RIBOSOM DAN SINTESIS PROTEIN

Oleh Nurul Asikin, S.Pd., M.Pd.
  1. Struktur Ribosom

Ribosom merupakan organel berupa padatan yang tidak bermembran dan berukuransangat kecil (20-25 nm). Ribosom tersusun sebagian besar atas RNA (Ribonucleic Acid) sekitar 60% dan protein sebesar 40%. RNA ribosom (rRNA) disintesis didalam nukleolus inti sel dan diekspor serta difungsikan di sitoplasma. Ribosom berfungsi sebagai alat untuk sintesis protein. Ribosom yang bekerja menyintesis protein berada dalam suatu unit yakni gabungan antara sub unit besar dan sub unit kecil. Kedua sub unit tersebut berhubungan dalam suatu ikatan yang distabilkan oleh ion magnesium. Ribosom merupakan organel berbentuk butiran kecil (nucleoprotein) yang tersebar di dalam sitoplasma dan ada yang melekat pada permukaan eksternal dari Retikulum Endoplasma. Pada dasarnya, ribosom eukaryot berukuran sedikit lebih besar daripada ribosom prokaryot (Biology, Science, & Page, 2011; Bray, Johnson, Raff, & Walter, 2009).

Di dalam ribosom diketahui terdapat 3 bagian yang memiliki fungsi tersendiri, yaitu bagian E (exit site), bagian P (peptidil site), dan bagian A (aminoacyl site). Bagian/situs P merupakan tempat pengikatan tRNA yang membawa rantai polipeptida yangsedang tumbuh, situs A merupakan tempat pengikatan tRNA yang membawa asamamino yang akan ditambahkan pada rantai polipeptida, sedangkan situs E merupakan tempat keluarnya tRNA yang sudah terdeasilisasi.Terdapat dua macam persebaran butiran nucleoprotein pada permukaan ribosom. Butiran nukleoprotein yang tersebar bebas pada sitoplasma disebut ribosom bebas, sedangkan butiran nukeloprotein yang menempel pada permukaan retikulumendoplasma disebut ribosom terikat. Ribosom bebas berperan dalam proses sintesisenzim, sedangkan ribosom terikat berfungsi dalam sintesis protein (Karp, 2010).

Gambar 1. Struktur Ribosom yang berfungsi untuk melaksanankan sintesis protein (Bray et al., 2009)

 

Ribosom memainkan peran sentral dalam sintesis protein, berorientasi pada mRNA dan asam amino – tRNA sehingga membawa kode genetik yang dapat dibaca secara akurat dan pembentukan ikatan peptida katalisator untuk menghubungkan asam amino menjadi polipeptida. Ribosom merupakan partikel yang terbuat dari RNA ribosomal (rRNA) dan protein yang berada dalam sitoplasma dan pada eukariota terdapat dalam matriks mitokondria dan stroma kloroplas. Di dalam sitoplasma eukariotik, ribosom terjadi baik bebas dalam sitosol dan terikat pada membran retikulum endoplasma dan membran luar nuclear envelope. Ribosom prokariota (Archae dan Bakteri)  lebih kecil daripada eukariota, meskipun banyak protein ribosomal, faktor penerjemahan, dan tRNA yang digunakan oleh Archaea menyerupai rekan-rekan eukariotik yang lebih dekat untuk melakukan komponen sebanding dengan bakteri (Bray et al., 2009). Bentuk dari ribosom bakteri khas dan  diperlihatkan oleh mikroskop elektron pada Gambar 2.

Gambar 2.  Ribosom Bakteri. (a) Mikrograf electron menunjukkan intact ribosomes sebagai subunit individual (TEM). (b) Dua model structural, berdasarkan mikrograf, menunjukkan dua pandangan, dimana ribosoms mengalami rotasi 90°. Ribosom bakteri memiliki diameter 25 nm. (Ribosom pada sitoplasma eukariotik hampir memiliki kesamaan dalam hal bentuk dan diameter sekitar 30 nm) (Bray et al., 2009)..

