Cara Kerja Sintesis Protein: Transkripsi, Translasi, dan Mutasi

Dari gen ke protein

Gen adalah bagian DNA yang urutan basanya menentukan sebuah protein. Sel tidak membaca DNA secara langsung untuk membuat protein. Sel lebih dulu menyalin gen menjadi RNA duta (transkripsi), lalu ribosom membaca mRNA untuk merangkai asam amino dalam urutan yang benar (translasi). Aliran informasi ini, dari DNA ke RNA ke protein, sering disebut dogma sentral biologi molekuler.

Transkripsi

RNA polimerase menempel pada promotor di depan gen, membuka sepotong pendek heliks ganda (gelembung transkripsi, sekitar 14 pasang basa), dan bergerak di sepanjangnya. Enzim ini membaca satu untai, untai cetakan, dan membangun untai RNA yang menjadi komplemennya, dengan menyambung nukleotida ke ujung 3′ RNA sehingga RNA tumbuh dari 5′ ke 3′. Karena itu RNA punya urutan yang sama dengan untai DNA yang lain, untai pengode, dengan urasil (U) menggantikan timin (T). Di belakang polimerase, DNA merapat kembali.

Pada bakteri, mRNA langsung dipakai. Pada eukariota, mRNA diproses dulu: ujung 5′ diberi tudung, ujung 3′ diberi ekor poli-A, dan intron dipotong (penyambungan) sebelum mRNA meninggalkan inti sel.

Kode genetik

mRNA dibaca tiga basa sekaligus. Setiap triplet adalah sebuah kodon. Empat basa menghasilkan 4³ = 64 kodon: 61 mengode 20 asam amino dan 3 (UAA, UAG, UGA) berarti berhenti. AUG mengode metionin dan juga menandai awal. Kebanyakan asam amino punya beberapa kodon, biasanya berbeda di basa ketiga, jadi kodenya berlebih (degeneratif). Hampir semua makhluk hidup memakai kode yang sama, dengan sedikit pengecualian.

Translasi

1. Inisiasi: subunit kecil ribosom menempel pada mRNA dan menemukan kodon start AUG; RNA transfer pertama, yang membawa metionin, berpasangan dengannya, lalu subunit besar bergabung.
2. Elongasi: tRNA yang antikodonnya berpasangan dengan kodon berikutnya membawa asam amino berikutnya; ribosom menyambungkannya ke rantai yang sedang tumbuh dengan ikatan peptida, lalu bergeser satu kodon. Ribosom bakteri menambah sekitar 15 sampai 20 asam amino per detik, ribosom kita sekitar 5.
3. Terminasi: pada kodon stop tidak ada tRNA yang cocok; faktor pelepas menempel sebagai gantinya, rantai yang sudah jadi dilepaskan, dan ribosom terurai.

Urutan kodon menentukan urutan asam amino, dan urutan itu menentukan bagaimana rantai melipat menjadi protein yang berfungsi.

Contoh perhitungan: β-globin

Gen β-globin manusia (HBB), separuh dari molekul hemoglobin, diawali dengan

ATG GTG CAT CTG ACT CCT GAG GAG AAG …

1. mRNA: AUG GUG CAU CUG ACU CCU GAG GAG AAG …
2. Kodon: AUG = Met, GUG = Val, CAU = His, CUG = Leu, ACU = Thr, CCU = Pro, GAG = Glu, GAG = Glu, AAG = Lys.
3. Protein: Met-Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-Lys…, atau MVHLTPEEK dalam kode satu huruf.

Mutasi

• Diam: substitusi yang mengubah satu kodon menjadi kodon lain untuk asam amino yang sama. GTG menjadi GTC di kodon 2 tetap menghasilkan valin.
• Missense: kodon baru mengode asam amino yang berbeda. Pada anemia sel sabit, kodon 7 berubah dari GAG menjadi GTG, sehingga glutamat menjadi valin. Valin yang hidrofobik membuat molekul hemoglobin saling menempel menjadi serat saat oksigen rendah, sehingga sel darah merah melengkung seperti sabit. Sebagian perubahan missense tidak berbahaya; yang lain merusak protein.
• Nonsens: kodon berubah menjadi stop. Mengubah basa 19 HBB dari G menjadi T mengubah GAG menjadi TAG, dan protein berhenti setelah enam asam amino. Mutasi seperti ini menyebabkan β-talasemia.
• Pergeseran rangka baca: menyisipkan atau membuang sejumlah basa yang bukan kelipatan tiga menggeser rangka baca, sehingga setiap kodon sesudahnya berbeda. Membuang basa 20 HBB menghasilkan MVHLTPGRSLPLLPCGAR lalu stop: protein pendek yang tidak berguna. Menyisipkan atau membuang tiga basa menambah atau menghilangkan satu asam amino tanpa pergeseran, seperti pada mutasi fibrosis kistik yang paling umum, yang menghilangkan satu fenilalanin.

