yang tumbuh harus mensintesis sekitar 10 juta
salinan dari setiap jenis RNA ribosom dalam setiap generasi
sel untuk membangun 10 juta ribosomnya. Sel dapat
menghasilkan jumlah RNA ribosom yang cukup hanya
karena mengandung banyak salinan gen rRNA yang
mengkode RNA ribosom (rRNA). Bahkan E. coli
111
membutuhkan tujuh salinan gen rRNA untuk memenuhi
kebutuhan sel akan ribosom. Sel manusia mengandung
sekitar 200 salinan gen rRNA per genom haploid, tersebar
dalam kelompok kecil pada lima kromosom yang berbeda
(lihat Gambar 4-11), sementara sel-sel katak Xenopus
mengandung sekitar 600 salinan gen rRNA per genom
haploid dalam satu kelompok pada satu kelompok
kromosom (Gambar 41).
Ada empat jenis rRNA eukariotik, masing-masing
hadir dalam satu salinan per ribosom. Tiga dari empat rRNA
(18S, 5.8S, dan 28S) dibuat dengan memodifikasi dan
membelah secara kimiawi satu rRNA prekursor tunggal
besar (Gambar 42); yang keempat (5S RNA) disintesis dari
kelompok gen yang terpisah oleh polimerase yang berbeda,
RNA polimerase III, dan tidak memerlukan modifikasi
kimia.
112
Gambar 41 Transkripsi dari gen rRNA yang disusun secara tandem,
seperti yang terlihat pada mikroskop elektron. Pola gen transkripsi
bolak-balik dan spacer yang tidak ditranskripsi mudah terlihat.
Pandangan perbesaran gen rRNA yang lebih tinggi ditunjukkan pada
Gambar 9. (Dari V.E. Foe, Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 42:
723-740, 1978. Dengan izin dari Cold Spring Harbor Laboratory Press.)
113
Gambar 42 Modifikasi kimia dan pemrosesan nukleolitik dari molekul
prekursor rRNA 45S eukariotik menjadi tiga RNA ribosom yang
terpisah. Dua jenis modifikasi kimia (kode warna seperti yang
ditunjukkan pada Gambar 43) dibuat untuk prekursor rRNA sebelum
dibelah. Hampir setengah dari urutan nukleotida dalam prekursor rRNA
ini dibuang dan terdegradasi dalam nukleus. RRNA diberi nama sesuai
dengan nilai "S" mereka, yang merujuk pada tingkat sedimentasi mereka
dalam ultrasentrifuge. Semakin besar nilai S, semakin besar rRNA
114
Modifikasi kimia ekstensif terjadi pada rRNA
prekursor 13.000-nukleotida-panjang sebelum rRNA dibelah
keluar dan dirakit menjadi ribosom. Ini termasuk sekitar 100
metilasi posisi 2’-OH pada gula nukleotida dan 100
isomerisasi nukleotida uridin menjadi pseudouridine
(Gambar 43A). Fungsi-fungsi modifikasi ini tidak dipahami
secara rinci, namun banyak yang mungkin membantu dalam
pelipatan dan perakitan rRNA akhir dan beberapa mungkin
secara halus mengubah fungsi ribosom. Setiap modifikasi
dilakukan pada posisi tertentu dalam rRNA prekursor.
Posisi-posisi ini ditentukan oleh sekitar 150 "RNA
pemandu," yang memposisikan diri mereka melalui
pasangan-basa dengan rRNA prekursor dan dengan
demikian membawa enzim pengubah RNA ke posisi yang
sesuai (Gambar 43B). Panduan lain RNA mempromosikan
pembelahan rRNA prekursor ke rRNA matang, mungkin
dengan menyebabkan perubahan konformasi pada rRNA
prekursor yang membuat situs-situs ini terkena nukleasi.
Semua RNA panduan ini yaitu anggota dari kelas besar
RNA yang disebut RNA nukleolar kecil (atau snoRNAs),
115
dinamakan demikian karena RNA ini menjalankan
fungsinya dalam subkotak nukleus yang disebut nukleolus.
Banyak snoRNA dikodekan dalam intron gen lain, terutama
yang mengkode protein ribosom. Oleh karena itu mereka
disintesis oleh RNA polimerase II dan diproses dari urutan
intron yang dipotong.
Baru-baru ini beberapa RNA seperti snoRNA telah
diidentifikasi yang disintesis hanya dalam sel-sel otak. Ini
diyakini mengarahkan modifikasi mRNA, bukan rRNA, dan
cenderung mewakili jenis mekanisme pengaturan gen yang
baru, namun kurang dipahami
116
Gambar 43. Modifikasi rRNA prekursor dengan panduan RNA. (A)
Dua modifikasi kovalen yang menonjol terjadi setelah sintesis rRNA;
perbedaan dari nukleotida yang awalnya dimasukkan ditunjukkan oleh
atom merah. Pseudouridine yaitu isomer uridin; dasar telah "diputar"
relatif terhadap gula. (B) Seperti yang ditunjukkan, snoRNAs
menentukan situs modifikasi dengan pasangan-berpasangan untuk
urutan pelengkap pada rRNA prekursor. SnoRNA terikat dengan
117
protein, dan kompleksnya disebut snoRNPs. snoRNP mengandung
urutan panduan dan enzim yang memodifikasi rRNA.
Nucleolus yaitu Pabrik Penghasil Ribosome
Nukleolus yaitu struktur yang paling jelas terlihat
pada nukleus sel eukariotik bila dilihat dalam mikroskop
cahaya. Sebagai akibatnya, penelitian itu diawasi dengan
cermat oleh para ahli sitologi awal sehingga suatu tinjauan
tahun 1898 dapat mendaftarkan sekitar 700 referensi. Kita
sekarang tahu bahwa nukleolus yaitu situs untuk
pemrosesan rRNA dan perakitannya menjadi subunit
ribosom. Tidak seperti banyak organel utama dalam sel,
nukleolus tidak terikat oleh membran (Gambar 44);
sebaliknya, itu yaitu agregat besar makromolekul, termasuk
gen rRNA itu sendiri, rRNA prekursor, rRNA matang,
enzim pemrosesan rRNA, snoRNPs, protein ribosom dan
protein ribosom yang sebagian dirakit. Hubungan erat semua
komponen ini memungkinkan perakitan ribosom terjadi
dengan cepat dan lancar.
118
Gambar 44 Mikrograf elektron dari bagian tipis nukleolus dalam
fibroblast manusia, menunjukkan tiga zona berbeda. (A) Tampilan
seluruh inti. (B) Daya tinggi melihat nukleolus. Dipercayai bahwa
transkripsi gen rRNA terjadi antara pusat fibrilar dan komponen fibrilar
padat dan bahwa pemrosesan rRNA dan rakitannya menjadi dua subunit
ribosom yang keluar dari komponen fibrilar padat ke komponen granular
sekitarnya. (Atas perkenan E.G. Jordan dan J. McGovern.)
Berbagai jenis molekul RNA memainkan peran sentral
dalam kimia dan struktur nukleolus, menunjukkan bahwa itu
mungkin telah berevolusi dari struktur kuno hadir dalam sel
yang didominasi oleh katalisis RNA. Dalam sel saat ini, gen
119
rRNA juga memiliki peran penting dalam pembentukan
nucleolus. Dalam sel manusia diploid, gen rRNA
didistribusikan ke dalam 10 kelompok, yang terletak di dekat
ujung lima pasang kromosom yang berbeda (lihat Gambar 4-
11). Selama interfase, 10 kromosom ini berkontribusi loop
DNA (mengandung gen rRNA) ke nukleolus; dalam fase-M,
saat kromosom memadat, nukleolus menghilang.
Akhirnya, di bagian telofase mitosis, saat kromosom
kembali ke keadaan semidispersednya, ujung 10 kromosom
bergabung dan reformasi nukleolus (Gambar 45 dan
Gambar 46). Transkripsi gen rRNA oleh RNA polimerase I
diperlukan untuk proses ini. Seperti yang diharapkan,
ukuran nukleolus mencerminkan jumlah ribosom yang
diproduksi sel. Oleh karena itu ukurannya sangat bervariasi
dalam sel yang berbeda dan dapat berubah dalam satu sel,
menempati 25% dari total volume nuklir dalam sel yang
menghasilkan jumlah protein yang luar biasa besar.
