Archive for the ‘BioBasics’ Category

Kode Genetik, Resep bagi Kehidupan

Mengungkap bagaimana DNA dibaca sebagai resep untuk membuat protein. Karena fungsinya ini, DNA dinobatkan sebagai buku resep atau cetak biru (blueprint ) bagi kehidupan.

Bila bilangan biner yang hanya terdiri dari angka 0 dan 1 saja bisa membuat komputer melakukan berbagai pekerjaan, maka DNA tentunya bisa berbuat lebih hebat lagi. Sebab DNA terdiri dari 4 macam kode (A, G, T dan C) yang tidak lain melambangkan basa-basa nukleotida penyusun DNA. DNA adalah untai panjang basa-basa nukleotida, panjangnya bisa jutaan hingga miliaran basa (lihat lagi artikel tentang DNA di sini). Sekilas memang kita pusing kalau mengamati urut-urutan basa DNA, bayangkan jutaan huruf tapi cuma ada ACTG di situ. Tapi tentu saja tidak mungkin itu semua hanya timbunan huruf tanpa makna, pastilah urutan basa itu memiliki makna besar terselubung yang mesti dipecahkan.

Benar saja, ternyata memang DNA adalah blueprint atau resep untuk membuat protein, zat yang sangat berperan menunjang kehidupan makhluk hidup. Masalah ini sudah kita bahas pada tulisan “Mesin Super Canggih itu Ada dalam Tubuh Kita“.

Setelah diketahui bahwa DNA terdiri dari 4 macam basa, ilmuwan menduga-duga bagaimana caranya urut-urutan basa DNA bisa menentukan urutan asam amino penyusun protein, pasti ada keteraturan atau rumusan tertentu.

Berbagai kemungkinan sandi pun dicoba, namun akhirnya diketahui bahwa rumusan itu amat sederhana sekaligus rumit (lho, kok bisa?), mereka menyusun suatu ‘rumusan tanpa spasi’.

Jadi bayangkan DNA genom sebagai sebuah buku tebal yang terdiri atas bab-bab yang disebut kromosom. Setiap bab terdiri atas kalimat-kalimat bermakna yang diselingi iklan. Kalimat bermakna ini kita namakan gen karena dialah yang berfungsi sebagai resep untuk membuat protein, sedangkan selingan iklan adalah bagian DNA yang belum diketahui secara pasti apa fungsinya (‘junk DNA’ alias DNA sampah). Kalimat bermakna (gen) ini terdiri atas kata-kata yang memiliki jumlah huruf yang sama, yang mana masing-masing kata adalah sandi yang mewakili asam amino tertentu. Inilah kode genetik itu.

Kode Genetik

Nah yang jadi masalah berapakah jumlah huruf dalam setiap kata tersebut? Kalau 2 huruf, berarti ada 4^2 kemungkinan alias 8, padahal kita tahu ada 20 asam amino yang menyusun protein. Maka yang paling mungkin adalah 3 huruf, karena berarti ada 4^3 kemungkinan atau 64. Jadi kalau begitu satu asam amino bisa dikodekan oleh lebih dari satu kata. Kata 3 huruf ini lebih dikenal dengan nama kodon.

Kode genetik yang pertama berhasil dipecahkan adalah UUU untuk asam amino Phenylalanine (Phe/F) Menyusul kemudian kode genetik untuk ke-19 asam amino lainnya. Berikut ini adalah kode genetik untuk ke-20 asam amino. Kode genetik di bawah ini disusun berdasarkan kodon RNA (Ingat, T pada DNA berubah menjadi U pada RNA, untuk lebih jelasnya baca lagi artikel ini):