 

Ribosom pada bakteri juga dibangun dari dua subunit yang tidak sesuai disebut subunit besar dan subunit kecil. Ribosom bakteri memiliki sedimentasi yang koefesien sekitar 70S yang dibangun dari subunit kecil 30S dan subunit besar 50S. Ribosom eukariotik yang setara adalah ribosom 80S yang terdiri dari subunit 40S dan subunit 60S.

Ribosom prokariotik mengandung protein lebih sedikit, serta sensitif terhadap berbagai inhibitor sintesis protein, dan memiliki molekul RNA yang lebih kecil (terdiri satu dan lebih sedikit RNA) dibandingkan dengan ribosom eukariotik.  rRNA yang dihasilkan lebih besar dari prekursor molekul dengan reaksi pembelahan dan pengolahan. Selama peristiwa pengolahan, rRNA menjadi terkait dengan protein ribosom dan merakit sendiri menjadi subunit yang kecil dan besar, yang datang bersama-sama hanya setelah mengikat mRNA. X-ray kristalografi telah memungkinkan pengaturan semua protein tunggal dan molekul RNA dari subunit kecil dan besar dari ribosom bakteri yang bisa ditentukan dengan tepat hingga ke tingkat atom. Venkatraman Ramakrishanan, Thomas Steits A, dan Ada E. Yonath dianugerahi Hadiah Nobel dalam bidang Kimia pada tahun 2009.

Sel yang memiliki laju sintesis protein yang tinggi maka sel tersebut memiliki ribosom yang banyak. Ribosom membangun protein pada dua lokasi pada sitoplasma, setiap saat ribosom bebas tersebar didalam sitosol, sedangkan ribosom terikat tersebar didalam sis luar retikulum endoplasma atau selaput nukleus. Kedua ribosom ini memiliki struktur yang identik secara struktural dan ribosom dapat berganti-ganti perannya. Sebagian besar protein yang dibuat diribosom bebas berfungsi dalam sitosol contohnya, enzim yang mengkatalisis langkah pertama penguraian gula. Sedangkan ribosom yang terikat umunya membuat protein yang nantinya akan disisipkan dalam membran untuk dikemas menjadi organel tertentu.

Gambar 3. Peran dari ribosom dalam sintesi protein, karena sel eukariotik menyediakan informasi genetiknya didalam nukleus tetapi sintesis proteinnya terjadi didalam sitoplasma, semua protein dibutuhkan untuk mentransportasikan keluar ke sitoplasma, dan banyak dari molekul RNA dan subunit ribosom dibutuhkan untuk sintesis protein (Bolsover, Hyams, Shephard, White, & Wiedemann, 2004)..

 

  1. Fungsi Ribosom

Dalam sel, ribosom berada di dua area sitoplasma. Beberapa ribosom ditemukan tersebar dalam sitoplasma yang disebut sebagai ribosom bebas. Sedangkan ribosom lain yang menempel pada retikulum endoplasma disebut ribosom terikat. Oleh karena itu, permukaan retikulum endoplasma dimana terdapat ribosom menempel disebut retikulum endoplasma kasar (RER). Baik ribosom bebas maupun ribosom terikat memiliki struktur yang mirip dan sama-sama bertanggung jawab untuk memproduksi protein. Fungsi utama ribosom adalah menyusun asam amino untuk membentuk protein tertentu. Ribosom dapat melakukan sintesis protein dengan tepat karena urutan penyusunan asam amino selama sintesis protein ditentukan oleh mRNA. mRNA disintesis dalam nukleus kemudian dibawa ke sitoplasma untuk melanjutkan proses sintesis protein.

