mana ditentukan oleh kristalografi x-ray. (A) Konformasi tiga
dimensi dari rRNA subunit besar (5S dan 23S) seperti yang muncul
dalam ribosom. Salah satu subunit protein dari ribosom (L1) juga
ditunjukkan sebagai titik referensi, karena membentuk tonjolan khas
pada ribosom. (B) Diagram skematis dari struktur sekunder rRNA 23S,
menunjukkan jaringan basepairing yang luas. Struktur ini telah dibagi
menjadi enam "domain" yang warnanya sesuai dengan yang ada di (A).
Diagram struktur sekunder sangat terencana untuk mewakili sebanyak
mungkin struktur dalam dua dimensi. Untuk melakukan ini, beberapa
diskontinuitas dalam rantai RNA telah diperkenalkan, meskipun pada
kenyataannya RNA 23S yaitu molekul RNA tunggal. Misalnya,
pangkalan Domain III kontinu dengan pangkalan Domain IV meskipun
ada celah di diagram. (Diadaptasi dari N. Ban et al., Sains 289: 905-920,
2000. Dengan izin dari AAAS.)
175
Berbeda sekali dengan posisi sentral rRNA, protein
ribosom umumnya terletak di permukaan dan mengisi celah
dan celah RNA yang terlipat (Gambar 70). Beberapa protein
ini mengirimkan daerah panjang rantai polipeptida yang
menembus jarak pendek ke dalam lubang di inti RNA
(Gambar 71). Peran utama protein ribosom tampaknya
untuk menstabilkan inti RNA, sementara memungkinkan
perubahan konformasi rRNA yang diperlukan untuk RNA
ini untuk mengkatalisis sintesis protein yang efisien. Protein
mungkin juga membantu dalam perakitan awal rRNA yang
membentuk inti dari ribosom. Tidak hanya situs A-, P-, dan
E-binding untuk tRNA dibentuk terutama oleh RNA
ribosom, namun situs katalitik untuk pembentukan ikatan
peptida juga dibentuk oleh RNA, karena asam amino
terdekat terletak lebih dari 1,8 nm jauhnya. Penemuan ini
mengejutkan para ahli biologi karena, tidak seperti protein,
RNA tidak mengandung gugus fungsi yang mudah
terionisasi yang dapat dipakai untuk mengkatalisasi reaksi
canggih seperti pembentukan ikatan peptida. Selain itu, ion
logam, yang sering dipakai oleh molekul RNA untuk
mengkatalisasi reaksi kimia (seperti yang dibahas kemudian
dalam bab ini), tidak diamati di situs aktif ribosom. Alih-
176
alih, diyakini bahwa 23S rRNA membentuk kantung yang
sangat terstruktur yang, melalui jaringan ikatan hidrogen,
secara tepat mengarahkan kedua reaktan (rantai peptida
yang sedang tumbuh dan aminoacyl-tRNA) dan dengan
demikian sangat mempercepat kovalen mereka bergabung.
Selain itu, tRNA di situs P berkontribusi ke situs aktif,
mungkin memasok gugus OH fungsional yang berpartisipasi
langsung dalam katalisis. Mekanisme ini dapat memastikan
bahwa katalisis hanya terjadi saat tRNA diposisikan
dengan benar dalam ribosom.
Gambar 70 Lokasi komponen protein bakteri subunit ribosom besar.
RRNA (5S dan 23S) ditampilkan dalam warna abu-abu dan protein
subunit besar (27 dari total 31) dalam emas. Untuk kenyamanan, struktur
protein hanya menggambarkan tulang punggung polipeptida. (A)
Antarmuka dengan subunit kecil, tampilan yang sama ditunjukkan pada
177
Gambar 64B. (B) Sisi yang berlawanan dengan yang ditunjukkan pada
(A), diperoleh dengan memutar (A) sebesar 180 ° di sekitar sumbu
vertikal. (C) Selanjutnya sedikit rotasi (B) melalui sumbu diagonal,
memungkinkan pandangan ke saluran keluar peptida di tengah struktur.
(Dari N. Ban et al., Sains 289: 905-920, 2000. Dengan izin dari AAAS.)
Molekul RNA yang memiliki aktivitas katalitik dikenal
sebagai ribozim. Kita telah melihat sebelumnya dalam bab
ini bagaimana ribozim lain berfungsi dalam reaksi
Gambar 71 Struktur protein L15 dalam subunit besar
ribosom bakteri. Domain globular protein terletak
pada permukaan ribosom dan daerah yang luas
menembus jauh ke dalam inti RNA ribosom. Protein
L15 ditunjukkan dengan warna kuning dan sebagian
dari inti RNA ribosom ditampilkan dalam warna
merah. (Dari D. Klein, P.B. Moore dan T. Steitz, J.
Mol. Biol. 340: 141–147, 2004. Dengan izin dari
Academic Press.)
178
penyambungan sendiri (misalnya, lihat Gambar 36). Pada
bagian akhir bab ini, kami mempertimbangkan apa
kemampuan molekul RNA berfungsi sebagai katalis untuk
berbagai macam reaksi yang berbeda mungkin berarti bagi
evolusi awal sel hidup. Untuk saat ini, kami hanya mencatat
bahwa ada alasan bagus untuk mencurigai bahwa RNA
dibandingkan molekul protein berfungsi sebagai katalis pertama
untuk sel hidup. Jika demikian, ribosom, dengan inti RNA-
nya, mungkin merupakan peninggalan masa lalu dalam
sejarah kehidupan saat sintesis protein berevolusi dalam
sel yang dijalankan hampir seluruhnya oleh ribozim.
Urutan Nukleotida dalam Sinyal mRNA Di mana Mulai
Sintesis Protein
Inisiasi dan penghentian fitur berbagi terjemahan dari
siklus perpanjangan terjemahan yang dijelaskan di atas. Situs
di mana sintesis protein dimulai pada mRNA sangat
penting, karena ia menetapkan kerangka pembacaan untuk
seluruh panjang pesan. Kesalahan salah satu nukleotida
pada tahap ini akan menyebabkan setiap kodon berikutnya
dalam pesan salah dibaca, menghasilkan protein
179
nonfungsional dengan urutan asam amino yang kacau.
Langkah inisiasi juga penting karena bagi sebagian besar gen
itu yaitu titik terakhir di mana sel dapat memutuskan
apakah mRNA harus diterjemahkan dan protein disintesis;
tingkat inisiasi dengan demikian merupakan salah satu
penentu dari tingkat di mana setiap protein disintesis. Kita
akan melihat di Bab 7 bahwa sel menggunakan beberapa
mekanisme untuk mengatur inisiasi terjemahan.
Terjemahan mRNA dimulai dengan kodon AUG, dan
tRNA khusus diperlukan untuk memulai terjemahan.
Inisiator ini tRNA selalu membawa asam amino metionin
(pada bakteri, bentuk metionin yang dimodifikasi —
formylmethionine — dipakai ), dengan hasil bahwa semua
protein yang baru dibuat memiliki metionin sebagai asam
amino pertama pada N-terminus mereka, akhir protein yang
disintesis terlebih dahulu. Metionin ini biasanya dihilangkan
kemudian dengan protease spesifik. Inisiator tRNA dapat
dikenali secara khusus oleh faktor inisiasi karena memiliki
urutan nukleotida yang berbeda dari tRNA yang biasanya
membawa metionin.
180
Dalam eucaryotes, inisiator tRNA-methionine complex
(Met-tRNAi) pertama kali dimuat ke dalam subunit ribosom
kecil bersama dengan protein tambahan yang disebut faktor
inisiasi eukariotik, atau eIFs (Gambar 72). Dari semua
aminoasil-tRNA di dalam sel, hanya inisiator bermuatan
metionin tRNA yang mampu mengikat subunit ribosom
kecil dengan erat tanpa ada ribosom lengkap dan mengikat
langsung ke situs-P. Selanjutnya, subunit ribosom kecil
berikatan dengan ujung 5‘ molekul mRNA, yang dikenali
berdasarkan tutup 5‘ dan dua faktor inisiasi terikatnya,
eIF4E (yang secara langsung mengikat tutup) dan eIF4G
(lihat Gambar 40 ). Subunit ribosom kecil kemudian
bergerak maju (5‘ hingga 3’) di sepanjang mRNA, mencari
AUG pertama. Faktor inisiasi tambahan yang bertindak
sebagai helikopter yang didukung ATP memfasilitasi
pergerakan ribosom melalui struktur sekunder RNA. Dalam
90% mRNA, terjemahan dimulai pada AUG pertama yang
ditemui oleh subunit kecil. Pada titik ini, faktor inisiasi
terdisosiasi, memungkinkan subunit ribosom besar untuk
berkumpul dengan kompleks dan menyelesaikan ribosom.