Perakitan ribosom yaitu proses yang kompleks, fitur
paling penting yang diuraikan dalam Gambar 47. Selain
peran penting dalam biogenesis ribosom, nukleolus juga
merupakan tempat di mana RNA lain diproduksi dan
120
kompleks RNA-protein lainnya berkumpul. Sebagai contoh,
snRNP U6, yang berfungsi dalam penyambungan pra-
mRNA (lihat Gambar 29), terdiri dari satu molekul RNA
dan setidaknya tujuh protein. SnRNA U6 dimodifikasi
secara kimia oleh snoRNA di nukleolus sebelum perakitan
terakhirnya di sana ke snRNP U6. Kompleks RNA-protein
penting lainnya, termasuk telomerase (dijumpai pada Bab 5)
dan partikel pengenal sinyal (yang kita bahas pada Bab 12),
juga diyakini berkumpul di nucleolus. Akhirnya, tRNA
(transfer RNA) yang membawa asam amino untuk sintesis
protein diproses di sana juga; seperti gen rRNA, tRNA yang
terkode itu dikelompokkan dalam nukleolus. Dengan
demikian, nukleolus dapat dianggap sebagai pabrik besar di
mana banyak RNA nonkode yang berbeda ditranskripsi,
diproses, dan dirangkai dengan protein untuk membentuk
berbagai macam kompleks ribonucleoprotein.
121
Gambar 45 Perubahan dalam penampilan nukleolus dalam sel
manusia selama siklus sel. Hanya inti sel yang direpresentasikan dalam
diagram ini. Pada sebagian besar sel eukariotik, amplop nuklir rusak
selama mitosis, seperti yang ditunjukkan oleh lingkaran putus-putus
Gambar 46 Fusi nuklir. Mikrograf
cahaya fibroblast manusia yang
tumbuh dalam kultur ini menunjukkan
berbagai tahap fusi nukleolar. Setelah
mitosis, masing-masing dari 10
kromosom manusia yang membawa
sekelompok gen rRNA mulai
membentuk nukleolus kecil, namun ini
dengan cepat bersatu saat mereka
tumbuh untuk membentuk nukleolus
besar tunggal yang khas dari banyak
sel interfase. (Atas perkenan E.G.
Jordan dan J. McGovern.)
122
Gambar 47 Fungsi nukleolus dalam ribosom dan sintesis
ribonukleoprotein lainnya. Prekursor rRNA 45S dikemas dalam partikel
ribonukleoprotein besar yang mengandung banyak protein ribosom yang
diimpor dari sitoplasma. Sementara partikel ini tetap di nukleolus,
potongan-potongan yang dipilih ditambahkan dan yang lainnya dibuang
karena diproses menjadi subunit ribosom besar dan kecil yang belum
dewasa. Dua subunit ribosom diperkirakan mencapai bentuk fungsional
akhirnya hanya karena masing-masing diangkut secara individu melalui
pori-pori nuklir ke sitoplasma. Kompleks ribonucleoprotein lain,
termasuk telomerase yang ditunjukkan di sini, juga dirakit dalam
nukleolus.
123
Inti Mengandung Berbagai Struktur Subnuklear
Meskipun nukleolus yaitu struktur yang paling
menonjol dalam nukleus, beberapa badan nuklir lainnya
telah diamati dan dipelajari (Gambar 48). Ini termasuk
tubuh Cajal (dinamai untuk ilmuwan yang pertama kali
menggambarkannya pada tahun 1906), GEMS (Gemini dari
tubuh Cajal), dan cluster granula interkromatin (juga disebut
"bintik"). Seperti nukleolus, struktur nuklir lainnya ini tidak
memiliki membran dan sangat dinamis; penampilan mereka
mungkin merupakan hasil dari hubungan erat antara protein
dan komponen RNA yang terlibat dalam sintesis, perakitan,
dan penyimpanan makromolekul yang terlibat dalam
ekspresi gen. Badan cajal dan permata menyerupai satu sama
lain dan sering dipasangkan di nukleus; tidak jelas apakah
mereka benar-benar mewakili struktur yang berbeda. Ini
kemungkinan merupakan lokasi di mana snoRNA dan
snRNA menjalani modifikasi kovalen dan perakitan akhir
dengan protein. Sekelompok pemandu RNA, disebut RNA
Cajal kecil (scaRNAs), memilih situs modifikasi ini melalui
pemasangan pasangan. Badan Cajal / GEMS juga dapat
berupa situs dimana snRNP didaur ulang dan RNA-nya
124
"diatur ulang" setelah pengaturan ulang yang terjadi selama
splicing (lihat hal. 352). Sebaliknya, kluster granula
interkromatin telah diusulkan sebagai stok snRNP yang
sepenuhnya matang dan komponen pemrosesan RNA
lainnya yang siap dipakai dalam produksi mRNA
(Gambar 49).
Para ilmuwan telah mengalami kesulitan dalam
mengerjakan fungsi struktur-struktur subnuklir kecil ini,
sebagian karena penampilan mereka berbeda di antara
organisme dan dapat berubah secara dramatis saat sel-sel
melintasi siklus sel atau menanggapi perubahan dalam
lingkungan mereka. Banyak kemajuan yang sekarang dibuat
tergantung pada alat-alat genetik, pemeriksaan efek mutasi
yang dirancang pada organisme model atau mutasi spontan
pada manusia. Sebagai salah satu contoh, GEMS
mengandung protein SMN (survival of motor neuron).
Mutasi gen tertentu yang mengkode protein ini yaitu
penyebab atrofi otot tulang belakang yang diwariskan,
penyakit manusia yang ditandai dengan pemborosan otot.
Penyakit ini tampaknya disebabkan oleh cacat dalam
125
produksi snRNP. Hilangnya SNRNP yang lebih lengkap
diharapkan akan mematikan.
Gambar 48 Visualisasi beberapa badan nuklir terkemuka. (A) - (D)
Mikrograf dari inti sel manusia yang sama, masing-masing diproses
untuk menunjukkan seperangkat struktur nuklir tertentu. (E) Keempat
gambar diperbesar dan ditumpangkan. (A) menunjukkan lokasi protein
fibrillarin (komponen dari beberapa snoRNPs), yang hadir di kedua
nukleolus dan tubuh Cajal, yang terakhir ditunjukkan oleh panah. (B)
menunjukkan kelompok granula interkromatin atau "bintik-bintik" yang
terdeteksi dengan menggunakan antibodi terhadap protein yang terlibat
dalam splicing pra-mRNA. (C) diwarnai untuk menunjukkan kromatin
massal. (D) menunjukkan lokasi protein coilin, yang ada di tubuh Cajal
(panah; lihat juga Gambar 4-67). (Dari J.R. Swedlow dan A.I. Lamond,
126
Jenderal Biol. 2:1-7, 2001. Dengan izin dari BioMed Central.
Micrographs milik Judith Sleeman.)
Gambar 49 Skema pandangan struktur subnuklir. Inti vertebrata tipikal
memiliki beberapa badan Cajal, yang diusulkan sebagai situs di mana
snRNPs dan snoRNPs menjalani modifikasi akhir mereka. Cluster
granula interkromatin diusulkan sebagai tempat penyimpanan untuk
snRNP yang sepenuhnya matang. Inti vertebrata yang khas memiliki 20-
50 kelompok granula interkromatin.
Setelah sintesis awal, snRNA diekspor dari nukleus untuk
menjalani pemrosesan akhir 5’ dan 3’ dan berkumpul dengan tujuh
protein snRNP yang umum (disebut protein Sm). Kompleks ini
dimasukkan kembali ke dalam nukleus dan snRNPs menjalani
modifikasi terakhirnya dengan scaRNAs di badan Cajal. Selain itu,
127
snoRNAs secara kimia mengubah snRNP U6 di nukleolus. Situs
transkripsi aktif dan splicing (sekitar 2000-3000 situs per nukleus
vertebrata) sesuai dengan "serat perichromatin" yang terlihat di bawah
mikroskop elektron. (Diadaptasi dari J.D. Lewis dan D. Tollervey,
Science 288: 1385–1389, 2000. Dengan izin dari AAAS.)