Memakai simulasi

Di Simulator Sintesis Protein: Transkripsi dan Translasi, hal yang bisa dicoba:

• Lihat β-globin ditranskripsi, lalu ditranslasi; bandingkan mRNA di hasil dengan untai pengode.
• Pilih Substitusi pada basa 20 menjadi T: mutasi sel sabit, yang ditampilkan sebagai missense E7V.
• Basa 19 menjadi T: nonsens. Basa 6 menjadi C: diam.
• Delesi pada basa 20: pergeseran rangka baca, dan grafik hidropati menjadi acak setelah kodon 7.
• Contoh pendek punya kodon start setelah beberapa basa: ribosom melewatinya, lalu berhenti di TGA.
• Ketik urutan tanpa ATG: tidak ada protein yang dibuat.

Asumsi model

• Kode genetik standar, dibaca dari ATG pertama dalam urutan, pada rangka itu, sampai kodon stop pertama atau akhir urutan.
• Urutan pengode tanpa intron: apa yang kamu ketik diperlakukan sebagai urutan mRNA, tanpa promotor, penyambungan, tudung, atau ekor.
• Satu polimerase dan satu ribosom pada satu waktu, dengan kecepatan tetap; gen sungguhan ditranskripsi oleh banyak polimerase dan setiap mRNA dibaca oleh banyak ribosom sekaligus (polisom).
• Massa dari massa rata-rata residu ditambah satu molekul air, tanpa modifikasi; metionin di awal tetap dipertahankan.
• Hidropati dari skala Kyte-Doolittle, dirata-ratakan atas jendela lima residu.

Kasus batas

• Tanpa kodon start: tidak ada protein. Mutasi pada ATG itu sendiri menghilangkan awal; simulasi lalu mentranslasi dari ATG berikutnya, yang mungkin berada di rangka lain.
• Tanpa kodon stop: ribosom keluar dari ujung urutan. Di dalam sel, mRNA "tanpa stop" seperti ini dikenali dan dihancurkan.
• Mutasi sebelum start atau sesudah stop tidak mengubah protein, meskipun pada gen sungguhan mutasi itu masih bisa memengaruhi berapa banyak protein yang dibuat.
• Substitusi dengan basa yang sama tidak mengubah apa pun.

Di mana model tidak lagi berlaku

• Diam tidak selalu tidak berbahaya. Perubahan sinonim bisa mengubah sinyal penyambungan, pelipatan mRNA, atau seberapa cepat sebuah kodon dibaca, sehingga mengubah berapa banyak protein dibuat atau bagaimana protein melipat.
• Peluruhan yang diperantarai nonsens. Pada eukariota, mRNA dengan stop prematur biasanya dihancurkan sebelum banyak protein terpotong dibuat.
• Kodon start dalam konteks. Ribosom eukariota memindai dari tudung dan lebih memilih AUG dalam konteks yang baik (urutan Kozak, misalnya GCCACCAUGG); bakteri memakai urutan Shine-Dalgarno tepat di hulunya. ATG pertama tidak selalu yang dipakai.
• Setelah translasi. Metionin awal sering dibuang, itulah sebabnya mutasi sel sabit disebut Glu6Val; protein dipotong, dilipat dengan bantuan pendamping (chaperone), dan dihias dengan gula dan fosfat.
• Kode lain. Mitokondria dan sebagian mikroba membaca beberapa kodon secara berbeda; di mitokondria manusia, UGA mengode triptofan.

Alat terkait

Translasikan urutan apa pun di keenam rangka dengan Translasi DNA ke Protein, temukan rangka baca terbuka dengan Pencari ORF, buat mutasi titik dengan Mutasikan DNA, dan timbang hasilnya dengan Berat Molekul Protein. Cara Translasi DNA ke Protein membahas kodenya dengan tangan, dan Penampil Lipatan DNA dan RNA menunjukkan molekulnya sendiri.