Inisiator tRNA masih terikat ke situs-P, meninggalkan Asite
181
kosong. Sintesis protein karenanya siap untuk dimulai (lihat
Gambar 72).
182
Gambar 72 Inisiasi sintesis protein
pada eucaryotes. Hanya tiga dari
banyak faktor inisiasi terjemahan
yang diperlukan untuk proses ini
ditampilkan. Inisiasi terjemahan
yang efisien juga membutuhkan
ekor poli-A dari mRNA yang diikat
oleh protein pengikat poli-A yang,
pada gilirannya, berinteraksi
dengan eIF4G. Dengan cara ini,
alat terjemahan memastikan bahwa
kedua ujung mRNA masih utuh
sebelum memulai sintesis protein
(lihat Gambar 40). Meskipun hanya
satu peristiwa hidrolisis GTP
ditunjukkan pada gambar, yang
kedua diketahui terjadi tepat
sebelum subunit ribosom besar dan
kecil bergabung.
183
Nukleotida yang mengelilingi lokasi awal dalam
mRNA eukariotik mempengaruhi efisiensi pengenalan AUG
selama proses pemindaian di atas. Jika situs pengenalan ini
berbeda secara substansial dari urutan pengakuan konsensus
(5‘ -ACCAUGG-3‘), pemindaian subunit ribosom terkadang
akan mengabaikan kodon AUG pertama dalam mRNA dan
sebagai gantinya beralih ke kodon AUG kedua atau ketiga.
Sel sering menggunakan fenomena ini, yang dikenal sebagai
"pemindaian bocor," untuk menghasilkan dua atau lebih
protein, berbeda dalam N-termini mereka, dari molekul
mRNA yang sama. Ini memungkinkan beberapa gen untuk
menghasilkan protein yang sama dengan dan tanpa urutan
sinyal yang terpasang pada N-terminusnya, misalnya,
sehingga protein diarahkan ke dua kompartemen berbeda di
dalam sel.
Mekanisme untuk memilih kodon awal pada bakteri
berbeda. Bakteri mRNA tidak memiliki tutup 5‘ untuk
memberi sinyal ribosom tempat untuk mulai mencari awal
terjemahan. Sebaliknya, setiap mRNA bakteri mengandung
situs ribosomebinding spesifik (disebut urutan Shine-
Dalgarno, dinamai menurut penemunya) yang terletak
184
beberapa nukleotida di hulu AUG di mana terjemahan akan
dimulai. Urutan nukleotida ini, dengan konsensus 5‘ -
AGGAGGU-3‘, membentuk pasangan basa dengan 16S
rRNA dari subunit ribosom kecil untuk memposisikan
kodon AUG awal dalam ribosom. Seperangkat faktor inisiasi
terjemahan mengatur interaksi ini, serta perakitan subunit
ribosom besar berikutnya untuk melengkapi ribosom.
Tidak seperti ribosom eukariotik, ribosom bakteri dapat
dengan mudah berkumpul langsung pada kodon awal yang
terletak di bagian dalam molekul mRNA, selama situs
pengikatan ribosom mendahului oleh beberapa nukleotida.
Akibatnya, mRNA bakteri sering bersifat polisistronik yaitu,
mereka mengkode beberapa protein berbeda, yang masing-
masing diterjemahkan dari molekul mRNA yang sama
(Gambar 73). Sebaliknya, mRNA eukariotik umumnya
hanya mengkode protein tunggal.
185
Gambar 73 Struktur molekul mRNA bakteri khas. Tidak seperti
ribosom eukariotik, yang biasanya membutuhkan ujung 5’ capped,
ribosom procaryotic memulai transkripsi di situs pengikatan ribosom
(urutan Shine-Dalgarno), yang dapat ditemukan di mana saja di
sepanjang molekul mRNA. Sifat ribosom ini memungkinkan bakteri
untuk mensintesis lebih dari satu jenis protein dari molekul mRNA
tunggal.
Stop Codons Tanda Akhir Terjemahan
Akhir dari pesan pengkodean protein ditandai oleh
kehadiran satu dari tiga kodon stop (UAA, UAG, atau
UGA) (lihat Gambar 50). Ini tidak dikenali oleh tRNA dan
tidak menentukan asam amino, melainkan sinyal ke ribosom
untuk menghentikan terjemahan. Protein yang dikenal
sebagai faktor pelepas mengikat ribosom dengan kodon stop
yang diposisikan di situs A, memaksa peptidil transferase
dalam ribosom untuk mengkatalisasi penambahan molekul
air alih-alih asam amino ke peptidyl-tRNA (Gambar 74).
Reaksi ini membebaskan ujung karboksil dari rantai
polipeptida yang tumbuh dari perlekatannya pada molekul
tRNA, dan karena hanya perlekatan ini yang biasanya
menahan polipeptida yang tumbuh pada ribosom, rantai
protein yang lengkap segera dilepaskan ke dalam sitoplasma.
Ribosom kemudian melepaskan mRNA dan berpisah
186
menjadi subunit besar dan kecil, yang dapat berkumpul pada
molekul mRNA ini atau yang lain untuk memulai putaran
baru sintesis protein.
Gambar 74 Fase akhir sintesis
protein. Pengikatan faktor rilis ke situs-
A yang mengandung kodon berhenti
menghentikan terjemahan. Polipeptida
lengkap dilepaskan dan, dalam
serangkaian reaksi yang membutuhkan
protein tambahan dan hidrolisis GTP
(tidak ditunjukkan), ribosom
berdisosiasi menjadi dua subunit yang
terpisah.
187
Faktor rilis yaitu contoh dari mimikri molekuler, di
mana satu jenis makromolekul menyerupai bentuk molekul
yang tidak berhubungan secara kimiawi. Dalam hal ini,
struktur tiga dimensi faktor pelepasan (seluruhnya terbuat
dari protein) menyerupai bentuk dan distribusi muatan
molekul tRNA (Gambar 75). Bentuk dan mimikri muatan ini
membantu mereka memasuki situs-A pada ribosom dan
menyebabkan penghentian terjemahan.
Gambar 75 Struktur faktor pelepasan terjemahan manusia (eRF1) dan
kemiripannya dengan molekul tRNA. Protein ada di sebelah kiri dan
tRNA di sebelah kanan. (Dari H. Song et al., Cell 100: 311-321, 2000.
Dengan izin dari Elsevier.)
188
Selama penerjemahan, polipeptida yang baru lahir
bergerak melalui terowongan besar berisi air (sekitar 10 nm x
1,5 nm) di subunit besar ribosom (lihat Gambar 70C).
Dinding terowongan ini, terutama terbuat dari 23S rRNA,
yaitu tambalan permukaan hidrofobik kecil yang tertanam
di permukaan hidrofilik yang lebih luas. Struktur ini tidak
melengkapi peptida apa pun, dan karenanya memberikan
lapisan "Teflon" di mana rantai polipeptida dapat dengan
mudah meluncur. Dimensi terowongan menunjukkan bahwa
protein yang baru lahir sebagian besar tidak terstruktur
saat mereka melewati ribosom, meskipun beberapa daerah
heliks protein dapat terbentuk sebelum meninggalkan
terowongan ribosom. Saat daun ribosom, protein yang baru
disintesis harus dilipat menjadi konformasi tiga dimensi yang
tepat untuk berguna bagi sel, dan kemudian dalam bab ini
kita membahas bagaimana lipatan ini terjadi. Namun,
pertama-tama, kami menggambarkan beberapa aspek
tambahan dari proses penerjemahan itu sendiri.