Mengingat pentingnya subdomain nuklir dalam
pemrosesan RNA, mungkin diharapkan bahwa
penyambungan pra-mRNA akan terjadi di lokasi tertentu
dalam inti, karena memerlukan banyak komponen RNA dan
protein. Namun, perakitan komponen penyambungan pada
pre-mRNA yaitu co-transkripsional; dengan demikian,
splicing harus terjadi di banyak lokasi di sepanjang
kromosom. Meskipun sel mamalia tipikal mungkin
mengekspresikan pada urutan 15.000 gen, transkripsi dan
splicing RNA dapat dilokalisasi ke hanya beberapa ribu situs
di dalam nukleus. Situs-situs ini sendiri sangat dinamis dan
mungkin hasil dari asosiasi komponen transkripsi dan
penyambungan untuk membuat "jalur perakitan" kecil
dengan konsentrasi lokal yang tinggi dari komponen-
komponen ini. Cluster granula interkromatin yang
mengandung timbunan komponen pemrosesan RNA sering
diamati di sebelah lokasi transkripsi, seolah siap untuk
128
menambah persediaan. Dengan demikian, nukleus
tampaknya sangat terorganisir menjadi subdomain, dengan
snRNPs, snoRNPs, dan komponen nuklir lainnya bergerak
di antara mereka secara teratur sesuai dengan kebutuhan sel
(lihat Gambar 48; juga lihat Gambar 4–69).
Ringkasan
Sebelum sintesis protein tertentu dapat dimulai, molekul
mRNA yang sesuai harus diproduksi dengan transkripsi. Bakteri
mengandung satu jenis RNA polimerase (enzim yang melakukan
transkripsi DNA menjadi RNA). Molekul mRNA diproduksi saat
enzim ini menginisiasi transkripsi pada promotor, mensintesis RNA
dengan perpanjangan rantai, menghentikan transkripsi pada
terminator, dan melepaskan contoh DNA dan molekul mRNA
yang lengkap. Dalam sel eukariotik, proses transkripsi jauh lebih
kompleks, dan ada tiga RNA polimerase, polimerase I, II, dan III
yang terkait secara evolusioner satu sama lain dan dengan
bakteriase polimerase.
RNA polimerase II mensintesis mRNA eukariotik. Enzim ini
membutuhkan serangkaian protein tambahan, faktor transkripsi
umum, untuk memulai transkripsi pada contoh DNA yang
129
dimurnikan, dan masih banyak lagi protein (termasuk kompleks
remodeling kromatin dan enzim pengubah histone) untuk memulai
transkripsi pada contoh kromatin di dalam sel.
Selama fase pemanjangan transkripsi, RNA yang baru lahir
mengalami tiga jenis peristiwa pemrosesan: nukleotida khusus
ditambahkan ke ujung 5’ (capping), urutan intron dihapus dari
tengah molekul RNA (splicing), dan 3’ akhir RNA dihasilkan
(pembelahan dan polyadenylation). Masing-masing proses ini
diprakarsai oleh protein yang berjalan bersama dengan RNA
polimerase II dengan mengikat ke situs pada ekor C-terminal yang
panjang dan diperpanjang. Mencetak tidak biasa karena banyak
langkah kuncinya dilakukan oleh molekul RNA khusus dibandingkan
protein. MRNA yang diproses dengan benar dilewatkan melalui
kompleks pori nuklir ke dalam sitosol, di mana mereka
diterjemahkan menjadi protein.
Untuk beberapa gen, RNA yaitu produk akhir. Pada
eucaryotes, gen-gen ini biasanya ditranskripsi oleh RNA polimerase
I atau RNA polimerase III. RNA polimerase I membuat RNA
ribosom. Setelah sintesisnya sebagai prekursor besar, rRNA
dimodifikasi secara kimia, dibelah, dan dirangkai menjadi dua
subunit ribosom di nukleolus — struktur subnuklear berbeda yang
130
juga membantu memproses beberapa kompleks protein RNA yang
lebih kecil di dalam sel. Struktur subnuklir tambahan (termasuk
badan Cajal dan kluster granula interkromatin) yaitu tempat di
mana komponen yang terlibat dalam pemrosesan RNA dirakit,
disimpan, dan didaur ulang.
DARI RNA KE PROTEIN
Pada bagian sebelumnya kita telah melihat bahwa
produk akhir dari beberapa gen yaitu molekul RNA itu
sendiri, seperti yang ada di snRNPs dan di ribosom. Namun,
sebagian besar gen dalam sel menghasilkan molekul mRNA
yang berfungsi sebagai perantara dalam jalur menuju
protein. Pada bagian ini kita menguji bagaimana sel
mengubah informasi yang dibawa dalam molekul mRNA
menjadi molekul protein. Prestasi penerjemahan ini menjadi
fokus perhatian para ahli biologi pada akhir 1950-an, saat
diajukan sebagai "masalah pengkodean": bagaimana
informasi dalam urutan linear nukleotida dalam RNA
diterjemahkan ke dalam urutan linear dari serangkaian kimia
yang sangat berbeda unit — asam amino dalam protein?
Pertanyaan yang menarik ini merangsang kegembiraan besar
131
di antara para ilmuwan saat itu. Inilah kriptogram yang
dibuat oleh alam yang, setelah lebih dari 3 miliar tahun
evolusi, akhirnya dapat dipecahkan oleh salah satu produk
evolusi — manusia. Dan memang, kode itu tidak hanya
retak secara bertahap, namun pada tahun 2000 struktur mesin
rumit tempat sel membaca kode ini — ribosom — akhirnya
terungkap dalam detail atom.
Sekuens mRNA Didekodekan dalam Set Tiga Nukleotida
Setelah mRNA diproduksi melalui transkripsi dan
pemrosesan, informasi yang ada dalam urutan nukleotidanya
dipakai untuk mensintesis protein. Transkripsi mudah
dipahami sebagai sarana transfer informasi: karena DNA
dan RNA secara kimia dan struktural serupa, DNA dapat
bertindak sebagai contoh langsung untuk sintesis RNA
dengan pemasangan pasangan basa komplementer. Seperti
istilah transkripsi menandakan, seolah-olah pesan yang
ditulis dengan tangan sedang dikonversi, katakanlah,
menjadi teks yang diketik. Bahasa itu sendiri dan bentuk
pesan tidak berubah, dan simbol yang dipakai terkait erat.
132
Sebaliknya, konversi informasi dalam RNA menjadi
protein mewakili terjemahan informasi ke bahasa lain yang
menggunakan simbol yang sangat berbeda. Selain itu, karena
hanya ada 4 nukleotida berbeda dalam mRNA dan 20 jenis
asam amino dalam protein, terjemahan ini tidak dapat
dijelaskan dengan korespondensi satu-ke-satu langsung
antara nukleotida dalam RNA dan asam amino dalam
protein. Urutan nukleotida gen, melalui perantara mRNA,
diterjemahkan ke dalam urutan asam amino protein dengan
aturan yang dikenal sebagai kode genetik. Kode ini diuraikan
pada awal 1960-an.
Urutan nukleotida dalam molekul mRNA dibaca
dalam tiga kelompok berturut-turut. RNA yaitu polimer
linier dari empat nukleotida yang berbeda, jadi ada 4 x 4 x 4
= 64 kemungkinan kombinasi dari tiga nukleotida: kembar
tiga AAA, AUA, AUG, dan sebagainya. Namun, hanya 20
asam amino berbeda yang biasa ditemukan dalam protein.
Entah beberapa triplet nukleotida tidak pernah dipakai ,
atau kodenya redundan dan beberapa asam amino
ditentukan oleh lebih dari satu triplet. Kemungkinan kedua
yaitu , pada kenyataannya, yang benar, seperti yang
133
ditunjukkan oleh kode genetik yang sepenuhnya diuraikan
dalam Gambar 50. Setiap kelompok tiga nukleotida berturut-
turut dalam RNA disebut kodon, dan masing-masing kodon
menentukan salah satu asam amino atau menghentikan
proses penerjemahan.
Kode genetik ini dipakai secara universal di semua
organisme masa kini. Meskipun sedikit perbedaan dalam
kode telah ditemukan, ini terutama dalam DNA
mitokondria. Mitokondria memiliki sistem transkripsi dan
sintesis protein mereka sendiri yang beroperasi cukup
independen dari sel-sel lainnya, dan dapat dimengerti bahwa
genom kecil mereka telah mampu mengakomodasi
perubahan kecil pada kode (dibahas pada Bab 14).
