diagnostik dan terapi (iv) Untuk mengetahui kepentingan struktur 3 dimensi

dalam proses biologis

STRUKTUR & KANDUNGAN MOLEKUL

PADA MAKHLUK HIDUP 1. Semua organisme terdiri dari molekul kimia atau

benda mati yang sangat kompleks baik jumlah maupun organisasinya. Bandingkan dengan benda “abiotik”

2. Organisme hidup memerlukan energi dari lingkungannya dalam bentuk nutrisi atau sinar matahari sehingga dapat mempertahankan dan membangun kerja atau interaksi yang bersifat mekanis kimia, osmotik, mempertahankan suhu tubuh dan lain-lain mekanisme.

3. Organisme hidup, terutama multiseluler memerlukan ruang tiga dimensi untuk pertumbuhan

Mikromolekul

•monosakarida

•asam amino

•nukleotida

•asam lemak

Makromolekul

• polisakarida

• protein

• asam nukleat

• lipid dalam bentuk kompleks dengan komponen lipid lainnya

Supramolekul

Elemen biologis

C

H

O

N

S

P Elemen lain

99 % massa sel

1 %

Komponen molekul sel (Biomolekul). 99 % massa sel C, H, O, N dan 1 % sisanya terdiri dari S, P dan elemen lain

Hirarki materi biologik

BIOMOLEKUL

DNA

RNA

Protein

Organel

Sel

Jaringan

Organ

Mikromolekul

Makromolekul

Supramolekul

“major minerals” “trace elements”

ELEMEN

elemen pokok (C, H, O, N, S, P)

Komposisi kimia tubuh manusia dan organisasi biologisnya.

• Unsur kimia: C, H, O, N, S, P 99% massa sel

1% unsur lain

• Ikatan kimia non kovalen

kovalen

Terbentuknya molekul atau terurainya molekul Struktur dan fungsi molekul SEL ?

• SEL jaringan

Fungsi tubuh

H

H

O

O

H

C

N

N

Suhu tinggi

Ikatan hidrogen terputus

C T G A G A C T

enzimatis

C T G A G A C T

Ikatan hidrogen terputus

CH2

C O

H C

CH2

SH2

C

SH2

CH2

CH2

C O

H

C

CH2

S S CH2

C

CH2

C O

H

– +

--- CH2 – OH ….. O = C - CH2 - CH2 ---

NH2

I

--CH2–CH2–NH3 + -

C-CH2-CH2- O O

– CH2–CH–CH3 I CH3

CH3–CH–CH2 –

CH3

I

H I C – CH3

I CH3

H I CH3 – C

I CH3

CH2 - C O

O H3N - CH2

Ikatan hidrogen Ikatan ion Ikatan hidrofobik & Van der Waals Ikatan ion

Ikatan kimia pada suatu protein. Ikatan tersebut dapat pecah dan menyebabkan perubahan konformasi suatu molekul protein

Pembuluh darah

7m

Sel darah merah (eritrosit)

3-4 m

3-4 m

Perubahan bentuk eritrosit dalam pembuluh darah kapiler

NH3

+ - O

O

b

H O O

NH2

NH2

C

O

O

c a

CH3 CH3

CH3

CH3

CH3

CH3 CH2OH

c d d a

+ - CH3

C O

C

CH

CH3 CH3

CH2OH C

Ikatan kovalen a = ikatan ionik (elektostaik) b = ikatan hidrogen c = ikatan nonpolar (hidrofobik) d = ikatan Van der Waals

BIOLOGI DASAR

Konsep:

• Semua proses biologis berlandaskan reaksi kimia dan atau fisikokimia (kimia fisik).

• Fungsi sel dilaksanakan oleh molekul protein dan atau kompleks protein dengan senyawa lain.