189
Protein Dibuat dari Polyribosomes
Sintesis sebagian besar molekul protein membutuhkan
waktu antara 20 detik dan beberapa menit. Namun, selama
periode yang sangat singkat ini, biasanya inisiasi berganda
terjadi pada setiap molekul mRNA yang sedang
diterjemahkan. Segera setelah ribosom sebelumnya telah
menerjemahkan cukup dari urutan nukleotida untuk
bergerak keluar, ujung 5‘ mRNA dijalin menjadi ribosom
baru. Karenanya, molekul mRNA yang diterjemahkan
biasanya ditemukan dalam bentuk polyribosom (atau
polisom): rakitan sitoplasma besar yang terdiri dari beberapa
ribosom yang berjarak hampir 80 nukleotida yang terpisah
sepanjang molekul mRNA tunggal (Gambar 76). Inisiasi
berganda ini memungkinkan sel untuk membuat lebih
banyak molekul protein dalam waktu tertentu dibandingkan yang
mungkin jika masing-masing harus diselesaikan sebelum
berikutnya dapat dimulai. <GAAG>
190
Gambar 76A polyribosome. (A) Gambar skematik yang menunjukkan
bagaimana serangkaian ribosom dapat secara bersamaan menerjemahkan
molekul mRNA eukariotik yang sama. (B) Mikrograf elektron dari
polyribosome dari sel eukariotik. (B, milik John Heuser.)
Bakteri dan eukariota menggunakan polisom, dan
keduanya menggunakan strategi tambahan untuk
mempercepat laju keseluruhan sintesis protein lebih jauh.
Karena mRNA bakteri tidak perlu diproses dan dapat
diakses oleh ribosom saat sedang dibuat, ribosom dapat
menempel pada ujung bebas molekul mRNA bakteri dan
mulai menerjemahkannya bahkan sebelum transkripsi RNA
191
selesai, mengikuti persis di belakang RNA polimerase saat
bergerak di sepanjang DNA. Dalam eucaryotes, seperti yang
telah kita lihat, ujung 5‘ dan 3‘ dari mRNA berinteraksi
(lihat Gambar 40 dan 6–76A); oleh karena itu, segera setelah
ribosom terdisosiasi, kedua subunitnya berada dalam posisi
optimal untuk memulai kembali terjemahan pada molekul
mRNA yang sama.
Ada Variasi Kecil dalam Kode Genetika Standar
Seperti dibahas dalam Bab 1, kode genetik
(ditunjukkan pada Gambar 50) berlaku untuk ketiga cabang
utama kehidupan, memberikan bukti penting bagi leluhur
bersama semua kehidupan di Bumi. Meskipun jarang, ada
pengecualian untuk kode ini. Misalnya, Candida albicans,
patogen jamur manusia yang paling umum, menerjemahkan
CUG kodon sebagai serin, sedangkan hampir semua
organisme lain menerjemahkannya sebagai leusin.
Mitokondria (yang memiliki genomnya sendiri dan
menyandikan banyak alat terjemahannya) sering
menyimpang dari kode standar. Sebagai contoh, dalam
mitokondria mamalia AUA diterjemahkan sebagai metionin,
192
sedangkan dalam sitosol sel diterjemahkan sebagai isoleusin
(lihat Tabel 14-3, hal. 862). Jenis penyimpangan dalam kode
genetik ini "tertanam" ke dalam organisme atau organel
tempat terjadinya.
Jenis variasi yang berbeda, kadang-kadang disebut
pengkodean terjemahan, terjadi di banyak sel. Dalam hal ini,
informasi sekuens nukleotida lain yang ada dalam mRNA
dapat mengubah makna kode genetik di lokasi tertentu
dalam molekul mRNA. Kode standar memungkinkan sel
untuk memproduksi protein hanya menggunakan 20 asam
amino. Namun, bakteri, archaea, dan eucaryotes memiliki
asam amino dua puluh satu yang dapat dimasukkan secara
langsung ke dalam rantai polipeptida yang sedang tumbuh
melalui pengkodean ulang terjemahan. Selenocysteine, yang
sangat penting untuk fungsi efisien berbagai enzim,
mengandung atom selenium menggantikan atom sulfur
sistein. Selenocysteine diproduksi secara enzimatik dari serin
yang melekat pada molekul tRNA khusus yang berpasangan
dengan kodon UGA, kodon yang biasanya dipakai untuk
memberi sinyal penghentian terjemahan. MRNA untuk
protein di mana selenocysteine harus dimasukkan pada
193
kodon UGA membawa urutan nukleotida tambahan di
mRNA terdekat yang menyebabkan peristiwa pengkodean
ulang ini (Gambar 77).
Gambar 77. Penyatuan selenosistein menjadi rantai polipeptida yang
sedang tumbuh. Sebuah tRNA khusus diisi dengan serin oleh seret
sintetik normal, dan serin selanjutnya diubah secara enzimatis menjadi
selenosistein. Struktur RNA spesifik dalam mRNA (struktur batang dan
loop dengan urutan nukleotida tertentu) menandakan bahwa
selenocysteine harus dimasukkan pada kodon UGA yang berdekatan.
Sebagaimana ditunjukkan, acara ini membutuhkan partisipasi dari faktor
terjemahan spesifik-selenocysteine.
Bentuk pengkodean ulang lainnya, transleshifting
translasi, memungkinkan lebih dari satu protein disintesis
dari mRNA tunggal. Retrovirus, anggota kelompok besar
patogen yang menginfeksi eukariotik, umumnya
menggunakan frameshifting translasi untuk membuat protein
194
kapsid (protein Gag) dan transkriptase balik virus dan
integrase (protein Pol) dari transkrip RNA yang sama (lihat
Gambar 5–73). Virus membutuhkan lebih banyak salinan
protein Gag dibandingkan protein Pol. Penyesuaian kuantitatif ini
dicapai dengan menyandikan gen Pol tepat setelah gen Gag
namun dalam kerangka bacaan yang berbeda. Sejumlah kecil
produk gen Pol dibuat karena, kadang-kadang, frameshift
translasi hulu memungkinkan protein Gag menghentikan
kodon untuk dilewati. Frameshift ini terjadi pada kodon
tertentu dalam mRNA dan membutuhkan sinyal
pengkodean ulang yang spesifik, yang tampaknya
merupakan fitur struktural dari urutan RNA di bagian bawah
situs ini (Gambar 78).
195
Gambar 78 Frameshifting translasional yang menghasilkan reverse
transcriptase dan integrase dari retrovirus Transcriptase balik virus dan
integrase diproduksi oleh pemrosesan proteolitik dari protein besar
(protein fusi Gag-Pol) yang terdiri dari urutan asam amino Gag dan Pol.
Pemrosesan proteinolitik dari protein Gag yang lebih banyak
menghasilkan protein kapsid virus. Baik protein fusi Gag dan Pol mulai
dengan mRNA yang identik, namun sementara protein Gag berakhir pada
kodon berhenti di hilir dari urutan yang ditunjukkan, terjemahan protein
fusi Gag-Pol memintas kodon berhenti ini, memungkinkan sintesis yang
lebih lama Protein fusi Gag – Pol. Stop-codon-bypass dimungkinkan oleh
frameshift translasi yang terkontrol, seperti yang diilustrasikan. Fitur
dalam struktur RNA lokal (termasuk loop RNA yang ditunjukkan)
menyebabkan tRNALeu yang melekat pada terminal-C dari rantai
polipeptida yang sedang tumbuh kadang-kadang tergelincir ke belakang
oleh satu nukleotida pada ribosom. sehingga berpasangan dengan kodon
UUU dan bukan kodon UUA yang pada awalnya menentukan
penggabungannya; kodon berikutnya (AGG) dalam bingkai bacaan baru
196
menentukan arginin dibandingkan glisin. Selip terkendali ini sebagian
disebabkan oleh pseudoknot yang terbentuk dalam viral mRNA (lihat
Gambar 102). Urutan yang ditunjukkan yaitu dari virus AIDS
manusia, HIV. (Diadaptasi dari T. Jacks et al., Nature 331: 280–283,
1988. Dengan izin dari Macmillan Publishers Ltd.)
Inhibitor dari Sintesis Protein Procaryotic Berguna sebagai
Antibiotik
Banyak antibiotik yang paling efektif dipakai dalam
pengobatan modern yaitu senyawa yang dibuat oleh jamur
yang menghambat sintesis protein bakteri. Jamur dan bakteri
bersaing untuk banyak relung lingkungan yang sama, dan
jutaan tahun evolusi bersama telah menghasilkan jamur yang
menghasilkan inhibitor bakteri kuat. Beberapa obat ini
mengeksploitasi perbedaan struktural dan fungsional antara
ribosom bakteri dan eukariotik sehingga dapat mengganggu
fungsi ribosom bakteri. Dengan demikian manusia dapat
mengambil dosis tinggi dari beberapa senyawa ini tanpa
toksisitas yang tidak semestinya. Banyak antibiotik
dimasukkan ke dalam kantong di RNA ribosom dan hanya
mengganggu operasi ribosom yang lancar (Gambar 79).