Gambar 50 Kode genetik. Singkatan satu huruf standar untuk setiap
asam amino disajikan di bawah singkatan tiga hurufnya (lihat Panel 3–1,
hlm. 128–129, untuk nama lengkap masing-masing asam amino dan
strukturnya). Berdasarkan konvensi, kodon selalu ditulis dengan
nukleotida terminal 5 ke kiri. Perhatikan bahwa sebagian besar asam
134
amino diwakili oleh lebih dari satu kodon, dan bahwa ada beberapa
keteraturan dalam himpunan kodon yang menentukan masing-masing
asam amino. Kodon untuk asam amino yang sama cenderung
mengandung nukleotida yang sama pada posisi pertama dan kedua, dan
bervariasi pada posisi ketiga. Tiga kodon tidak menentukan asam amino
apa pun namun bertindak sebagai tempat terminasi (stop kodon),
menandakan akhir dari urutan pengkodean protein. Satu kodon — AUG
— bertindak baik sebagai kodon inisiasi, menandakan awal dari pesan
pengkode protein, dan juga sebagai kodon yang menentukan metionin.
Pada prinsipnya, urutan RNA dapat diterjemahkan
dalam salah satu dari tiga frame pembacaan yang berbeda,
tergantung di mana proses decoding dimulai (Gambar –51).
Namun, hanya satu dari tiga kerangka bacaan yang
memungkinkan dalam mRNA yang mengkode protein yang
dibutuhkan. Kita melihat nanti bagaimana sinyal tanda baca
khusus pada awal setiap pesan RNA menetapkan kerangka
pembacaan yang benar pada awal sintesis protein.
135
Molekul tRNA Cocokkan As
Amino dengan Codon dalam mRNA
Kodon dalam molekul mRNA tidak secara langsung
mengenali asam amino yang ditentukan: kelompok tiga
nukleotida tidak, misalnya, berikatan langsung dengan asam
amino. Sebaliknya, terjemahan mRNA menjadi protein
Gambar 51 Tiga kerangka bacaan yang memungkinkan
dalam sintesis protein. Dalam proses menerjemahkan
urutan nukleotida (biru) menjadi urutan asam amino
(merah), urutan nukleotida dalam molekul mRNA dibaca
dari ujung 5’ hingga ujung 3’ dalam rangkaian tiga
nukleotida berturut-turut. Pada prinsipnya, oleh karena itu,
urutan RNA yang sama dapat menentukan tiga urutan
asam amino yang sangat berbeda, tergantung pada
kerangka bacaan. Namun pada kenyataannya, hanya
satu dari kerangka bacaan ini yang mengandung pesan
aktual.
136
tergantung pada molekul adaptor yang dapat mengenali dan
mengikat kodon dan, di situs lain di permukaannya, dengan
asam amino. Adaptor ini terdiri dari seperangkat molekul
RNA kecil yang dikenal sebagai transfer RNA (tRNA),
masing-masing panjangnya sekitar 80 nukleotida.
Kita telah melihat sebelumnya dalam bab ini bahwa
molekul RNA dapat dilipat menjadi struktur tiga dimensi
yang tepat, dan molekul tRNA memberikan contoh yang
mencolok. Empat segmen pendek dari tRNA terlipat yaitu
heliks ganda, menghasilkan molekul yang terlihat seperti
daun semanggi saat digambar secara skematis (Gambar –
52). Misalnya, urutan 5’ -GCUC-3’ di satu bagian rantai
polinukleotida dapat membentuk hubungan yang relatif kuat
dengan urutan 5’ -GAGC-3’ di wilayah lain dari molekul
yang sama. Daun semanggi mengalami pelipatan lebih lanjut
untuk membentuk struktur berbentuk L yang kompak yang
disatukan oleh ikatan hidrogen tambahan antara berbagai
daerah molekul.
137
Gambar 52 Molekul tRNA. Sebuah tRNA spesifik untuk fenilalanin
asam amino (Phe) digambarkan dalam berbagai cara. (A) Struktur daun
semanggi menunjukkan pemasangan pasangan basa komplementer (garis
merah) yang menciptakan daerah heliks ganda dari molekul. Antikodon
yaitu urutan tiga nukleotida yang berpasangan dengan kodon dalam
mRNA. Asam amino yang cocok dengan pasangan kodon / antikodon
dilekatkan pada ujung 3’ tRNA. tRNA mengandung beberapa basa yang
tidak biasa, yang diproduksi oleh modifikasi kimia setelah tRNA
disintesis. Misalnya, basa-basa yang dilambangkan y (pseudouridine —
lihat Gambar –43) dan D (dihidrouridin — lihat Gambar –55) berasal
dari urasil. (B dan C) Tampilan molekul berbentuk-L, berdasarkan
analisis difraksi sinar-x. Meskipun diagram ini menunjukkan tRNA
untuk fenilalanin asam amino, semua tRNA lainnya memiliki struktur
yang serupa. <CGCA>. (D) Urutan nukleotida linear dari molekul, kode
138
warna untuk mencocokkan (A), (B), dan (C). (E) Ikon tRNA yang kami
tuntut dalam buku ini.
Dua daerah nukleotida tidak berpasangan terletak di
kedua ujung molekul berbentuk L sangat penting untuk
fungsi tRNA dalam sintesis protein. Salah satu daerah ini
membentuk antikodon, satu set tiga nukleotida berturut-turut
yang berpasangan dengan kodon pelengkap dalam molekul
mRNA. Yang lainnya yaitu daerah beruntai tunggal
pendek di ujung 3’ molekul; ini yaitu situs di mana asam
amino yang cocok dengan kodon melekat pada tRNA. Kita
telah melihat di bagian sebelumnya bahwa kode genetik itu
berlebihan; yaitu, beberapa kodon yang berbeda dapat
menentukan asam amino tunggal (lihat Gambar 50).
Redundansi ini menyiratkan bahwa ada lebih dari satu
tRNA untuk banyak asam amino atau beberapa molekul
tRNA dapat berpasangan dengan lebih dari satu kodon.
Faktanya, kedua situasi terjadi. Beberapa asam amino
memiliki lebih dari satu tRNA dan beberapa tRNA dibangun
sehingga mereka membutuhkan pasangan basa yang akurat
hanya pada dua posisi pertama kodon dan dapat mentolerir
ketidakcocokan (atau goyangan) di posisi ketiga (Gambar
139
53). Pasangan basa goyah ini menjelaskan mengapa begitu
banyak kodon alternatif untuk asam amino hanya berbeda
dalam nukleotida ketiga (lihat Gambar 50). Pada bakteri,
pasangan basa goyangan memungkinkan untuk
mencocokkan 20 asam amino dengan 61 kodonnya dengan
sedikitnya 31 jenis molekul tRNA. Namun, jumlah pasti dari
berbagai jenis tRNA berbeda dari satu spesies ke spesies
lainnya. Sebagai contoh, manusia memiliki hampir 500 gen
tRNA namun , di antara mereka, hanya 48 antikodon yang
berbeda terwakili.
tRNA Dimodifikasi Secara Kovensional Sebelum Keluar
dari Inti
Seperti kebanyakan RNA eukariotik lainnya, tRNA
dimodifikasi secara kovalen sebelum diizinkan keluar dari
nukleus. TRNA eukariotik disintesis oleh RNA polimerase
III. Baik tRNA bakteri dan eukariotik biasanya disintesis
sebagai tRNA prekursor yang lebih besar, yang kemudian
dipangkas untuk menghasilkan tRNA dewasa. Selain itu,
beberapa prekursor tRNA (dari bakteri dan eucaryotes)
mengandung intron yang harus disambungkan. Reaksi
140
penyambungan ini berbeda secara kimia dari penyambungan
pra-mRNA; dibandingkan menghasilkan perantara lariat,
splicing tRNA menggunakan mekanisme cut-and-paste yang
dikatalisis oleh protein (Gambar 54). Pemangkasan dan
penyambungan keduanya membutuhkan prekursor tRNA
untuk dilipat dengan benar dalam konfigurasi cloverleaf-nya.