Dalam sitoplasma, dua subunit ribosom akan menempel di sekitar polimer mRNA yang kemudian dengan bantuan RNA transfer (tRNA) akan menjalani proses sintesis protein sesuai dengan kode genetik. Seluruh proses sintesis protein disebut juga sebagai dogma sentral. Biasanya protein yang disintesis oleh ribosom bebas hanya digunakan di dalam sitoplasma. Sedangkan molekul protein yang diproduksi oleh ribosom terikat akan dibawa ke luar sel.Bila dilihat dari fungsi utama ribosom yakni proses sintesis protein, maka tanpa adanya ribosom suatu sel tidak akan bisa berfungsi.

Dalam menjalankan fungsinya, ribosom dibantu oleh beberapa komponen, yaitu :

  1. mRNA

mRNA merupakan tempat cetakan protein. mRNA merupakan salinan suatu gendi dalam DNA di dalam inti, yang kemudian diekspor menuju sitoplasma untuk diterjemahkan sebagai protein dengan bantuan ribosom.

  1. Asam amino
  2. tRNA

tRNA merupakan pembawa asam amino spesifik. tRNA memiliki antikodontriplet yang komplemen dengan kodon yang terdapat pada mRNA. Denganadanya komplementasi antara kodon dengan antikodon, maka urutan asam aminoakan didikte oleh urutan kodon mRNA.

  1. Faktor-faktor

Ada 3 kelompok faktor yang terlibat dalam sintesis protein, yaitu faktor inisiasi,elongasi dan terminasi. Faktor inisiasi merupakan faktor yang mengawali pembentukan rantai peptida, faktor elongasi merupakan faktor yang berperandalam pemanjangan rantai peptida, sedangkan faktor terminasi berperan dalam penghentian pemanjangan rantai peptida dan mengakhiri sintesis protein.

 

PERHATIKAN VIDEO BERIKUT:

Dari DNA menjadi Protein

 

  1. Proses Sintesis Protein

Ketepatan terbentuknya protein-protein baru memegang peranan yang sangat penting selama berlangsungnya proses seluler. Asam amino terbentuk sesuai dengan instruksi genetik dan ribosom memfasilitasi proses translasi dimana messenger RNA (mRNA) diterjemahkan sesuai dengan informasi genetik yang dikodenya. Informasi dasar mengenai struktur DNA dan RNA dan bagaimana materi dasar tersebut menentukan sintesis suatu protein sangat diperlukan. Perlu diketahui bahwa gen adalah informasi genetik dan DNA adalah substansi di dalam kromosom dimana gen dibuat. Gen didistribusikan ke dalam anak sel ketika sel membelah. Molekul DNA terdiri dari dua rantai panjang yang saling berlekatan satu sama lain oleh pasangan basa yang saling berkomplementer. Terdapat empat macam sub unit penyusun DNA yaitu deoxyribonucleotides yang mengandung basa adenin (A), cytosin (C), guanin (G) dan thymin (T). Nukleotid satu dengan yang lain dihubungkan dengan ikatan fosfodiester yang menggabungkan karbon 5’ dan deoxyribose yang satu dengan karbon 3’ dan deoxyribose berikutnya. Bukti menunjukkan bahwa basa A berpasangan dengan T dan basa G berpasangan dengan basa C yang disebut pasangan basa Watson-Crick. Aksi dari suatu gen atau yang lebih sering dikenal sebagai ekspresi gen adalah serangkaian proses dimana informasi genetik diterjemahkan sehingga terbentuk produk yaitu protein atau RNA. Proses ini melibatkan serangkaian proses yang disebut transkripsi dan translasi. Transkripsi adalah proses membuat copy/salinan suatu RNA dari suatu gen yang diatur oleh gen-gen tertentu yang disebut operon. Translasi adalah proses penerjemahan RNA menjadi protein yang secara aktif dikoordinasi oleh ribosom (Karp, 2010).

