Genetika mikroba
















Yang dibahas dalam Bab ini:


 Bagaimana gen, kromosom, dan mutasi berperan dalam menentukan sifat-sifat menurun pada prokaryot
 Bagaimana asam-asam nukleat menyimpan dan mentransfer informasi genetik pada prokaryot
 Mekanisme replikasi dan transkripsi pada prokaryot
 Tahapan penting dalam sintesa protein
 Mekanisme regulasi aktivitas dan sintesis enzim pada prokaryot
 Jenis regulasi enzyme
 Mutasi dan peran mutasi dalam mempengaruhi organisme
 Perbedaan mutasi spontan dan yang diinduksi
 Jenis mutasi dan pengaruhnya pada organisme
 Mekanisme perbaikan oleh sel untuk meminimalkan efek mutasi
 Mempelajari terjadinya mutasi


Pendahuluan

Materi genetik organisme tersimpan di dalam inti
Berupa untai double stranded yang disebut kromosom
Kromosom ini merupakan DNA (dalam prokaryot berupa untai yang diskontinyu atau sirkuler)
Kromosom dibentuk oleh susunan pasangan asam nukleat
Setiap pasangan yang komplement dihubungkan oleh ikatan hidrogen
Urutan pasangan basa pada DNA dengan panjang tertentu akan mengkode satu jenis protein (urutan pasang basa ini disebut gen)

Penyimpanan dan transfer informasi genetik

Semua informasi yang mengkode struktur dan fungsi sel tersimpan pada DNA
Pada E. coli, kromosomnya mengandung sekitar 5 juta pasang basa nitrogen
Beberapa ratus pasang basa membentuk unit yang mengkode 1 protein (disebut gen)
Pasangan specifik (A dengan T, G dengan C)
Bila satu gen dibentuk oleh 500 pasang basa, maka jumlah gen yang dikandung oleh kromosom E. coli yang membawa 5 juta pasang basa adalah sebanyak 10.000 gen.
Secara teoritis E. coli dapat menghasilkan 10.000 jenis protein

Transfer materi genetik

Informasi genetik ini harus ditransfer oleh sel kepada sel anaknya
Informasi pada DNA akan mengarahkan sel untuk melakukan replikasi dan sintesa protein
Dalam kedua proses ini DNA akan berperan sebagai cetakan (template)
Urutan basa yang terdapat pada polimer baru akan komplement dengan yang terdapat pada DNA asal.
Pada proses replikasi akan dihasilkan DNA baru
Pada sintesa protein, polimer yang dihasilkan adalah mRNA

Replikasi DNA

Replikasi dimulai dari lokasi spesifik pada kromosom yang berbentuk sirkuler
Mula-mula akan melibatkan kerja enzim yang memecah ikatan hidrogen yang menghubungkan pasangan basa pada double stranded DNA, memisahkan kedua strand dan menstabilkannya
Akibatnya akan terbentuk basa-basa yang terekspose (dua replication forks)
Kemudian, enzim DNA polimerase bergerak disepanjang replication forks dengan arah 5’ ke 3’ untuk membentuk DNA baru
Penambahan basa nitrogen komplement secara sinambung hanya terjadi pada satu strand
Pada strand yang lain akan terjadi penambahan basa komplement secara diskontinyu
Akibatnya akan terdapat celah-celah pada DNA baru dengan strand ini sebagai template
Untuk menutup celah-celah tersebut, maka sel akan melibatkan enzim ligase
Dua kromosom baru yang terbentuk akan membawa 50% komponen (satu strand) kromosom induknya
Mekanisme replikasi seperti ini disebut dengan replikasi semikonservatif

Sintesa protein

Melibatkan dua proses utama
– Transkripsi: sintesa RNA dari DNA
– Translasi: menterjemahkan kode yang dibawa oleh mRNA