Karena prekursor tRNA yang tidak dilipat tidak akan
diproses dengan benar, reaksi pemangkasan dan
penyambungan dianggap bertindak sebagai langkah kontrol
kualitas dalam pembuatan tRNA.
Semua tRNA dimodifikasi secara kimia hampir 1 dari
10 nukleotida dalam setiap molekul tRNA matang yaitu
versi yang diubah dari standar G, U, C, atau A
ribonukleotida. Lebih dari 50 jenis modifikasi tRNA
diketahui; beberapa ditunjukkan pada Gambar 55. Beberapa
nukleotida termodifikasi terutama inosin, yang dihasilkan
oleh deaminasi adenosin mempengaruhi konformasi dan
basepairing antikodon dan dengan demikian memudahkan
pengenalan kodon mRNA yang sesuai oleh molekul tRNA
(lihat Gambar 53). Yang lain memengaruhi keakuratan
tRNA yang melekat pada asam amino yang benar.
141
142
Gambar 53 Goyangan pasangan antara kodon dan antikodon.
Jika nukleotida yang tercantum dalam kolom pertama hadir
pada posisi ketiga, atau goyangan, dari kodon, ia dapat
mendasarkan dengan pasangan nukleotida yang tercantum
dalam kolom kedua. Jadi, misalnya, saat inosin (I) hadir
dalam posisi goyangan dari antikodon tRNA, tRNA dapat
mengenali salah satu dari tiga kodon berbeda dalam bakteri dan
salah satu dari dua kodon pada eucaryotes. Inosin dalam tRNA
terbentuk dari deaminasi guanin (lihat Gambar –55), modifikasi
kimia yang terjadi setelah tRNA disintesis. Pasangan basa tidak
standar, termasuk yang dibuat dengan inosin, umumnya lebih
lemah dari pasangan basa konvensional. Perhatikan bahwa
pemasangan pasangan kodon-antikodon lebih ketat pada posisi
1 dan 2 kodon: di sini hanya pasangan basa konvensional yang
diizinkan. Perbedaan dalam interaksi pasangan basa goyangan
antara bakteri dan eucaryotes mungkin hasil dari perbedaan
struktural yang halus antara ribosom bakteri dan eucaryotic,
mesin molekuler yang melakukan sintesis protein. (Diadaptasi
dari C. Guthrie dan J. Abelson, dalam Biologi Molekuler Ragi
Saccharomyces: Metabolisme dan Ekspresi Gen, hlm. 487-528.
Cold Spring Harbor, New York: Cold Spring Harbor Laboratory
Press, 1982.)
143
Gambar 54 Struktur endonuklease splicing tRNA berlabuh
ke tRNA prekursor. Endonuklease (enzim empat-subunit)
menghilangkan intron tRNA (biru). Enzim kedua, tRNA ligase
multifungsi (tidak diperlihatkan), kemudian
menggabungkan dua bagian tRNA menjadi satu. (Atas
perkenan Hong Li, Christopher Trotta dan John Abelson.)
144
Gambar 55A beberapa nukleotida yang tidak biasa ditemukan dalam
molekul tRNA. Nukleotida ini dihasilkan oleh modifikasi kovalen dari
nukleotida normal setelah dimasukkan ke dalam rantai RNA. Dua jenis
nukleotida termodifikasi ditunjukkan pada Gambar 43. Pada sebagian
besar molekul tRNA, sekitar 10% nukleotida dimodifikasi (lihat Gambar
52).
145
Enzim Khusus Menyatukan Setiap Asam Amino dengan
Molekul tRNA yang Sesuai
Kita telah melihat bahwa, untuk membaca kode
genetik dalam DNA, sel membuat serangkaian tRNA yang
berbeda. Kami sekarang mempertimbangkan bagaimana
setiap molekul tRNA menjadi terkait dengan satu asam
amino dalam 20 yang merupakan mitra yang tepat.
Pengakuan dan perlekatan asam amino yang benar
tergantung pada enzim yang disebut aminoacyl-tRNA
synthetases, yang secara kovalen memasangkan setiap asam
amino ke set molekul tRNA yang sesuai (Gambar 56 dan
Gambar 57). Sebagian besar sel memiliki enzim sintetase
yang berbeda untuk setiap asam amino (yaitu, 20 sintetase
semuanya); satu menempel glisin ke semua tRNA yang
mengenali kodon untuk glisin, yang lain menempel alanin ke
semua tRNA yang mengenali kodon untuk alanin, dan
sebagainya. Banyak bakteri, bagaimanapun, memiliki kurang
dari 20 sintetase, dan enzim sintetase yang sama
bertanggung jawab untuk menggabungkan lebih dari satu
asam amino dengan tRNA yang sesuai. Dalam kasus ini,
sebuah sintetase tunggal menempatkan asam amino yang
146
identik pada dua jenis tRNA yang berbeda, hanya satu yang
memiliki antikodon yang cocok dengan asam amino. Enzim
kedua kemudian secara kimia memodifikasi setiap asam
amino yang melekat secara "salah" sehingga sekarang sesuai
dengan antikodon yang ditunjukkan oleh tRNA yang terkait
secara kovalen.
Gambar 56 Aktivasi asam minmin. Asam amino diaktifkan untuk
sintesis protein oleh enzim aminoasil-tRNA sintetase dalam dua langkah.
Enzim sintetase dalam dua langkah. Seperti yang ditunjukkan, energi
hidrolisis ATP dipakai untuk mengikat setiap asam amino ke molekul
tRNA-nya dalam hubungan energi tinggi. Asam amino pertama-tama
diaktifkan melalui hubungan gugus karboksilnya langsung ke bagian
AMP, membentuk asam amino adenilasi; hubungan AMP, biasanya
147
reaksi yang tidak menguntungkan, didorong oleh hidrolisis molekul ATP
yang menyumbangkan AMP. Tanpa meninggalkan enzim sintetase,
gugus karboksil AMPlinked pada asam amino kemudian dipindahkan ke
gugus hidroksil pada gula pada ujung 3’ dari molekul tRNA.
Pemindahan ini menggabungkan asam amino dengan hubungan ester
teraktivasi ke tRNA dan membentuk molekul aminoasil-tRNA akhir.
Enzim sintetase tidak ditunjukkan dalam diagram ini.
Gambar –57 Struktur hubungan aminoasil-tRNA. Ujung karboksil dari
asam amino membentuk ikatan ester terhadap ribosa. Karena hidrolisis
ikatan ester ini dikaitkan dengan perubahan besar yang menguntungkan
dalam energi bebas, asam amino yang ditahan dengan cara ini dikatakan
diaktifkan. (A) Gambar skematis struktur. Asam amino terkait dengan
nukleotida pada ujung 3’ tRNA (lihat Gambar 52). (B) Struktur aktual
148
yang sesuai dengan wilayah kotak di (A). Ada dua kelas utama enzim
sintetase: satu menghubungkan asam amino langsung ke kelompok 3’ -
OH dari ribosa, dan yang lain menghubungkannya awalnya ke kelompok
2’-OH. Dalam kasus terakhir, reaksi transesterifikasi selanjutnya
menggeser asam amino ke posisi 3’. Seperti pada Gambar 56, “grup R”
menunjukkan rantai samping asam amino.
Reaksi yang dikatalisis oleh sintetase yang
menempelkan asam amino ke ujung 3 ‘tRNA yaitu salah
satu dari banyak reaksi yang digabungkan dengan hidrolisis
ATP yang melepaskan energi (lihat hal. 79-81), dan
menghasilkan ikatan energi tinggi antara tRNA dan asam
amino. Energi ikatan ini dipakai pada tahap selanjutnya
dalam sintesis protein untuk menghubungkan asam amino
secara kovalen dengan rantai polipeptida yang sedang
tumbuh.