Genom DNA pada dasarnya tidak dapat membentuk protein secara langsung, namun membutuhkan molekul RNA sebagai perantara. Ketika sel membutuhkan protein, sekuens nukleotida tertentu dalam DNA yang mengkode protein tersebut akan membentuk kopi RNA yang disebut transkripsi. Kopi RNA ini berperan digunakan langsung sebagai template untuk mensintesis protein, proses ini disebut translasi.Aliran genetik terjadi dari DNA menjadi RNA kemudian menjadi protein. Pada dasarnya, semua sel organisme mulai dari bakteri hingga manusia mengekspresikan informasi genetik dengan jalur yang sama, sehingga secara prinsip dasar ini dinamakan sentral dogma dari biologi molekuler (Bray et al., 2009).

Gambar 4 .   Dogma sentral yang menggambarkan Aliran informasi genetik dari DNA menjadi RNA (transkripsi) dan RNA menjadi protein (translasi) yang terjadi pada semua makhluk hidup (Karp, 2010)..

 

Transkripsi adalah sintesis RNA dibawah arahan DNA. Keduanya menggunakan bahasa yang sama sehingga informasi dari DNA disalin begitu saja dari satu molekul ke molekul yang lain (basa T pada DNA disalin menjadi basa U pada RNA). Untai tunggal DNA bertindak sebagai template untuk penyusunan sekuen nukleotida RNA (seperti pada proses replikasi DNA, perbedaannya pada replikasi DNA yang disusun pada template induk adalah sekuen nukleotida DNA). Bagi gen pengkode protein, molekul RNA tersebut merupakan transkrip dari instruksi penyusunan-protein dari gen (RNA ini dapat dihasilkan dalam jumlah yang banyak melalui proses transkripsi). Tipe molekul RNA semacam ini disebut messenger RNA (mRNA) karena molekul ini membawa pesan genetik dari DNA menuju mesin pensintesa-protein dalam sel (Bianchi & Sheeler, 2009). (Transkripsi merupakan istilah umum untuk sintesis berbagai tipe RNA dari template DNA dan ada berbagai tipe RNA yang dihasilkan melalui transkripsi).

Translasi adalah sintesis polipeptida yang terjadi melalui arahan dari mRNA. Selama proses ini terdapat perubahan bahasa. Sel harus menterjemahkan urutan molekul basa mRNA ke dalam urutan asam amino polipeptida. Tempat terjadinya penerjemahan/translasi adalah ribosom yaitu suatu komponen partikel yang memfasilitasi penggabungan asam amino yang berurutan menjadi rantai polipeptida. Mekanisme dasar dari transkripsi dan translasi pada sel prokariot dan sel eukariot adalah serupa namun terdapat perbedaan penting dalam aliran informasi genetik dalam sel. Karena sel prokariot tidak memiliki membrane nukleus, maka DNA-nya tidak terpisah dari ribosom. Karena tidak adanya pemisahan ini maka translasi mRNA sudah dapat dimulai walaupun transkripsi sedang berlangsung. Pada sel eukariot nukleus memiliki membran inti yang memisahkan transkripsi dan translasi menurut waktu dan tempat. Transkripsi terjadi di dalam nucleus dan mRNA ditransport menuju sitoplasma dimana translasi terjadi. Namun, sebelum meninggalkan nucleus, RNA eukariot yang mentranskrip kode dari gen (disebut pre-mRNA) mengalami berbagai modifikasi sehingga menghasilkan mRNA yang fungsional (Bolsover et al., 2004).