Tabel–4 daftar beberapa antibiotik yang lebih umum dari
jenis ini bersama dengan beberapa inhibitor lain dari sintesis
197
protein, beberapa di antaranya bertindak pada sel eukariotik
dan karenanya tidak dapat dipakai sebagai antibiotik.
Gambar 79 Situs pengikatan untuk antibiotik pada ribosom bakteri.
Subunit ribosom kecil (kiri) dan besar (kanan) disusun seolah-olah
ribosom telah dibuka seperti buku; molekul tRNA terikat ditunjukkan
dengan warna ungu (lihat Gambar 64). Sebagian besar antibiotik
menunjukkan ikatan langsung ke kantong yang dibentuk oleh molekul
RNA ribosom. Hygromycin B menginduksi kesalahan dalam
terjemahan, spectinomycin memblokir translokasi peptidyl-tRNA dari
situs-A ke situs-P, dan streptogramin B mencegah pemanjangan peptida
yang baru lahir. Tabel-4 mencantumkan mekanisme penghambatan
antibiotik lain yang ditunjukkan pada gambar. (Diadaptasi dari J.
Poehlsgaard dan S. Douthwaite, Nat. Rev. Microbiol 3: 870-881, 2005.
Dengan izin dari Macmillan Publishers Ltd.)
198
Karena mereka memblokir langkah-langkah spesifik
dalam proses yang mengarah dari DNA ke protein, banyak
senyawa yang tercantum dalam Tabel-4 berguna untuk studi
biologi sel. Di antara obat yang paling umum dipakai
dalam penyelidikan tersebut yaitu kloramfenikol,
sikloheksimid, dan puromisin, yang semuanya secara
spesifik menghambat sintesis protein. Dalam sel eukariotik,
misalnya, kloramfenikol menghambat sintesis protein pada
ribosom hanya di mitokondria (dan dalam kloroplas pada
tanaman), mungkin mencerminkan asal-usul prokariotik dari
organel-organel ini (dibahas pada Bab 14). Cycloheximide,
sebaliknya, hanya mempengaruhi ribosom dalam sitosol.
Puromisin sangat menarik karena merupakan analog
struktural dari molekul tRNA yang dihubungkan dengan
asam amino dan karenanya merupakan contoh lain dari
mimikri molekuler; ribosom salah mengartikannya sebagai
asam amino otentik dan secara kovalen menggabungkannya
pada terminal-C dari rantai peptida yang sedang tumbuh,
sehingga menyebabkan terminasi dini dan pelepasan
polipeptida. Seperti yang mungkin diharapkan, puromisin
199
menghambat sintesis protein baik pada procaryote maupun
eucaryotes.
Tabel–4 Penghambat Protein atau Sintesis RNA
INHIBITOR EFEK SPESIFIK
Hanya bertindak pada bakteri
Tetrasiklin
Menghambat pengikatan aminoasil-tRNA ke
situs-A ribosom
Streptomycine
Mencegah transisi dari inisiasi terjemahan ke
perpanjangan rantai dan juga menyebabkan
kesalahan kode
Chloramphenico
Memblokir reaksi peptidil transferase pada
ribosom (langkah 2 pada Gambar –66)
Erythromycin
Mengikat di saluran keluar ribosom dan
dengan demikian menghambat perpanjangan
rantai peptida
Rifamycin
Menghambat inisiasi rantai RNA dengan
mengikat RNA polimerase (mencegah
sintesis RNA)
Bertindak pada bakteri dan eucaryotes
Puromycin
Menyebabkan pelepasan prematur rantai
polipeptida yang baru lahir dengan
penambahannya ke ujung rantai yang
tumbuh
Actinomycin D
Mengikat DNA dan menghalangi
pergerakan RNA polimerase (mencegah
sintesis RNA)
200
Bertindak pada eucaryotes namun bukan bakteri
Cycloheximide
Memblokir reaksi translokasi pada ribosom
(langkah 3 pada Gambar –66)
Anisomycin
Memblokir reaksi peptidil transferase pada
ribosom (langkah 2 pada Gambar –66)
a-Amanitin
Menghambat sintesis mRNA dengan
mengikat secara istimewa ke RNA
polimerase II
Ribosom mitokondria eukariotik (dan kloroplas) sering menyerupai
bakteri dalam sensitivitasnya terhadap inhibitor. Oleh karena itu,
beberapa antibiotik ini dapat memiliki efek buruk pada mitokondria
manusia.
Keakuratan dalam Penerjemahan Membutuhkan
Pengeluaran Energi Gratis
Terjemahan oleh ribosom yaitu kompromi antara
kendala yang bertentangan antara akurasi dan kecepatan.
Kita telah melihat, misalnya, bahwa keakuratan terjemahan
(1 kesalahan per 104 asam amino bergabung) membutuhkan
waktu tunda setiap kali asam amino baru ditambahkan ke
rantai polipeptida yang sedang tumbuh, menghasilkan
kecepatan terjemahan keseluruhan 20 asam amino yang
dimasukkan per kedua pada bakteri. Bakteri mutan dengan
perubahan spesifik pada subunit ribosom kecil memiliki
201
penundaan lebih lama dan menerjemahkan mRNA menjadi
protein dengan akurasi yang jauh lebih tinggi dari ini;
Namun, sintesis protein sangat lambat pada mutan-mutan
ini sehingga bakteri hampir tidak dapat bertahan hidup.
Kita juga telah melihat bahwa untuk mencapai
keakuratan yang diamati dari sintesis protein membutuhkan
pengeluaran banyak energi bebas; ini diharapkan, karena,
sebagaimana dibahas dalam Bab 2, ada harga yang harus
dibayar untuk setiap kenaikan urutan dalam sel. Dalam
kebanyakan sel, sintesis protein mengkonsumsi lebih banyak
energi dibandingkan proses biosintesis lainnya. Setidaknya empat
ikatan fosfat berenergi tinggi terpecah untuk membuat setiap
ikatan peptida baru: dua dikonsumsi dalam pengisian
molekul tRNA dengan asam amino (lihat Gambar 56), dan
dua langkah penggerak lainnya dalam siklus reaksi yang
terjadi pada ribosom selama sintesis itu sendiri (lihat
Gambar 67). Selain itu, energi tambahan dikonsumsi setiap
kali hubungan asam amino yang salah dihidrolisis oleh
tRNA synthetase (lihat Gambar 59) dan setiap kali tRNA
yang salah memasuki ribosom, memicu hidrolisis GTP, dan
ditolak (lihat Gambar 67). Agar efektif, mekanisme
202
proofreading ini juga harus memungkinkan sebagian kecil
interaksi yang benar untuk dihapus; untuk alasan ini,
proofreading bahkan lebih mahal dalam energi dibandingkan
yang terlihat.
Mekanisme Kontrol Kualitas Bertindak untuk Mencegah
Penerjemahan mRNA yang Rusak
Dalam eucaryotes, produksi mRNA melibatkan
transkripsi dan serangkaian langkah pemrosesan RNA yang
rumit; ini terjadi di nukleus, dipisahkan dari ribosom, dan
hanya saat pemrosesan selesai mRNA diangkut ke
sitoplasma untuk diterjemahkan (lihat Gambar 40). Namun,
skema ini tidak aman, dan beberapa mRNA yang salah
diproses secara tidak sengaja dikirim ke sitoplasma. Selain
itu, mRNA yang sempurna saat meninggalkan nukleus dapat
menjadi rusak atau rusak dalam sitosol. Bahaya
menerjemahkan mRNA yang rusak atau diproses secara
tidak lengkap (yang akan menghasilkan protein terpotong
atau menyimpang) tampaknya sangat besar sehingga sel
memiliki beberapa langkah cadangan untuk mencegah hal
ini terjadi.