Enzim aminoetil-tRNA synthetase dan tRNA sama
pentingnya dalam proses dekode (Gambar 58). Ini didirikan
oleh percobaan di mana satu asam amino (sistein) secara
kimia diubah menjadi asam amino yang berbeda (alanin)
setelah sudah melekat pada tRNA spesifiknya. saat
molekul-molekul aminoasil-tRNA "hibrid" seperti itu
dipakai untuk sintesis protein dalam sistem bebas-sel,
149
asam amino yang salah dimasukkan pada setiap titik dalam
rantai protein tempat tRNA itu dipakai . Meskipun,
seperti yang akan kita lihat, sel memiliki beberapa
mekanisme kontrol kualitas untuk menghindari jenis
kecelakaan ini, percobaan menetapkan bahwa kode genetik
diterjemahkan oleh dua set adapter yang bertindak
berurutan. Masing-masing mencocokkan satu permukaan
molekul dengan lainnya dengan kekhususan yang besar, dan
merupakan tindakan gabungan mereka yang
menghubungkan setiap urutan tiga nukleotida dalam
molekul mRNA yaitu, masing-masing kodon dengan asam
amino khususnya
150
Gambar 58 Kode genetik diterjemahkan dengan menggunakan dua
adapter yang bertindak satu demi satu. Adaptor pertama yaitu
aminoacyl-tRNA synthetase, yang memasangkan asam amino tertentu
dengan tRNA yang sesuai; adaptor kedua yaitu molekul tRNA itu
sendiri, yang antikodonnya membentuk pasangan basa dengan kodon
yang sesuai pada mRNA. Kesalahan dalam setiap langkah akan
menyebabkan asam amino yang salah dimasukkan ke dalam rantai
protein. Dalam urutan kejadian yang ditunjukkan, asam amino triptofan
(Trp) dipilih oleh kodon UGG pada mRNA.
Editing oleh tRNA Synthetases Memastikan Akurasi
Beberapa mekanisme yang bekerja bersama
memastikan bahwa tRNA synthetase menghubungkan asam
amino yang benar dengan masing-masing tRNA. Sintetase
pertama-tama harus memilih asam amino yang benar, dan
sebagian besar sintetase melakukannya dengan mekanisme
dua langkah. Pertama, asam amino yang benar memiliki
afinitas tertinggi untuk kantong aktif-situs sintetase-nya, dan
karena itu lebih disukai dibandingkan yang lain 19. Secara
khusus, asam amino yang lebih besar dari yang benar secara
efektif dikeluarkan dari situs aktif. Namun, diskriminasi
yang akurat antara dua asam amino yang sama, seperti
isoleusin dan valin (yang berbeda hanya dengan kelompok
151
metil), sangat sulit dicapai dengan mekanisme pengenalan
satu langkah. Langkah diskriminasi kedua terjadi setelah
asam amino secara kovalen terkait dengan AMP (lihat
Gambar 56). saat tRNA mengikat sintetase, ia mencoba
untuk memaksa asam amino ke dalam kantong kedua di
synthetase, dimensi tepat yang tidak termasuk asam amino
yang benar namun memungkinkan akses oleh asam amino
yang terkait erat. Setelah asam amino memasuki kantung
pengeditan ini, asam terhidrolisis dari AMP (atau dari tRNA
itu sendiri jika ikatan aminoasil-tRNA telah terbentuk), dan
dilepaskan dari enzim. Pengeditan hidrolitik ini, yang analog
dengan proofreading eksonukleolitik oleh DNA polimerase
(Gambar 59), meningkatkan akurasi pengisian tRNA secara
keseluruhan hingga sekitar satu kesalahan dalam 40.000
sambungan.
152
Gambar 59 Pengeditan Hidrolitik. (A) tRNA synthetases
menghilangkan kesalahan kopling mereka sendiri melalui pengeditan
hidrolitik asam amino yang salah pasang. Seperti yang dijelaskan dalam
teks, asam amino yang benar ditolak oleh situs pengeditan. (B) Proses
koreksi kesalahan yang dilakukan oleh DNA polimerase menunjukkan
153
beberapa kesamaan; Namun, ini berbeda sejauh proses penghapusan
sangat bergantung pada kesalahan pemasangan dengan contohe (lihat
Gambar 5-8).
TRNA synthetase juga harus mengenali set tRNA yang
benar, dan komplementaritas struktural dan kimia yang luas
antara synthetase dan tRNA memungkinkan synthetase
untuk menyelidiki berbagai fitur tRNA (Gambar 60).
Kebanyakan sintetik tRNA secara langsung mengenali
antikodon tRNA yang cocok; sintetase ini mengandung tiga
kantong pengikat nukleotida yang berdekatan, masing-
masing bentuknya saling melengkapi dan mengisi ke
nukleotida dalam antikodon. Untuk sintetase lain, urutan
nukleotida batang akseptor yaitu penentu utama
pengenalan. Namun dalam banyak kasus, synthetase
“membaca” nukleotida pada beberapa posisi berbeda pada
tRNA
154
Gambar 60 Pengakuan molekul tRNA oleh sintetase aminoasil-
tRNA-nya. Untuk tRNA ini (tRNAGln), nukleotida spesifik di
antikodon (bawah) dan lengan penerima asam amino
memungkinkan tRNA yang benar untuk dikenali oleh enzim
sintetase (biru). Molekul ATP yang terikat berwarna kuning. (Atas
perkenan Tom Steitz.)
155
Asam Amino Ditambahkan ke Ujung Terminal-C dari
Rantai Polipeptida Tumbuh
Setelah melihat bahwa asam amino pertama kali
digabungkan ke molekul tRNA, kita sekarang beralih ke
mekanisme yang menggabungkan asam amino bersama
untuk membentuk protein. Reaksi mendasar dari sintesis
protein yaitu pembentukan ikatan peptida antara gugus
karboksil pada akhir rantai polipeptida yang sedang tumbuh
dan gugus amino bebas pada asam amino yang masuk.
Akibatnya, protein disintesis secara bertahap dari ujung
terminal N ke ujung terminal C. Sepanjang seluruh proses
ujung karboksil yang tumbuh dari rantai polipeptida tetap
diaktifkan oleh ikatan kovalennya dengan molekul tRNA
(membentuk peptidil-tRNA). Setiap penambahan
mengganggu hubungan kovalen berenergi tinggi ini, namun
segera menggantinya dengan hubungan identik pada asam
amino yang baru ditambahkan (Gambar 61). Dengan cara
ini, setiap asam amino yang ditambahkan membawa energi
aktivasi untuk penambahan asam amino berikutnya dibandingkan
energi untuk penambahannya sendiri sebuah contoh dari tipe
156
"pertumbuhan kepala" dari polimerisasi yang dijelaskan pada
Gambar 2-68.
Gambar 61 Penggabungan asam amino ke dalam protein. Rantai
polipeptida tumbuh dengan penambahan asam amino bertahap ke ujung
terminal-C. Pembentukan setiap ikatan peptida sangat menguntungkan
karena terminal-C yang sedang tumbuh telah diaktifkan oleh perlekatan
kovalen dari molekul tRNA. Hubungan peptidil-tRNA yang
mengaktifkan ujung tumbuh diregenerasi selama setiap penambahan. .
Rantai samping asam amino telah disingkat sebagai R1, R2, R3, dan R4;
sebagai titik referensi, semua atom dalam asam amino kedua dalam
rantai polipeptida berwarna abu-abu. Gambar tersebut menunjukkan
penambahan asam amino keempat (merah) ke rantai tumbuh.
157
Pesan RNA diterjemahkan dalam Ribosom
Sintesis protein dipandu oleh informasi yang dibawa
oleh molekul mRNA. Untuk mempertahankan kerangka
bacaan yang benar dan untuk memastikan keakuratan
(sekitar 1 kesalahan setiap 10.000 asam amino), sintesis
protein dilakukan dalam ribosom, mesin katalitik kompleks
yang terbuat dari lebih dari 50 protein berbeda (protein
ribosom) dan beberapa molekul RNA, yang RNA ribosom
(rRNA). <CGCC> Sel eukariotik yang khas mengandung
jutaan ribosom dalam sitoplasma (Gambar 62). Subunit
ribosom eukariotik berkumpul di nukleolus, saat rRNA
yang baru ditranskripsi dan dimodifikasi berhubungan
dengan protein ribosom, yang telah diangkut ke dalam
nukleus setelah sintesisnya dalam sitoplasma. Dua subunit
ribosom kemudian diekspor ke sitoplasma, di mana mereka
bergabung bersama untuk mensintesis protein.