Amino Acid	3-letter code	1-letter code	Codon, Genetic Code
Alanine	Ala	A	GCU, GCC, GCA, GCG
Arginine	Arg	R	CGU, CGC, CGA, CGG, AGA, AGG
Asparagine	Asn	N	AAU, AAC
Aspartic acid	Asp	D	GAU, GAC
Cysteine	Cys	C	UGU, UGC
Glutamine	Gln	Q	CAA, CAG
Glutamic acid	Glu	E	GAA, GAG
Glycine	Gly	G	GGU, GGC, GGA, GGG
Histidine	His	H	CAU, CAC
Isoleucine	Ile	I	AUU, AUC, AUA
Leucine	Leu	L	UUA, UUG, CUU, CUC, CUA, CUG
Lysine	Lys	K	AAA, AAG
Methionine	Met	M	AUG
Phenylalanine	Phe	F	UUU, UUC
Proline	Pro	P	CCU, CCC, CCA, CCG
Serine	Ser	S	UCU, UCC, UCA, UCG, AGU,AGC
Threonine	Thr	T	ACU, ACC, ACA, ACG
Tryptophan	Trp	W	UGG
Tyrosine	Tyr	Y	UAU, UAC
Valine	Val	V	GUU, GUC, GUA, GUG
Start			AUG *
Stop			UAG (amber), UGA (opal), UAA (ochre)

* AUG adalah start codon yang paling umum. Alternatif start codon lain misalnya CUG pada eukaryotes dan GUG pada prokaryotes.

Table di atas bisa juga disajikan dalam bentuk tabel Kodon RNA seperti ini:

First Position (5′ end)

Second Position U C A G U UUU (Phe) UUC (Phe) UUA (Leu) UUG (Leu) UCU (Ser) UCC (Ser) UCA (Ser) UCG (Ser) UAU (Tyr) UAC (Tyr) UAA (Stop) UAG (Stop) UGU (Cys) UGC (Cys) UGA (Stop) UGG (Trp) U C A G C CUU (Leu) CUC (Leu) CUA (Leu) CUG (Leu) CCU (Pro) CCC (Pro) CCA (Pro) CCG (Pro) CAU (His) CAC (His) CAA (Gln) CAG (Gln) CGU (Arg) CGC (Arg) CGA (Arg) CGG (Arg) U C A G A AUU (Ile) AUC (Ile) AUA (Ile) AUG (Met/Start) ACU (Thr) ACC (Thr) ACA (Thr) ACG (Thr) AAU (Asn) AAC (Asn) AAA (Lys) AAG (Lys) AGU (Ser) AGC (Ser) AGA (Arg) AGG (Arg) U C A G G GUU (Val) GUC (Val) GUA (Val) GUG (Val) GCU (Ala) GCC (Ala) GCA (Ala) GCG (Ala) GAU (Asp) GAC (Asp) GAA (Glu) GAG (Glu) GGU (Gly) GGC (Gly) GGA (Gly) GGG (Gly) U C A G

Third Position (3′ end)

Yang istimewa, kode genetik ini berlaku universal, setiap makhluk hidup mulai dari virus, bakteri, jamur, serangga, mamalia termasuk manusia memiliki kode genetik yang sama. Hanya terdapat sedikit pengecualian saja.

Membaca kode genetik

Bagaimana resep genetik dibaca oleh tubuh kita? Ini juga tidak sederhana lho, banyak sekali aturannya. Seperti telah diungkap di atas, tidak semua bagian DNA merupakan resep genetik, pada manusia 98%-nya adalah junk DNA, hanya 2% yang berupa gen yang mengkodekan protein. Tubuh kita dan juga makhluk hidup lain sudah dibekali ‘kecerdasan’ untuk membedakan bagian DNA mana yang harus dibaca dan mana yang tidak. Yang paling sederhana adalah pada bakteri, karena sebagian besar DNA-nya adalah gen.
Ilustrasi berikut ini mungkin bisa membantu kita memahami bagaimana sel tubuh membaca resep kehidupannya sendiri. Coba perhatikan contoh urutan basa DNA berikut:

ATGTATTCTTACGGAATCCCTGAT

Sel membaca kalimat di atas sebagai kata-kata 3 huruf:

ATG TAT TCT TAC GGA ATC CCT GAT

Sesuai tabel kode genetik di atas, sel menterjemahkan kata-kata itu menjadi:

ATG TAT TCT TAC GGA ATC CCT GAT (DNA)

 M   Y   S   Y   G   I   P   D  (Asam amino)

Reading Frame

Kalau kita jeli, kita akan melihat adanya alternatif pembacaan lain. Coba perhatikan, kalimat tadi bisa juga dibaca begini:

A TGT ATT CTT ACG GAA TCC CTG AT

Atau seperti ini:

AT GTA TTC TTA CGG AAT CCC TGA T

Dan kalau diterjemahkan hasilnya pun akan berbeda:

A TGT ATT CTT ACG GAA TCC CTG AT
   C   I   L   T   E   S   L

AT GTA TTC TTA CGG AAT CCC TGA T
    V   F   L   R   N   P   *

Jadi ada 3 alternatif pembacaan dari satu utas DNA, dan karena DNA itu adalah pasangan 2 utas yang saling berkomplemen, berarti kalimat inipun bisa dibaca pada utas pasangannya, artinya total ada 6 cara pembacaan DNA, atau istilah kerennya Reading Frame.

Dari 6 Reading Frame, biasanya hanya salah satu frame saja yang merupakan kalimat bermakna alias gen, frame ini kita namakan Open Reading Frame (ORF).

Sederhana sekali sekaligus sebuah sistem yang cerdas bukan? Seperti itulah resep kehidupan kita dan seluruh makhluk hidup disusun, dibaca dan diterjemahkan. Dari kode-kode sederhana namun menghasilkan makhluk hidup yang amat rumit.

Mesin Super Canggih itu Ada dalam Tubuh Kita

Kita mungkin tak sadar kalau tubuh kita adalah sebuah mesin super canggih yang belum bisa ditandingi oleh mesin manapun. Ya, mesin ini terdiri dari mesin-mesin mikro yang sangat banyak. Ia mampu memproduksi sesuatu yang menopang hidup kita sendiri, berjalan dengan sangat efektif, sangat efisien, terintegrasi satu sama lain, mampu membedakan apa yang harus diproduksi dan apa yang tidak, tahu kapan harus bekerja dan kapan beristirahat, ada sistem pengendalian mutu (quality control) dan jaminan mutu (quality assurance), benar-benar canggih.

Mesin itu jumlahnya amat banyak, ada di dalam setiap sel tubuh kita. Mereka memproduksi zat yang super penting yaitu protein, dengan DNA sebagai buku resepnya (blueprint ). Protein inilah yang sesungguhnya menjalankan banyak sekali fungsi kehidupan. Melalui protein lah gen-gen dalam tubuh kita menentukan hampir segala sesuatu tentang tubuh kita, misalnya apa warna rambut kita, bagaimana kita memproses makanan dalam tubuh atau seberapa tahan kita terhadap suatu penyakit. Jadi terbayang kan betapa canggihnya mesin dalam tubuh kita?

Sekilas Protein

Protein adalah molekul yang sangat besar dan kompleks, ia berupa polimer yang tersusun atas rantai panjang molekul-molekul subunit yang dinamakan “asam amino”. Ada 20 jenis asam amino yang menyusun protein, struktur dasar semuanya sama, tapi rantai samping (gugus R) yang berbeda-beda membuat sifat kimiawinya berbeda pula.

Seperti umumnya polimer lain seperti DNA, asam-asam amino tersusun rapi bak anak tasbih berjejer membentuk tasbih. Asam-asam amino tersusun satu per satu membentuk rantai lurus protein dengan keteraturan tertentu. Namun yang unik dari protein ini adalah bentuk tiga dimensinya yang tidak lurus seperti tali, melainkan berlipat-lipat, berpelintir, membentuk sebuah struktur tertentu yang khas, berbeda satu sama lain. Bahkan struktur tiga dimensi inilah yang membuat protein dapat berfungsi. Kesalahan sedikit saja protein ini melipat, maka bisa menyebabkan malfungsi bahkan penyakit-penyakit yang sulit disembuhkan.