203
Untuk menghindari penerjemahan mRNA yang rusak,
tutup 5‘ dan ujung poli-A keduanya dikenali oleh mesin
inisiasi penerjemahan sebelum penerjemahan dimulai (lihat
Gambar 72). Untuk membantu memastikan bahwa mRNA
disambung dengan benar sebelum diterjemahkan, kompleks
ekson junction (EJC), yang disimpan pada mRNA setelah
penyambungan (lihat Gambar 40), merangsang terjemahan
mRNA selanjutnya.
namun sistem penjagaan mRNA yang paling kuat, yang
disebut peluruhan mRNA yang dimediasi nonsens,
menghilangkan mRNA yang rusak sebelum dapat
diterjemahkan secara efisien menjadi protein. Mekanisme ini
berperan saat sel menentukan bahwa molekul mRNA
memiliki kodon (stop) omong kosong (UAA, UAG, atau
UGA) di tempat yang "salah" situasi yang kemungkinan
muncul dalam molekul mRNA yang telah disambungkan
secara tidak tepat. Splicing yang menyimpang biasanya akan
menghasilkan pengenalan acak kodon yang tidak masuk akal
ke dalam kerangka pembacaan mRNA, terutama pada
organisme, seperti manusia, yang memiliki ukuran intron
rata-rata yang besar (lihat Gambar 32B).
204
Mekanisme pengawasan ini dimulai saat molekul
mRNA diangkut dari nukleus ke sitosol. Saat ujung 5‘ keluar
dari pori nuklir, mRNA dipenuhi oleh ribosom, yang mulai
menerjemahkannya. Sebagai hasil terjemahan, kompleks
persimpangan ekson (EJC) terikat ke mRNA di setiap
splicesite tampaknya digantikan oleh ribosom bergerak.
Codon stop normal akan berada dalam ekson terakhir,
sehingga pada saat ribosom mencapai dan berhenti, EJC
tidak lagi harus terikat pada mRNA. Jika demikian, mRNA
“lolos inspeksi” dan dilepaskan ke sitosol di mana ia dapat
diterjemahkan dengan sungguh-sungguh (Gambar 80).
Namun, jika ribosom mencapai kodon berhenti dini dan
kios, ia merasakan bahwa EJC tetap dan molekul mRNA
terikat cepat terdegradasi. Dengan cara ini, terjemahan
putaran pertama memungkinkan sel untuk menguji
kesesuaian setiap molekul mRNA saat ia keluar dari
nukleus.
205
Gambar 80 Peluruhan mRNA yang dimediasi oleh akal. Seperti yang
ditunjukkan di sebelah kanan, kegagalan untuk menyambungkan pre-
mRNA dengan benar sering memasukkan kodon penghentian prematur
ke dalam kerangka pembacaan protein. Pengenalan kodon stop “dalam-
bingkai” seperti itu sangat mungkin terjadi pada mamalia, di mana
intronnya cenderung sangat panjang. saat diterjemahkan, mRNA
abnormal ini menghasilkan protein yang menyimpang, yang dapat
merusak sel. Namun, seperti yang ditunjukkan di kanan bawah gambar,
RNA abnormal ini dihancurkan oleh mekanisme peluruhan yang
dimediasi oleh omong kosong. Menurut salah satu model, molekul
mRNA, yang mengandung kompleks sambungan ekson (EJC) untuk
menandai sambungan yang berhasil diselesaikan, pertama kali bertemu
oleh ribosom yang melakukan putaran terjemahan "uji". saat mRNA
melewati saluran ketat ribosom, EJC dilucuti, dan mRNA yang berhasil
dilepaskan untuk menjalani beberapa putaran terjemahan (sisi kiri).
Namun, jika kodon in-frame stop ditemukan sebelum kompleks
persimpangan ekson akhir tercapai (sisi kanan), mRNA mengalami
peluruhan nonsensemediated, yang dipicu oleh protein Upf (hijau) yang
206
mengikat masing-masing EJC. Perhatikan bahwa, untuk memicu
peluruhan nonsensemediasi, kodon penghentian prematur harus berada
dalam bingkai pembacaan yang sama dengan protein normal.
(Diadaptasi dari J. Lykke-Andersen et al., Sel 103: 1121–1131, 2000.
Dengan izin dari Elsevier.)
Peluruhan yang dimediasi nonsense mungkin sangat
penting dalam evolusi, memungkinkan sel eukariotik untuk
lebih mudah mengeksplorasi gen baru yang dibentuk oleh
penataan ulang DNA, mutasi, atau pola alternatif
penyambungan dengan memilih hanya mRNA untuk
terjemahan yang dapat menghasilkan protein berdurasi
penuh. Peluruhan yang dimediasi nonsense juga penting
dalam sel-sel sistem kekebalan tubuh yang sedang
berkembang, di mana penataan ulang DNA luas yang terjadi
(lihat Gambar 25-36) sering menghasilkan kodon terminasi
prematur. Sistem pengawasan mendegradasi mRNA yang
dihasilkan dari gen yang disusun ulang, sehingga
menghindari efek toksik potensial dari protein terpotong.
Akhirnya, jalur pengawasan yang dimediasi omong
kosong memainkan peran penting dalam mengurangi gejala
dari banyak penyakit manusia yang diwariskan. Seperti yang
telah kita lihat, penyakit bawaan biasanya disebabkan oleh
207
mutasi yang merusak fungsi protein utama, seperti
hemoglobin atau salah satu faktor pembekuan darah. Sekitar
sepertiga dari semua kelainan genetik pada manusia
merupakan hasil dari mutasi atau mutasi yang tidak masuk
akal (seperti mutasi perubahan bingkai atau mutasi situs
splice) yang menempatkan mutasi yang tidak masuk akal ke
dalam kerangka pembacaan gen. Pada individu yang
membawa satu gen mutan dan satu fungsional, peluruhan
yang dimediasi nonsense menghilangkan mRNA yang
menyimpang dan dengan demikian mencegah protein yang
berpotensi toksik dibuat. Tanpa perlindungan ini, individu
dengan satu "gen penyakit" fungsional dan satu mutan
kemungkinan akan menderita gejala yang jauh lebih parah.
Kami telah melihat sebelumnya dalam bab ini bahwa
bakteri tidak memiliki pemrosesan mRNA rumit yang
ditemukan pada eucaryotes dan bahwa terjemahan sering
dimulai sebelum sintesis molekul RNA selesai. Namun
bakteri juga memiliki mekanisme kontrol kualitas untuk
menangani mRNA yang tidak sepenuhnya disintesis dan
rusak. saat ribosom bakteri diterjemahkan ke akhir RNA
yang tidak lengkap, ia terhenti dan tidak melepaskan RNA
208
Penyelamatan datang dalam bentuk RNA khusus
(disebut tmRNA), yang memasuki situs-A ribosom dan
diterjemahkan dengan sendirinya, melepaskan ribosom.
Dengan demikian, tag asam amino 11 khusus ditambahkan
ke terminal-C dari sinyal protein terpotong untuk protease
bahwa seluruh protein harus terdegradasi (Gambar 81).
Beberapa Protein Mulai Melipat Sementara Masih
Disintesis
Proses ekspresi gen belum berakhir saat kode genetik
telah dipakai untuk membuat urutan asam amino yang
membentuk protein. Agar bermanfaat bagi sel, rantai
polipeptida baru ini harus dilipat menjadi konformasi tiga
dimensi yang unik, mengikat setiap kofaktor molekul kecil
yang diperlukan untuk aktivitasnya, dimodifikasi secara
tepat oleh protein kinase atau enzim pengubah protein
lainnya, dan berkumpul dengan benar dengan subunit
protein lainnya yang berfungsi (Gambar 82).