Ribosom eukariotik dan procaryotic memiliki desain
dan fungsi yang serupa. Keduanya terdiri dari satu subunit
besar dan satu kecil yang cocok bersama untuk membentuk
ribosom lengkap dengan massa beberapa juta dalton
(Gambar –63). Subunit kecil menyediakan kerangka kerja di
158
mana tRNA dapat akurat cocok dengan kodon mRNA (lihat
Gambar 58), sedangkan subunit besar mengkatalisis
pembentukan ikatan peptida yang menghubungkan asam
amino bersama-sama menjadi rantai polipeptida (lihat
Gambar 61).
Gambar 62 Ramosom dalam sitoplasma sel eukariotik. Mikrograf
elektron ini menunjukkan bagian tipis dari daerah kecil sitoplasma.
Ribosom muncul sebagai titik-titik hitam (panah merah). Beberapa bebas
di sitosol; yang lain melekat pada membran retikulum endoplasma. (Atas
perkenan Daniel S. Friend.)
159
Gambar 63A perbandingan ribosom procaryotic dan eukariotik.
Meskipun terdapat perbedaan dalam jumlah dan ukuran komponen
rRNA dan proteinnya, ribosom procaryotic dan eukariotik memiliki
struktur yang hampir sama dan fungsinya sama. Meskipun rRNA 18S
dan 28S dari ribosom eukariotik mengandung banyak nukleotida yang
tidak ada dalam bakteri, nukleotida ini hadir sebagai beberapa insersi
yang membentuk domain ekstra dan membuat struktur dasar masing-
masing rRNA sebagian besar tidak berubah.
saat tidak secara aktif mensintesis protein, dua
subunit dari ribosom terpisah. Mereka bergabung bersama
pada molekul mRNA, biasanya mendekati ujung 5’, untuk
160
memulai sintesis protein. MRNA kemudian ditarik melalui
ribosom; saat kodonnya memasuki inti ribosom, urutan
nukleotida mRNA diterjemahkan menjadi sekuens asam
amino menggunakan tRNA sebagai adaptor untuk
menambahkan masing-masing asam amino dalam urutan
yang benar ke ujung rantai polipeptida yang sedang tumbuh.
saat berhenti kodon ditemukan, ribosom melepaskan
protein jadi, dan dua subunitnya terpisah lagi. Subunit-
subunit ini kemudian dapat dipakai untuk memulai
sintesis protein lain pada molekul mRNA lain.
161
Gambar 64 Situs pengikatan RNA di ribosom. Setiap ribosom memiliki
satu situs pengikatan untuk mRNA dan tiga situs pengikatan untuk
tRNA: situs A-, P-, dan E (kependekan dari aminoasil-tRNA, peptidyl-
tRNA, dan masing-masing keluar). (A) Ribosom bakteri dilihat dengan
subunit kecil di depan (hijau gelap) dan subunit besar di belakang (hijau
terang). Baik rRNA dan protein ribosom ditampilkan. tRNA ditampilkan
terikat di situs-E (merah), situs-P (oranye) dan situs-A (kuning).
Meskipun ketiga situs tRNA ditunjukkan ditempati di sini, selama proses
sintesis protein tidak lebih dari dua situs ini dianggap mengandung
molekul tRNA pada satu waktu (lihat Gambar 66). (B) Subunit ribosom
besar dan kecil disusun seolah-olah ribosom dalam (A) dibuka seperti
buku. (C) Ribosom dalam (A) diputar hingga 90º dan dilihat dengan
subunit besar di atas dan subunit kecil di bagian bawah. (D) Representasi
skematis dari ribosom (dalam orientasi yang sama dengan C), yang akan
dipakai dalam gambar berikutnya. (A, B, dan C, diadaptasi dari M.M.
Yusupov et al., Sains 292: 883-896, 2001. Dengan izin dari AAAS; milik
Albion Baucom dan Harry Noller.)
Gambar 65 Jalur mRNA (biru)
melalui subunit ribosom kecil.
Orientasinya sama dengan yang ada
di panel kanan Gambar 64B. (Atas
perkenan Harry F. Noller,
berdasarkan data dalam G.Z.
Yusopova et al., Sel 106: 233–241,
2001. Dengan izin dari Elsevier.)
162
Ribosom beroperasi dengan efisiensi luar biasa: dalam
satu detik, satu ribosom sel eukariotik menambahkan sekitar
2 asam amino ke rantai polipeptida; ribosom sel bakteri
bekerja lebih cepat, dengan laju sekitar 20 asam amino per
detik. Bagaimana koreografi ribosom yang banyak gerakan
terkoordinasi diperlukan untuk terjemahan efisien? Ribosom
mengandung empat situs pengikatan untuk molekul RNA:
satu untuk mRNA dan tiga (disebut situs-A, situs-P, dan
situs-E) yaitu untuk tRNA (Gambar 64). Molekul tRNA
dipegang erat di situs A- dan P hanya jika antikodonnya
membentuk pasangan basa dengan kodon komplementer
(memungkinkan goyangan) pada molekul mRNA yang
dijalin melalui ribosom (Gambar 65). Situs A- dan P-cukup
berdekatan untuk dua molekul tRNA mereka dipaksa untuk
membentuk pasangan basa dengan kodon yang berdekatan
pada molekul mRNA. Fitur ribosom ini mempertahankan
bingkai pembacaan yang benar pada mRNA. Setelah sintesis
protein telah dimulai, setiap asam amino baru ditambahkan
ke rantai memanjang dalam siklus reaksi yang mengandung
empat langkah utama: pengikatan tRNA, pembentukan
ikatan peptida, translokasi subunit besar dan subunit kecil.
Sebagai hasil dari dua langkah translokasi, seluruh ribosom
163
menggerakkan tiga nukleotida di sepanjang mRNA dan
diposisikan untuk memulai siklus berikutnya. (Gambar 66).
Deskripsi kami tentang proses pemanjangan rantai dimulai
pada titik di mana beberapa asam amino telah dihubungkan
bersama dan ada molekul tRNA di situs-P pada ribosom,
yang secara kovalen bergabung dengan ujung polipeptida
yang tumbuh. Pada langkah 1, tRNA yang membawa asam
amino berikutnya dalam rantai berikatan dengan situs A
ribosom dengan membentuk pasangan basa dengan kodon
mRNA yang diposisikan di sana, sehingga situs P dan situs
A mengandung tRNA terikat yang berdekatan. Pada langkah
2, ujung karboksil dari rantai polipeptida dilepaskan dari
tRNA di situs-P (dengan memecah ikatan energi tinggi
antara tRNA dan asam amino-nya) dan bergabung dengan
kelompok amino bebas dari asam amino yang terhubung. ke
tRNA di situs-A, membentuk ikatan peptida baru. Reaksi
sentral sintesis protein ini dikatalisis oleh transferase peptidil
yang terkandung dalam subunit ribosom besar. Pada langkah
3, subunit besar bergerak relatif terhadap mRNA yang
dipegang oleh subunit kecil, sehingga menggeser batang
akseptor dari dua tRNA ke E- dan Psites dari subunit besar.
Pada langkah 4, serangkaian perubahan konformasi lainnya
164
menggerakkan subunit kecil dan mRNA terikatnya tepat tiga
nukleotida, mengatur ulang ribosom sehingga siap menerima
aminoacyl-tRNA berikutnya. Langkah 1 kemudian diulangi
dengan aminoacyl-tRNA masuk baru, dan seterusnya.
<CGTT>.
Siklus empat langkah ini diulang setiap kali asam
amino ditambahkan ke rantai polipeptida, saat rantai
tumbuh dari amino ke ujung karboksilnya.
Faktor Perpanjangan Mendorong Terjemahan Ke Depan
dan Meningkatkan Akurasinya
Siklus dasar perpanjangan polipeptida yang
ditunjukkan dalam garis besar pada Gambar 66 memiliki
fitur tambahan yang membuat terjemahan menjadi sangat
efisien dan akurat. Dua faktor perpanjangan memasuki dan
meninggalkan ribosom selama setiap siklus, masing-masing
menghidrolisisasi GTP ke PDB dan mengalami perubahan
konformasi dalam proses. Faktor-faktor ini disebut EF-Tu
dan EF-G pada bakteri, dan EF1 dan EF2 pada eucaryotes.
Dalam beberapa kondisi in vitro, ribosom dapat dipaksa
untuk mensintesis protein tanpa bantuan faktor
165
perpanjangan ini dan hidrolisis GTP, namun sintesis ini
sangat lambat, tidak efisien, dan tidak akurat.