Kodon: Triplet Basa

Triplet basa nukleotida adalah unit terkecil yang mampu mengkode keseluruhan jenis asam amino. Banyak percobaan yang telah membuktikan bahwa aliran informasi dari gen menuju protein didasarkan pada triplet code. Instruksi genetic untuk menyusun rantai polipeptida tertulis di dalam DNA sebagai rangkaian yang tidak saling overlap dan tersusun atas tiga nukleotida. Selama transkripsi, gen menentukan urutan dari basa sepanjang molekul mRNA (Gambar 5). Untuk tiap-tiap gen, hanya satu dari dua untai DNA yang ditranskripsi. Untai ini disebut template strand karena untai tersebut menyediakan pola atau cetakan urutan nukleotida dalam transkrip RNA. Molekul mRNA merupakan komplemen dari DNA template karena basa RNA disusun berdasarkan aturan pasangan basa. Pasangannya adalah serupa dengan yang dihasilkan pada replikasi DNA tetapi U pada RNA menggantikan T dan berpasangan dengan A, serta nukleotida dari mRNA mengandung ribose bukan deoxyribose. Seperti pada sintesis untai baru DNA, molekul RNA yang disentesis dari template DNA juga disusun dengan arah antiparalel. Sebagai contoh, basa triplet DNA adalah ACC (dibaca 3’-ACC-5’) menjadi template bagi tersusunnya 5’-UGG-3’ mRNA. Basa triplet pada mRNA ini disebut kodon, dan pada umumnya tertulis dengan arah 5’-3’. Pada contoh diatas UGG merupakan kodon bagi asam amono tryptophan (Trp). Istilah kodon juga digunakan untuk basa triplet DNA pada untai non-template (Bray et al., 2009).

Gambar 5. Kode Triplet  (Bray et al., 2009)

 

Selama translasi, sekuen dari kodon di sepanjang untai mRNA di terjemahkan (translasi/dekode) ke dalam sekuen asam amino yang menyusun rantai polipeptida. Gambar 6 menunjukkan hubungan antara kodon dan protein yang disintesis.

Gambar 6. Kamus kode genetik. Ketiga basa kodon mRNA disimbolkan sebagai basa pertama, kedua, dan ketiga, dibaca dengan arah 5’ à 3’ di sepanjang mRNA  (Campbell et al., 2008)

  1. Transkripsi

Komponen Molekuler dari Transkripsi

mRNA sebagai pembawa informasi dari DNA menuju ribosom, ditranskripsi dari untai template suatu gen. Enzim RNA polimerase memisahkan dua untai DNA dan menggabungkan nukleotida RNA dengan basa pasangannya pada template DNA. Sekuen nukleotida yang spesifik pada untai DNA menandai tempat dimana transkripsi gen bermula dan berakhir. Sekuen DNA dimana RNA polimerase menempel dan memulai transkripsi dikenal sebagai promoter (pada bacteria signal yang mengakhiri transkripsi dikenal sebagai terminator). Untai DNA yang ditranskripsi ke dalam molekul RNA disebut unit transkripsi. Terdapat tiga tahap transkripsi (Gambar 7) yaitu inisiasi, elongasi, dan terminasi.

Pengikatan RNA Polimerase dan Inisiasi Transkripsi

Di dalam suatu promoter sudah terdapat signal tempat mulainya transkripsi. Selain itu promoter juga menentukan untai DNA mana yang akan dijadikan template untuk ditranskripsi (DNA memiliki dua untai berbetuk helix – double helix). Pada sel eukariot, komponen protein yang disebut factor transkripsi menjadi media pengikatan RNA polimerase, dan menjadi tempat inisiasi transkripsi.

Pemanjangan (Elongasi) Untai RNA

RNA polimerase bergerak sepanjang DNA, membuka untaian double helix-nya untuk dipasangkan dengan nukleotida RNA. Suatu enzim menambahkan untai nukleotida yang baru terbentuk sehingga untai RNA ini memanjang. RNA nukleotida yang baru tersebut terlepas dari template DNA, dan dua untai DNA yang terpisah menyatu kembali menjadi doublehelix.

Terminasi Transkripsi

Mekanisme terminasi pada sel eukariot berlangsung sebagai berikut. RNA polimerase mentranskripsi suatu sekuen DNA yang disebut signal poliadenilasi (AAUAAA), kemudian pada panjang nukleotida 10-25 suatu protein memotong rangkaian nukleotida RNA tersebut. Rangkaian RNA ini desebut sebagai pre m-RNA. Pre m-RNA selanjutnya akan mengalami modifikasi.