209
Gambar 81. Penyelamatan
ribosom bakteri terhenti pada
molekul mRNA yang tidak
lengkap. TmRNA yang
ditampilkan yaitu RNA 363-
nukleotida dengan fungsi tRNA
dan mRNA, karenanya namanya.
Ia membawa alanin dan dapat
memasuki situs-A yang kosong
dari ribosom yang macet untuk
menambahkan alanin ini ke rantai
polipeptida, meniru tRNA
meskipun tidak ada kodon yang
hadir untuk memandunya.
Ribosom kemudian
menerjemahkan 10 kodon dari
tmRNA, melengkapi 11 tag asam
amino pada protein. Protease
mengenali tanda ini dan
menurunkan seluruh protein.
Meskipun contoh yang
ditunjukkan pada gambar yaitu
dari bakteri, eucaryotes dapat
menggunakan strategi yang sama.
210
Gambar 82 Langkah-langkah
dalam penciptaan protein
fungsional. Seperti yang
ditunjukkan, terjemahan
urutan mRNA menjadi
urutan asam amino pada
ribosom bukanlah akhir dari
proses pembentukan protein.
Agar berfungsi, rantai
polipeptida yang telah selesai
harus dilipat dengan benar
menjadi konformasi tiga
dimensi, mengikat kofaktor
yang diperlukan, dan
berkumpul dengan rantai
protein mitranya (jika ada).
Pembentukan ikatan
nonkovalen mendorong
perubahan ini. Seperti yang
ditunjukkan, banyak protein
juga memerlukan modifikasi
kovalen dari asam amino
terpilih. Meskipun modifikasi
yang paling sering yaitu
glikosilasi protein dan
fosforilasi protein, lebih dari
100 jenis modifikasi kovalen
diketahui (lihat, misalnya,
Gambar 3–81).
211
Informasi yang diperlukan untuk semua langkah yang
tercantum di atas pada akhirnya terkandung dalam urutan
asam amino terkait yang diproduksi ribosom saat
menerjemahkan molekul mRNA menjadi rantai polipeptida.
Seperti dibahas dalam Bab 3, saat protein terlipat ke dalam
struktur yang kompak, ia mengubur sebagian besar residu
hidrofobiknya dalam inti interior. Selain itu, sejumlah besar
interaksi nonkovalen terbentuk antara berbagai bagian
molekul. Ini yaitu jumlah dari semua pengaturan yang
menguntungkan secara energetik ini yang menentukan pola
lipatan akhir dari rantai polipeptida sebagai konformasi dari
energi bebas terendah (lihat hal. 130).
Melalui jutaan tahun evolusi, urutan asam amino dari
setiap protein telah dipilih tidak hanya untuk konformasi
yang diadopsi namun juga untuk kemampuan untuk melipat
dengan cepat. Untuk beberapa protein, lipatan ini dimulai
segera, saat protein berputar keluar dari ribosom, mulai
dari ujung terminal-N. Dalam kasus ini, karena setiap
domain protein muncul dari ribosom, dalam beberapa detik
ia membentuk struktur padat yang berisi sebagian besar fitur
sekunder akhir (ahelices dan bsheets) yang disejajarkan
212
dengan konformasi yang kira-kira tepat (Gambar 83).
struktur. Butuh beberapa menit untuk mensintesis protein
dengan ukuran rata-rata, dan untuk beberapa protein,
sebagian besar proses pelipatan selesai pada saat ribosom
melepaskan ujung terminal-C dari protein (Gambar 84).
Gambar 83 Struktur gumpalan cair. (A) Suatu bentuk gumpalan cair
dari sitokrom b562 lebih terbuka dan kurang teratur dibandingkan bentuk
akhir protein terlipat, seperti yang ditunjukkan dalam (B). Perhatikan
bahwa gumpalan cair mengandung sebagian besar struktur sekunder dari
bentuk akhir, meskipun ujung-ujung dari ahelices terurai dan salah satu
heliks hanya sebagian yang terbentuk. (Atas perkenan Joshua Wand, dari
213
Y. Feng et al., Nat. Struct. Biol. 1: 30–35, 1994. Dengan izin dari
Macmillan Publishers Ltd.)
Gambar 84 Lipat protein trans-translasi. Rantai polipeptida yang
tumbuh ditunjukkan memperoleh struktur sekunder dan tersiernya saat
muncul dari ribosom. Domain N-terminal terlipat pertama, sedangkan
domain C-terminal masih disintesis. Protein ini belum mencapai
konformasi akhir pada saat dilepaskan dari ribosom. (Dimodifikasi dari
A.N. Federov dan T.O. Baldwin, J. Biol. Chem. 272: 32715–32718,
1997.)
214
Molecular Chaperones Bantu Panduan Melipat Sebagian
Besar Protein
Sebagian besar protein mungkin tidak mulai terlipat
selama sintesisnya. Sebaliknya, mereka bertemu di ribosom
oleh kelas khusus protein yang disebut pendamping
molekuler. Chaperone molekuler berguna untuk sel karena
ada banyak jalur berbeda yang dapat diambil untuk
mengubah protein yang tidak terlipat atau terlipat sebagian
menjadi konformasi kompak akhir. Untuk banyak protein,
beberapa zat antara yang terbentuk di sepanjang jalan akan
teragregasi dan dibiarkan sebagai jalan buntu di luar jalur
tanpa intervensi pendamping (Gambar 85).
215
Gambar 85A pandangan terkini tentang pelipatan protein. Setiap
domain dari protein yang baru disintesis dengan cepat mencapai keadaan
"gumpalan cair". Pelipatan berikutnya terjadi lebih lambat dan melalui
banyak jalur, seringkali melibatkan bantuan pendamping molekul.
Beberapa molekul mungkin masih gagal melipat dengan benar; seperti
yang dijelaskan dalam teks, protease spesifik mengenali dan menurunkan
molekul-molekul ini
216
Banyak molekul chaperone disebut protein heat-shock
(ditunjuk sebagai Hsp), karena mereka disintesis dalam
jumlah yang meningkat secara dramatis setelah paparan sel
yang singkat pada suhu yang tinggi (misalnya, 42 ° C untuk
sel yang biasanya hidup pada suhu 37 ° C). Ini
mencerminkan pengoperasian sistem umpan balik yang
merespons peningkatan protein yang salah lipat (seperti yang
dihasilkan oleh suhu tinggi) dengan meningkatkan sintesis
chaperone yang membantu protein ini melipat kembali.
Ada beberapa keluarga besar pendamping molekul
eukariotik, termasuk protein Hsp60 dan Hsp70. Anggota
keluarga yang berbeda berfungsi dalam organel yang
berbeda. Jadi, seperti yang dibahas pada Bab 12,
mitokondria mengandung molekul Hsp60 dan Hsp70
mereka sendiri yang berbeda dari yang berfungsi dalam
sitosol; dan Hsp70 khusus (disebut BIP) membantu melipat
protein dalam retikulum endoplasma.
Protein Hsp60 dan Hsp70 masing-masing bekerja
dengan set kecil protein terkait saat mereka membantu
protein lain terlipat. Hsps memiliki afinitas untuk tambalan
hidrofobik yang terpapar pada protein yang tidak terlipat
217
sempurna, dan mereka menghidrolisis ATP, sering mengikat
dan melepaskan substrat protein mereka dengan setiap siklus
hidrolisis ATP. Dalam hal lain, kedua jenis protein Hsp
berfungsi secara berbeda. Mesin Hsp70 bertindak awal
dalam kehidupan banyak protein, mengikat untaian sekitar
tujuh asam amino hidrofobik sebelum protein meninggalkan
ribosom (Gambar 86). Sebaliknya, protein mirip-Hsp60
membentuk struktur besar yang terbentuk setelah protein
disintesis sepenuhnya. Jenis pendamping, kadang-kadang
disebut chaperonin, membentuk "ruang isolasi" di mana
protein yang gagal melipat diberi makan, mencegah agregasi
mereka dan memberi mereka lingkungan yang
menguntungkan untuk mencoba melakukan pelapisan ulang
(Gambar 87).