Menggabungkan perubahan-perubahan yang didorong oleh
hidrolisis GTP dalam faktor pemanjangan untuk transisi
antara berbagai kondisi ribosom mempercepat sintesis
protein secara luar biasa. Meskipun keadaan ribosom ini
belum dipahami secara rinci, mereka hampir pasti
melibatkan penataan ulang struktur RNA di inti ribosom.
Siklus asosiasi faktor perpanjangan, hidrolisis GTP, dan
disosiasi memastikan bahwa semua perubahan tersebut
terjadi dalam arah "maju" sehingga terjemahan dapat
dilanjutkan secara efisien (Gambar 67).
166
167
Gambar 66 Menerjemahkan molekul mRNA. Setiap asam amino
ditambahkan ke ujung tumbuh rantai polipeptida dipilih oleh
pasangan basa pelengkap antara antikodon pada molekul tRNA yang
melekat dan kodon berikutnya pada rantai mRNA. Karena hanya
satu dari banyak jenis molekul tRNA dalam sel yang dapat
berpasangan dengan setiap kodon, kodon menentukan asam amino
spesifik yang akan ditambahkan ke rantai polipeptida yang sedang
tumbuh. . Siklus empat langkah yang ditunjukkan berulang-ulang
selama sintesis protein. Pada langkah 1, molekul aminoasil-tRNA
berikatan dengan situs-A yang kosong pada ribosom dan molekul
tRNA yang dihabiskan berdisosiasi dari situs-E. Pada langkah 2,
ikatan peptida baru terbentuk. Pada langkah 3, subunit besar
mentranslokasi relatif terhadap subunit kecil, meninggalkan dua
tRNA di situs hibrida: P pada subunit besar dan A pada yang kecil,
untuk satu; E pada subunit besar dan P pada yang kecil, untuk yang
lainnya. Pada langkah 4, subunit kecil mentranslokasi membawa
mRNA-nya sejauh tiga nukleotida melalui ribosom. Ini "me-reset"
ribosom dengan situs-A sepenuhnya kosong, siap untuk molekul
aminoacyl-tRNA berikutnya untuk mengikat. Seperti ditunjukkan,
mRNA diterjemahkan dalam arah 5 ¢-ke-3 ¢, dan ujung N-terminal
protein dibuat terlebih dahulu, dengan setiap siklus menambahkan
satu asam amino ke terminal-C dari rantai polipeptida.
168
169
Seperti yang ditunjukkan sebelumnya, EF-Tu secara
bersamaan mengikat GTP dan aminoasil-tRNA (lihat
Gambar 3–74). Selain membantu memajukan terjemahan,
EF-Tu (EF1 dalam eucaryotes) meningkatkan akurasi
terjemahan dalam beberapa cara. Pertama, saat mengawal
masuknya aminoacyl-tRNA ke ribosom, EF-Tu memeriksa
apakah kecocokan tRNA-asam amino sudah benar.
Bagaimana tepatnya hal ini dicapai tidak dipahami dengan
baik. Menurut satu ide, kecocokan tRNA-asam amino yang
benar memiliki afinitas yang didefinisikan secara sempit
untuk EF-Tu, yang memungkinkan EF-Tu untuk
membedakan, meskipun secara kasar, di antara banyak
kombinasi asam amino-tRNA yang berbeda, secara selektif
membawa yang benar dengan itu ke dalam ribosom. Kedua,
EF-Tu memonitor interaksi awal antara antikodon dari
aminoasil-tRNA yang masuk dan kodon mRNA di lokasi-A.
Aminoacyl-tRNA yaitu "bengkok" saat terikat dengan
bentuk GTP dari EF-Tu; konformasi yang bengkok ini
memungkinkan pasangan kodon namun mencegah
penggabungan asam amino ke dalam rantai polipeptida yang
sedang tumbuh. Namun, jika kecocokan kodon-antikodon
benar, ribosom dengan cepat memicu hidrolisis molekul
170
GTP, di mana EF-Tu melepaskan cengkeramannya pada
tRNA dan terlepas dari ribosom, memungkinkan tRNA
menyumbangkan asam amino untuk sintesis protein. namun
bagaimana "kebenaran" dari pertandingan kodon-antikodon
dinilai? Prestasi ini dilakukan oleh ribosom itu sendiri
melalui mekanisme berbasis RNA. RRNA dalam subunit
kecil ribosom membentuk serangkaian ikatan hidrogen
dengan pasangan kodon-antikodon yang memungkinkan
penentuan kebenarannya (Gambar 68). Pada intinya, rRNA
terlipat di sekitar pasangan kodon-antikodon, dan penutupan
akhirnya yang terjadi hanya saat antikodon yang benar ada
memicu hidrolisis GTP. Hebatnya, mekanisme kecocokan
yang diinduksi ini dapat membedakan interaksi kodon-
antikodon yang salah meskipun ada aturan untuk
pemasangan pasangan goyangan yang dirangkum dalam
Gambar 53. Dari contoh ini, seperti untuk penyambungan
RNA, seseorang dapat merasakan bentuk-bentuk pengakuan
molekuler yang sangat canggih yang hanya dapat dicapai
oleh RNA.
171
Gambar 68 Pengakuan cocok kodon-antikodon yang benar oleh rRNA
subunit kecil dari ribosom. Yang ditunjukkan yaitu interaksi antara
nukleotida dari rRNA subunit kecil dan pasangan nukleotida pertama
dari kodon-antikodon yang dipasangkan dengan benar; interaksi serupa
terjadi antara nukleotida lain dari rRNA dan posisi kedua dan ketiga dari
pasangan kodon-antikodon. RRNA smallsubunit dapat membentuk
jaringan ikatan hidrogen ini hanya dengan pasangan kodon-antikodon
yang cocok dengan benar. Seperti dijelaskan dalam teks, pemantauan
kodon-antikodon oleh rRNA smallsubunit ini meningkatkan akurasi
sintesis protein. (Dari J.M. Ogle et al., Science 292: 897–902, 2001.
Dengan izin dari AAAS.)
Interaksi EF-Tu, tRNA, dan ribosom yang baru saja
dijelaskan memperkenalkan langkah-langkah proofreading
172
kritis ke dalam sintesis protein pada tahap seleksi tRNA
awal. namun setelah GTP dihidrolisis dan EF-Tu terlepas
dari ribosom, ada peluang tambahan untuk ribosom untuk
mencegah asam amino yang tidak ditambahkan ke rantai
tumbuh. Setelah hidrolisis GTP, ada penundaan waktu
singkat karena asam amino yang dibawa oleh tRNA
bergerak ke posisi pada ribosom. Waktu tunda ini lebih
pendek untuk pasangan kodon – antikodon yang salah.
Selain itu, tRNA yang dicocokkan secara salah terdisosiasi
lebih cepat dibandingkan yang terikat dengan benar karena
interaksinya dengan kodon lebih lemah. Dengan demikian,
sebagian besar molekul tRNA yang terikat secara tidak benar
(serta sejumlah besar molekul yang terikat dengan benar)
akan meninggalkan ribosom tanpa dipakai untuk sintesis
protein. Semua langkah-langkah proofreading ini, diambil
bersama-sama, sebagian besar bertanggung jawab untuk
akurasi 99,99% dari ribosom dalam menerjemahkan RNA
menjadi protein.
173
Ribosome yaitu Ribozyme
Ribosom yaitu kompleks besar yang terdiri dari dua
pertiga RNA dan sepertiga protein. Penentuan, pada tahun
2000, dari keseluruhan konformasi tiga dimensi dari subunit
besar dan kecilnya yaitu kemenangan utama biologi
struktural modern. Temuan ini mengkonfirmasi bukti
sebelumnya bahwa rRNA — dan bukan protein — yang
bertanggung jawab atas keseluruhan struktur ribosom,
kemampuannya untuk memposisikan tRNA pada mRNA,
dan aktivitas katalitiknya dalam membentuk ikatan peptida
kovalen. RNA ribosom dilipat menjadi struktur tiga dimensi
yang sangat kompak, tepat yang membentuk inti kompak
dari ribosom dan menentukan bentuk keseluruhannya
(Gambar 69).
174
Gambar 69 Struktur rRNA dalam subunit besar ribosom bakteri,
sebagai
.jpg)