• Struktur protein menentukan aktivitas dan fungsi biologisnya:

- Enzim

- Pengatur (regulatory protein)

- Transpor (transport protein)

- Penimbun (storage protein)

- Kontraktil/ motil

- Struktur (structural protein) - Pelindung (protective protein)

- Exotic protein

16

17

Hirarki biologi molekul :

DNA RNA Protein

Molekul-molekul biologik terkoordinasi membentuk cellular networking

Terdapat interaksi protein-protein protein-nonprotein; protein-asam nukleat

Pola dan Pergerakan sel di dalam embrio

Pertumbuhan &

Perkembangan

Proyek Genom Manusia (Human Genome Project =HGP) & gene bank

Kemajuan IPTEK bidang Kedokteran

Personalized Health

Respon

selular &

sistem imun

Analisis

DNA

Analisis

RNA

Analisis miRNA

/ siRNA

Analisis asam

amino & protein

Elemen/

mikro elemen

Analisis molekuler

leukosit

sel normal

Global health

Analisis molekuler

pada sel spesifik patalogis

sel normal

patalogis

Gene bank

STRUCTURE OF THE NUCLEIC ACIDS 22

NUCLEIC ACIDS ARE POLYMERS OF NUCLEOTIDES

- Deoxyribonucleic acid (DNA)

- Ribonucleic acid (RNA)

NUCLEOTIDE STRUCTURE

DNA and RNA, are polymers of nucleoside

monophosphates (nucleotides) group.

Each nucleotide consists of :

1. A Pentose sugar :

a. Ribose sugar RNA

b. Deoxyribose sugar DNA

2. A Nitrogenous Base :

23

a. Purines : adenine (A) and guanine (G) found in DNA or

RNA

b. Pyrimidins : Cytosine (C), thymine (T), and uracil (U)

Thymines are found only in DNA

Uracils are found only in RNA

3. Phosphate

24

Basa N C

O

C

C C

H H

OH

H

C O P OH

H

H H O

H

1’

2’ 3’

4’ 5’

H pada DNA

OH pada RNA

Gula fosfat

Nukleosida

Nukleotida

Gambar 116. Komponen nukleotida Nukleosida terdiri dari basa N dan

gula ribosa, sedangkan nukleotida terdiri dari nukleosida dan fosfat.

25 O

O

O

O

H H H

H H

Adenine

O

O

O

CH2 O

H H H

H H

Cytosine

O

O P O O

CH2 O

H H H

H H

Thymine

O

O O

O

CH2 O

H H H

H H

Guanine

O

O

O

O

H

H H

O

O

H H

H H

H

H

O O

O O

O

O

H H

H H

O

O

H H

H H

H

H

O O

O

O

O

5’ CH2 O

H H H

OH H

Adenine

O

O

O

CH2 O

H H H

O

H

H

Cytosine

O

O

O

CH2 O

H H H

OH H

Uracil

O

O

O

CH2 O

H H H

O

H

H

Guanine

O

5’

3’ 5’

5’ 3’

3’

3’ 3’

3’

H

5’ CH2

5’

Gambar 117. Struktur primer DNA dan RNA

O P

O P

P

O

O

O

O

O

P

P

P

P

P

P

P

P

O

O

O

O

Thymine CH2

- O

CH2 Guanine

CH2 Adenine

CH2 Cytosine

26

O

O

CH2 O

H H H

H

H

Cytosine

O

O

O

CH2 O

H H H

H

H

Thymine

O

O

O

CH2 O

H H H H

Guanine

O

Kelompok fosfodiester

O

O

Cytosine

Thymine

Guanine

C

T

5’ P

3’ OH

5’

3’

O P

P

P

O

O

G

Gambar 118. Struktur trinukleotida yang mengandung jembatan fosfodiester

MOLEKULAR STRUCTURE

OF CHROMOSOMES AND GENES

27

S

B P

a chromosome carries many genes a double helix of DNA has two strands a single stand of DNA is made of many nucleotides each nucleotide is made of hree components

a very ong molecule of double stranded DNA

Chromosome

Gene

Single strand

of DNA

Nucleotides

Base (B)+

Sugar (S)+

Posphate (P)