218
Gambar 86 Keluarga molekul pendamping molekul Hsp70. Protein-
protein ini bekerja sejak dini, mengenali hamparan kecil asam amino
hidrofob pada permukaan protein. Dibantu oleh satu set protein Hsp40
yang lebih kecil (tidak diperlihatkan), molekul Hsp70 yang terikat ATP
menangkap protein target mereka dan kemudian menghidrolisis ATP
menjadi ADP, mengalami perubahan konformasi yang menyebabkan
molekul Hsp70 untuk berasosiasi lebih erat dengan target. Setelah Hsp40
terdisosiasi, rebinding cepat ATP menginduksi disosiasi protein Hsp70
setelah rilis ADP. Pada kenyataannya, siklus berulang dari pengikatan
dan pelepasan protein Hsp membantu protein target untuk dilipat
kembali, seperti yang secara skematis diilustrasikan pada Gambar 85.
219
Gambar 87 Struktur dan fungsi keluarga Hsp60 dari molekul
pendamping. (A) Katalisis pemurnian protein. Protein yang salah lipatan
pada awalnya ditangkap oleh interaksi hidrofobik di sepanjang tepi laras.
Ikatan ATP berikutnya ditambah penutup protein meningkatkan
diameter laras barel, yang dapat secara sementara meregang (sebagian
membuka) protein klien. Ini juga membatasi protein dalam ruang
tertutup, di mana ia memiliki peluang baru untuk dilipat. Setelah sekitar
15 detik, hidrolisis ATP terjadi, melemahkan kompleks. Ikatan
berikutnya dari molekul ATP lain mengeluarkan protein, baik dilipat
atau tidak, dan siklus berulang. Jenis pendamping molekuler ini juga
dikenal sebagai chaperonin; itu ditetapkan sebagai Hsp60 dalam
220
mitokondria, TCP1 dalam sitosol sel vertebrata, dan GroEL pada
bakteri. Seperti yang ditunjukkan, hanya setengah dari barel simetris
yang beroperasi pada protein klien pada suatu waktu. (B) Struktur
GroEL terikat pada tutup GroES-nya, sebagaimana ditentukan oleh
kristalografi sinar-X. Di sebelah kiri diperlihatkan bagian luar struktur
seperti laras dan di sebelah kanan ada penampang melintang di
tengahnya. (B, diadaptasi dari B. Bukau dan A.L. Horwich, Cell 92: 351-
366, 1998. Dengan izin dari Elsevier.)
Para pendamping yang ditunjukkan pada Gambar 86
dan 87 sering menggunakan banyak siklus hidrolisis ATP
untuk melipat rantai polipeptida tunggal dengan benar.
Meskipun sebagian dari pengeluaran energi ini dipakai
untuk melakukan pekerjaan mekanis, mungkin lebih banyak
yang dikeluarkan untuk memastikan bahwa lipatan protein
akurat. Sama seperti yang kita lihat untuk transkripsi,
splicing, dan terjemahan, pengeluaran energi bebas dapat
dipakai oleh sel untuk meningkatkan akurasi proses
biologis. Dalam hal pelipatan protein, hidrolisis ATP
memungkinkan chaperone mengenali berbagai struktur yang
salah lipatan, untuk menghentikan pelipatan lebih lanjut dan
memulai kembali pelipatan protein dengan cara yang teratur.
Meskipun diskusi kami hanya berfokus pada dua jenis
pendamping, sel memiliki variasi yang lain. Keragaman
221
yang sangat besar dari protein dalam sel mungkin
membutuhkan berbagai chaperone dengan pengawasan
serbaguna dan kemampuan koreksi.
Daerah Hidrofobik Terkena Memberikan Sinyal Kritis
untuk Kontrol Kualitas Protein
Jika asam amino radioaktif ditambahkan ke sel untuk
waktu yang singkat, protein yang baru disintesis dapat
diikuti saat mereka matang dalam bentuk fungsional
terakhirnya. Jenis percobaan ini menunjukkan bahwa
protein Hsp70 bertindak pertama kali, dimulai saat protein
masih disintesis pada ribosom, dan protein seperti Hsp60
hanya bertindak kemudian untuk membantu melipat protein
lengkap. namun bagaimana sel membedakan protein yang
gagal melipat, yang membutuhkan putaran tambahan
pengerasan yang dikatalisis ATP, dari yang dengan struktur
yang benar?
Sebelum menjawab, kita perlu berhenti sejenak untuk
mempertimbangkan nasib protein pasca-translasi secara lebih
luas. Biasanya, jika sebuah protein memiliki bercak asam
hidrofobik terpapar yang cukup besar di permukaannya, itu
222
tidak normal: ia gagal melipat dengan benar setelah
meninggalkan ribosom, mengalami kecelakaan yang
sebagian membuka lipatannya di lain waktu, atau gagal
menemukan mitra normalnya subunit dalam kompleks
protein yang lebih besar. Protein seperti itu tidak hanya
berguna bagi sel, namun juga bisa berbahaya. Banyak protein
dengan daerah hidrofobik yang tidak normal dapat
membentuk agregat besar di dalam sel. Kita akan melihat
bahwa, dalam kasus yang jarang, agregat seperti itu memang
terbentuk dan menyebabkan penyakit manusia yang parah.
Namun, biasanya, mekanisme kontrol kualitas protein yang
kuat mencegah bencana semacam itu.
Dengan latar belakang ini, tidak mengherankan bahwa
sel-sel telah mengembangkan mekanisme rumit yang
mengenali tambalan hidrofobik pada protein dan
meminimalkan kerusakan yang disebabkannya. Dua dari
mekanisme ini tergantung pada pendamping molekuler yang
baru saja dibahas, yang berikatan dengan patch dan
berupaya memperbaiki protein yang rusak dengan
memberikannya kesempatan lain untuk melipat. Pada saat
yang sama, dengan menutupi bercak hidrofobik,
223
pendamping ini secara sementara mencegah agregasi
protein. Protein yang sangat cepat terlipat dengan sendirinya
tidak menampilkan tambalan seperti itu dan pendamping
memotongnya.
Gambar 88 menguraikan semua pilihan kontrol
kualitas yang dibuat sel untuk protein baru yang sulit
disintesis. Seperti yang ditunjukkan, saat upaya untuk
melipatgandakan protein gagal, mekanisme ketiga dipanggil
ke dalam permainan yang benar-benar menghancurkan
protein oleh proteolisis. Jalur proteolitik dimulai dengan
pengenalan patch hidrofobik abnormal pada permukaan
protein, dan berakhir dengan pengiriman seluruh protein ke
mesin penghancur protein, sebuah protease kompleks yang
dikenal sebagai proteasome. Seperti dijelaskan selanjutnya,
proses ini tergantung pada sistem penandaan protein yang
rumit yang juga menjalankan fungsi sentral lainnya dalam
sel dengan menghancurkan protein normal yang dipilih.
224
Gambar 88 Proses yang memantau kualitas protein setelah sintesis
protein. Protein yang baru disintesis kadang-kadang terlipat dengan
benar dan berkumpul sendiri dengan protein mitranya, dalam hal ini
mekanisme kontrol kualitas membiarkannya sendiri. Protein yang
terlipat sempurna dibantu untuk dilipat kembali oleh molekul
pendamping: pertama oleh keluarga protein Hsp70, dan kemudian dalam
beberapa kasus, oleh protein seperti Hsp60. Untuk kedua jenis
chaperone, protein klien dikenali dari tambalan asam amino hidrofobik
yang tidak normal pada permukaannya. Proses "penyelamatan protein"
ini bersaing dengan mekanisme lain yang, setelah mengenali tambalan
yang tidak normal, menandai protein untuk dihancurkan oleh
proteasome. Aktivitas gabungan dari semua proses ini diperlukan untuk
mencegah agregasi protein masif dalam sel, yang dapat terjadi saat
banyak daerah hidrofobik pada protein berkumpul bersama secara tidak
spesifik.
225
Proteasome yaitu Protease Terkompartemen dengan
Situs Aktif yang Diasingkan
Mesin proteolitik dan chaperone bersaing satu sama
lain untuk menata ulang protein yang gagal melipat. Jika
protein yang baru disintesis terlipat dengan cepat, paling
banyak hanya sebagian kecil saja yang terdegradasi.