Gambar 7.  Tahap-tahap transkripsi: inisiasi, elongasi, dan terminasi (Campbell et al., 2008)

 

  1. Translasi

Komponen Molekuler Translasi

Dalam melakukan proses translasi, sel menginterpretasikan pesan genetik ke dalam pembentukan polipeptida. Pesan tersebut terdapat dalam rangkaian kodon pada molekul mRNA, sedangkan interpreter-nya adalah transfer RNA (tRNA). Fungsi tRNA adalah mentransfer asam amino dari sitoplasma menuju ribosom (Campbell et al., 2008). Ribosom merangkai asam amino yang dibawa oleh tRNA menjadi rangkaian polipeptida (Gambar 8).

Gambar 8. Konsep dasar translasi: ketika seutas molekul mRNA bergerak melalui ribosom, kodon ditranslasi menjadi asam amino, satu persatu. Yang bertindak sebagai penerjemah adalah molekul tRNA. Setiap tipe tRNA mengandung antikodon spesifik pada salah satu ujungnya dan asam amino yang bersesuaian pada ujung lain (Campbell et al., 2008)..

Kunci dari translasi pesan genetic menjadi rangkaian asam amino tertentu adalah bahwa tiap-tiap molekul tRNA mentranslasikan kodon mRNA ke dalam asam amino tertentu. tRNA yang masuk ke dalam ribosom membawa asam amino pada ujungnya sedangkan pada ujung yang lainnya terdapat triplet nukleotida yang disebut antikodon, yang berpasangan dengan kodon mRNA.

 

Pada proses translasi dapat dibagi menjadi tiga tahap yaitu inisiasi, elongasi dan terminasi.

Inisiasi

Tahap inisiasi diawali dengan mengumpulnya mRNA, tRNA yang membawa asam amino pertama, dan dua subunit ribosom. Subunit ribosom kecil mengikat mRNA dan tRNA yang membawa asam amino methionin, kemudian subunit ribosom besar menempel. Secara keseluruhan komponen ini disebut sebagai translation initiation complex (Gambar 9). Struktur ribosom mencerminkan fungsinya yang mempertemukan mRNA dengan tRNA yang mengangkut asam amino. Selain situs pengikatan untuk mRNA, setiap ribosom memiliki tiga situs pengikatan untuk tRNA yaitu situs P, Situs A, dan situs E. Situs P menampung tRNA yang membawa rantai polipeptida yang sedang tumbuh, sedangkan situs A menampung tRNA yang mengangkut asam amino yang akan ditambahkan berikutnya ke rantai tersebut. tRNA yang telah melepaskan muatannya meninggalkan ribosom melalui situs E (Campbell et al., 2008).

Gambar 9. Inisiasi Translasi (Campbell et al., 2008)

 

 

 

Pemanjangan (Elongasi) rantai polipeptida

Pada elongasi translasi, asam amino ditambahkan satu persatu ke asam amino sebelumnya. Setiap penambahan asam amino membutuhkan protein yang disebut faktor pemanjang (elongation factor). Elongasi berlangsung dalam siklus yang terdiri atas tiga tahap yaitu pengenalan kodon, pembentukan ikatan peptide, dan translokasi (Gambar 10).

Gambar 10. Siklus pemanjangan (elongasi) translasi (Campbell et al., 2008).

 

Terminasi Translasi

Tahap akhir translasi adalah terminasi (Gambar 11). Elongasi akan berjalan terus menerus hingga kodon “stop” pada mRNA mencapai sisi A pada ribosom. Protein yang disebut faktor pelepasan (release factor) terikat secara langsung pada kodon “stop” di sisi A. Triplet basa UAG, UAA, dan UGA merupakan kodon stop yang tidak mengkodekan asam amino, melainkan bekerja sebagai sinyal untuk menghentikan translasi (Campbell et al., 2008)..

Gambar 11. Terminasi translasi (Campbell et al., 2008)..

 

 

 

 

Proses Sintesis Protein

 

Proses Transkripsi dan Translasi