ORGANIZATION OF EUKARYOTIC GENOMIC

DNA

28

Size of DNA molecules

- Human = 3.0 x 109 base pairs / haploid cell

= 6.0 x 109 base pairs / diploid cell

- 1 chromosome ~ 7 cm in length

- 46 chromosome 2 m

- < 10% of DNA codes for a product

Packing of DNA in cells

- DNA interacts with basic proteins known as histones

- Histones arginine and lysine

- Five classes of histones : H1, H2A, H2B, H3 and H4

H2A

H2B Ellipsoid

H3

H4

- Other types of proteins are also associated with DNA

- Nucleosomes : * bead-like structures of DNA

* DNA coils around the surface of the ellipsoid

* Complex of histones plus DNA

29

Gen A Gen B Gen C

Protein A Protein B Protein C

- Struktur sel

- Fungsi sel

mRNA

30

Telomere Telomere

Centromere

Gene A Gene B Gene C

mRNA A mRNA B mRNA C

Protein A Protein B Protein C

2 P

Up stream Down streamDNA (GEN)

5’ Cap 3’

Splicing

Poly A

Poly A mRNA matur

TATA + 1

mRNA

Kode Genetik

- 1000

N

C

Protein

Maturasi Protein

Up stream Down stream

DNA (GEN)

5’ Cap

mRNA

Splicing

Poly A mRNAMatur

3’

TATA + 1 - 1000

Poly A

Pelipatan (Folding)

C

N Ikatan : - Ionik - Hidrogen - Van der Waals - Hidrofobik

Proteolisis (Pemotongan Protein)

Disulfide Cross-links

Modifikasi Asam Amino (-OH, PO4- , COO- , CH3, C2H5, KH, Isopren, Prostetik, Asam Lemak, dll)

PROSES POST TRANSLASI

MATURASI PROTEIN

FUNGSI SELULER

Gambar Maturasi Protein

POST TRANSLATION MODIFICATIONS

Molekul yang berperan adalah “chaperones” yang terdapat dalam dua bentuk :

• Yang menstabilkan protein dan mencegah dari degradasi

•Yang bekerja melipatkan protein

36

Molekul Protein selalu mencari bentuk yang paling stabil

Folding

Natural state

miRNA (micro RNA)

- small, non-coding RNA

- 22 nucleotides in length

- Natural miRNA acts as a guide to target RISC complex (RNA induced silencing complex)

- To regulate the expression of ≥ 60% all protein coding genes

- miRNAs play vital roles in proliferation, differentiation, cell growth, cell death, stress resistance, and metabolism

- The profile changes of miRNA→

- Infections

- Degenerative disease (cancer, CVD, etc)

- As an biomarker to asses and monitor the pathophysiological conditions

- miRNAs can act both as „oncomers‟ and tumor suppressor, 20 carcinogenesis may occur through loss of tumor suppressing miRNAs or over expression of tumor-promoting miRNAs.

• miRNA regulated network in disease state:

▫ Insufficient or abberant responses

• The miRNA contribution to mendelion and complex genetic disease

To utilize and target miRNAs of diagnostic and treatment

Hundreds of targets for each miRNA (Alexior et al., 2009)

Pattern of miRNA expression provide useful information for tumor classification and prognosis

• miRNA expression is highly cell-type specific • The specific miRNAs act as oncogenes and tumor suppressors • The phenotypic effects of miRNA-mediated regulation are

enhanced under stress conditions

Stability of RNA molecules

mRNA

miRNA

Beberapa menit s/d beberapa hari Beberapa hari s/d beberapa bulan

DISTRIBUSI PROTEIN DALAM SEL

• Protein yang telah disintesis menempuh dua jalur :

a. Kelompok protein yang mengandung ”Endoplasmic reticulum signal sequence” (ER signal sequence)

- Membran ER dan sebagian sitoplasma

- Vesikel dan eksport protein

- Membran sel

- dll.

b. Kelompok protein yang tidak mengandung ER signal sequence

- Sebagian besar sitoplasma

- Organel, nukleus, mitokondria

- dll.

• Terdapat urutan asam amino spesifik pada ujung protein baru yang dapat mengenal reseptor spesifik pada inti, periksisom dan mitokondria.

41

Stability of Protein with certain amino

acids added to its N terminus

sebagai contoh β-galactosidase

Amino acid added Half-life

Met, Ser, Ala > 20 h

Thr, Val, Gly > 20 h

Ile, Glu > 30 h

Tyr, Gln ~ 10 min

Pro ~ 7 min

Phe, Leu, Asp, Lys ~ 3 min

Arg ~ 2 min

(Adapted from Bachmair et al., Science 234:179-186, 1986)

terimakasih