Sebaliknya, protein yang terlipat perlahan rentan terhadap
mesin proteolitik untuk waktu yang lebih lama, dan banyak
lagi molekulnya dihancurkan sebelum sisanya mencapai
keadaan terlipat yang tepat. Karena mutasi atau kesalahan
dalam transkripsi, splicing RNA, dan terjemahan, beberapa
protein tidak pernah terlipat dengan benar. Sangat penting
bahwa sel menghancurkan protein yang berpotensi
berbahaya ini.
Peralatan yang secara sengaja menghancurkan protein
yang menyimpang yaitu proteasome, protease yang
bergantung pada ATP yang melimpah yang merupakan
hampir 1% dari protein sel. Hadir dalam banyak salinan
yang tersebar di seluruh sitosol dan nukleus, proteasome juga
menghancurkan protein menyimpang dari endoplasma
retikulum (ER). Sistem pengawasan berbasis ER mendeteksi
226
protein yang gagal melipat atau berkumpul dengan benar
setelah mereka memasuki ER, dan retrotranslokasi kembali
ke sitosol untuk degradasi (dibahas dalam Bab 12).
Gambar 89 Proteasome. (A) Pandangan potongan struktur silinder 20S
pusat, sebagaimana ditentukan oleh kristalografi sinar-x, dengan situs
aktif protease ditunjukkan oleh titik merah. (B) Seluruh proteasome, di
mana silinder tengah (kuning) dilengkapi dengan tutup 19S (biru) di
setiap ujung. Struktur tutup telah ditentukan oleh pemrosesan komputer
dari gambar mikroskop elektron. Tutup kompleks (juga disebut partikel
pengatur) secara selektif mengikat protein yang telah ditandai oleh
ubiquitin untuk dihancurkan; kemudian menggunakan hidrolisis ATP
untuk membuka rantai polipeptida mereka dan memberi mereka makan
melalui saluran sempit (lihat Gambar –91) ke dalam ruang dalam silinder
227
20S untuk pencernaan ke peptida pendek. (B, dari W. Baumeister et al.,
Sel 92: 367–380, 1998. Dengan izin dari Elsevier.)
Setiap proteasome terdiri dari silinder berongga pusat
(proteasome inti 20S) yang dibentuk dari beberapa subunit
protein yang berkumpul sebagai tumpukan kuasi-silinder
dari empat cincin heptamerik (Gambar 89). Beberapa
subunit yaitu protease berbeda yang situs aktifnya
berhadapan dengan ruang dalam silinder. Desain mencegah
protease yang sangat efisien ini merajalela melalui sel. Setiap
ujung silinder biasanya dikaitkan dengan kompleks protein
besar (tutup 19S), yang berisi cincin protein enam-subunit,
yang melaluinya protein target dimasukkan ke dalam inti
proteasome di mana mereka terdegradasi (Gambar 90).
Reaksi threading, didorong oleh hidrolisis ATP, membuka
protein target saat mereka bergerak melalui topi,
memaparkannya pada protease yang melapisi inti
proteasome (Gambar 91). Protein yang membentuk struktur
cincin di tutup proteasome termasuk dalam kelas besar
protein "tidak terbuka" yang dikenal sebagai protein AAA.
Banyak dari mereka berfungsi sebagai hexamers, dan ada
kemungkinan bahwa mereka berbagi fitur mekanistik dengan
228
ATP yang bergantung pada DNA oleh helicases DNA (lihat
Gambar 5-15).
Gambar 90 Pencernaan protein progresif oleh proteasome. Tutup
proteasome mengenali protein substrat, dalam hal ini ditandai oleh rantai
poli- poliquitin (lihat Gambar 92), dan kemudian mentranslasikannya ke
dalam inti proteasome, tempat dicerna. Pada tahap awal, ubiquitin
terbelah dari protein substrat dan didaur ulang. Translokasi ke dalam inti
proteasome dimediasi oleh cincin protein yang bergantung pada ATP
yang membuka protein substrat saat diulir melalui ring dan ke dalam inti
proteasome (lihat Gambar 91). (Dari S. Prakash dan A. Matouschek,
Tren Biochem. Sci. 29: 593-600, 2004. Dengan izin dari Elsevier.)
229
Gambar 91 Protein heksamerik tanpa lipatan. (A) Struktur ini terbentuk
dari enam subunit yang masing-masing milik keluarga protein AAA. (B)
Model untuk aktivitas unfoldase yang bergantung pada ATP dari protein
AAA. Bentuk ATP-terikat dari cincin heksamerik protein AAA mengikat
protein substrat terlipat yang telah ditandai untuk membuka (dan
akhirnya dihancurkan) dengan tag pengakuan seperti rantai polibiquitin
(lihat di bawah) atau peptida yang ditambahkan untuk menandai protein
yang disintesis secara tidak lengkap (lihat Gambar 81). Perubahan
konformasi, dibuat ireversibel oleh hidrolisis ATP, menarik substrat ke
inti pusat dan meregangkan struktur cincin. Pada titik ini, protein
substrat, yang sedang diseret, sebagian dapat dibuka dan masuk lebih
jauh ke dalam pori-pori atau dapat mempertahankan strukturnya dan
230
berdisosiasi. Substrat protein yang sangat stabil mungkin memerlukan
ratusan siklus hidrolisis dan disosiasi ATP sebelum berhasil ditarik ke
dalam cincin AAA. Setelah dibuka, protein substrat bergerak relatif cepat
melalui pori oleh putaran hidrolisis ATP berturut-turut. (A, dari X.
Zhang et al., Mol. Sel 6: 1473–1484, 2000, dan AN Lupas dan J. Martin,
Curr. Opin. Struct. Biol. 12: 746–753, 2002; B, dari RT Sauer et al., Cell
119: 9–18, 2004. Semua dengan izin dari Elsevier.)
Sifat penting dari proteasome, dan satu alasan untuk
kompleksitas desainnya, yaitu prosesitas mekanismenya:
berbeda dengan protease "sederhana" yang memotong rantai
polipeptida substrat hanya sekali sebelum dipisahkan,
proteasom menjaga seluruh substrat terikat sampai semua itu
diubah menjadi peptida pendek.
Tutup 19S juga bertindak sebagai "gerbang" yang
diatur di pintu masuk ke ruang proteolitik bagian dalam, dan
mereka bertanggung jawab untuk mengikat substrat protein
yang ditargetkan ke proteasome. Dengan beberapa
pengecualian, proteasom bekerja pada protein yang secara
khusus ditandai untuk dihancurkan oleh perlekatan kovalen
dari tag pengenal yang terbentuk dari protein kecil yang
disebut ubiquitin (Gambar 92A). Ubiquitin ada dalam sel
baik yang bebas atau yang secara kovalen terkait dengan
banyak protein intraseluler yang berbeda. Bagi banyak
231
protein, penandaan oleh ubiquitin menghasilkan
kehancurannya oleh proteasome. Namun, dalam kasus lain,
penandaan ubiquitin memiliki arti yang sama sekali berbeda.
Pada akhirnya, jumlah molekul ubiquitin yang ditambahkan
dan cara mereka saling terkait yang menentukan bagaimana
sel menginterpretasikan pesan ubiquitin (Gambar 93). Pada
bagian berikut ini, kami menekankan peran ubiquitylation
dalam menandakan degradasi protein
232
Gambar 92 Ubiquitin dan penandaan protein dengan rantai
polyubiquitin. (A) Struktur tiga dimensi ubiquitin; protein yang relatif
kecil ini mengandung 76 asam amino. (B) C-terminus ubiquitin awalnya
diaktifkan melalui hubungan thioester berenergi tinggi dengan rantai
samping sistein pada protein E1. Reaksi ini membutuhkan ATP, dan
berlangsung melalui perantara AMP-ubiquitin kovalen. Ubiquitin
233
teraktivasi pada E1, juga dikenal sebagai enzim pengaktivasi ubiquitin,
kemudian ditransfer ke sistein pada seperangkat molekul E2. E2 ini ada
sebagai kompleks dengan molekul E3 yang bahkan lebih besar. (C)
Penambahan rantai polyubiqu
.jpg)