Transkripsi
– Agar dapat terjadi transkripsi maka sel harus mempunyai nukleotida dengan ikatan posfat ber-energi tinggi dalam jumlah yang memadai
– Proses ini diawali oleh pemutusan ikatan hidrogen pada DNA
– Hanya satu strand dari DNA akan berperan sebagai template
– Selanjutnya enzim RNA polimerase akan berikatan pada strand DNA yang berperan sebagai template
– Segera setelah terikat pada template pada basa pertama, maka nukleotida yang sesuai (komplement) akan segera bergabung dengan kompleks enzim-basa DNA
– Setelah terbentuk ikatan antara basa nitrogen tersebut, maka enzim RNA polimerase akan bergerak ke basa berikutnya pada DNA
– Hal yang sama seperti diatas diulang dan pada tahap ini akan diikuti oleh terbentuknya ikatan antara phosfat dari nukleotida yang kedua denganbagian ribosa dari nukleotida yang pertama
– Hal ini diikuti oleh lepasnya pyrophosphat (dua molekul phosfat sisa)
– Proses tersebut terus berulang, sehingga terjadi pemanjangan molekul RNA sampai terbentuk RNA yang lengkap
– Ada 3 jenis RNA yang disintesis untuk dipakai dalam sintesa protein pada tahap berikutnya (mRNA, tRNA, dan rRNA)
Translasi
– Merupakan proses yang sangat penting dalam pertumbuhan sel bakteri
– Akan mengkonsumsi sebanyak 80 – 90% energi seluler
– Selama proses, akan tersedia RNA dan asam amino dalam jumlah yang cukup
– Proses diawali oleh terikatnya mRNA pada ribosom pada start kodon
– tRNA yang membawa antikodon akan masuk pada aktif site pada kompleks mRNA dan robosom
– Asam amino yang dibawa oleh tRNA akan berikatan satu sama lain, sehingga terjadi pemanjangan rantai polipeptida
– Kompleks mRNA kemudian bergerak 1 kodon diikuti oleh lepasnya tRNA yang pertama
– Dari sini akan terbentuk satu aktif site lagi yang siap menerima tRNA baru dengan asam aminonya.
– Proses berulang terus sampai terbentuk protein yang lengkap

Regulasi metabolisme

Regulasi diperlukan untuk menghemat energi
Energi akan digunakan oleh sel hanya bila diperlukan
Oleh karena itu, dalam perjalanan evolusinya sel mengembangkan mekanisme apakah sel akan menjalankan atau menghentikan reaksi biokimia
Alasan lain, sel hanya mempunyai tempat yang sangat terbatas untuk menyimpan materi yang disintesis secara berlebih
Untuk mempelajari mekanisme kontrol pada organisme, biasanya dipakai bakteri, dengan alasan:
– Biaya pembiakannya murah
– Banyak generasi dihasilkan dalam waktu singkat
– Mutasi dapat diamati dalam waktu singkat (regenerasinya cepat)
Mekanisme regulasi dilakukan dengan cara:
– Mengatur aktivitas enzim secara langsung (menentukan kecepatan reaksi dari enzim yang sudah ada)
– Menagtur laju sintesis enzim tertentu (mengatur expresi gen)
Mekanisme yang sudah diketahui:
– Feed back inhibition
– Enzyme induction
– Enzyme repression

Feed back inhibition
– Sering disebut dengan end product inhibition
– Phenomena ini dapat diamati pada kultur bakteri pada medium yang mengandung asam amino tertentu
– Contoh: Sintesis asam amino threonin
Ada dua kelompok enzyme berdasarkan apakah enzim tersebut diproduksi secara terus menerus atau disintesis pada saat ada substratnya:
– Enzim konstitutif
– Enzim induktif
Ezim induksi (Enzim pendegradasi laktosa)
– Pertama kali penjelasan mekanisme kontrol pada pevel molekuler diberikan oleh Jacob dan Monod pada th. 1961
– Melibatkan beberapa genes: gen regulator (I), gen promotor (P) dan gen operator (O), dan gen struktural (x,y,z)
Enzim repression
– Mengatur proses anabolisme
– Sintesis dilakukan pada substrat yang diperlukan dalam pertumbuhan
– Contoh trp operon
Bila dalam media telah tersedia tryptopan, maka senyawa ini akan berperan sebagai repressor dengan cara berikatan pada protein yang dihasilkan oleh gen regulator
Kompleks ini akan terikat pada gen promotor, dan menghalangi disintesanya enzim untuk sintesa tryptopan
Bila dalam medium tidak ada tryptopan, maka protein yang dihasilkan oleh gen regulator menjadi tidak aktif, sehingga proses repression tidak terjadi
Sintesa enzim untuk membentuk tryp terjadi
Proses repressi juga terjadi pada E. coli yg ditumbuhkan pada medium yang mengandung glukosa dan laktosa