Contoh kesalahan struktur tiga dimensi ini misalnya pada penyakit Cystic Fibrosis. Penyakit ini diakibatkan sebuah protein bernama CFTR (Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator) yang gagal melipat dengan benar. Penyebabnya ‘sepele’ saja, ‘hanya’ karena ada satu asam amino penyusun CFTR yang kurang (terdelesi). Namun efek tidak berfungsinya CFTR membuat ion khlorida tidak dapat melewati outer membrane pada sel, sehingga menyebabkan terbentuknya lapisan mukus yang tebal di paru-paru dan organ-organ pencernaan. Akibatnya cukup fatal karena dapat menyebabkan kematian penderitanya di usia belia. ‘Hanya’ gara-gara kurang satu asam amino.

Hingga saat ini, para ilmuwan belum dapat memprediksi struktur tiga dimensi (3D) suatu protein dengan tepat. Yang bisa dilakukan adalah mengamati struktur tiga dimensi melalui pengamatan difraksi sinar X. Prediksi baru bisa dilakukan hingga struktur sekunder saja, yaitu apakah suatu bagian tertentu protein membentuk spiral ‘alfa helix’ atau lembaran ‘beta sheets’, sedangkan struktur tersier (3D) masih ‘samar-samar’. Padahal kalau kita dapat memprediksi struktur 3D, kita dapat mengerti atau memprediksi sifat fetonip suatu organisme.

Implikasi lain jika struktur 3D protein mampu diprediksi adalah bagi dunia medis. Dengan mampunya kita memprediksi bagaimana protein melipat di dalam sel, maka secara teoritis kita dapat merancang obat yang tepat yang dapat menghambat fungsinya melalui program komputer tanpa harus ‘bersusah payah’ dan mengeluarkan biaya besar untuk eksperimen. Kita berharap semoga para ahli structural bioinformatics mampu segera menyelesaikan masalah ini.

Bagaimana Protein Diproduksi dalam Tubuh?

Ada tiga tahap proses yang terlibat dalam produksi protein. Semuanya terjadi dengan cara yang cerdas, efektif, efisien dan super canggih. Yo kita lihat.

Replikasi DNA

Replikasi adalah proses penggandaan DNA ketika suatu sel membelah dan membentuk sel yang baru. DNA pada sel lama berfungsi sebagai cetakan (template) untuk membuat salinan DNA pada sel baru yang urutan basa A-C-G-T nya persis sama. Ini menjamin setiap sel dalam tubuh kita memiliki seperangkat resep lengkap untuk membuat protein yang dibutuhkan.

Transkripsi

Pada tahap awal produksi protein, informasi resep yang ada pada gen dikopi satu per satu (basa per basa) dari sebuah rantai DNA di dalam nukleus sel menjadi rantai RNA pembawa pesan (messenger RNA = mRNA). Rantai DNA berfungsi sebagai cetakan (template) yang akan menghasilkan mRNA komplemennya. Bedanya, basa T (thymine) pada DNA digantikan oleh U (uracil) pada mRNA, namun keduanya tetap sama-sama berkomplemen dengan A (adenine). Proses pengkopian DNA menjadi RNA ini dinamakan transkripsi.

Perlu diingat bahwa jumlah mRNA yang ditranskripsi diatur (diregulasi) oleh tubuh kita sendiri, setiap sel hanya mentranskrip gen-gen yang dibutuhkan. Sel rambut hanya mentranskrip gen-gen pengkode protein di rambut saja, begitu pula dengan sel jantung, kulit, darah, dll. Dalam transkripsi dikenal juga istilah gen yang on dan off, on artinya gen tersebut ditranskripsi menjadi mRNA, off berarti sebaliknya. Jumlah mRNA yang disintesis pun tidak sembarangan, sedikit banyaknya disesuaikan dengan kebutuhan.

Translasi

mRNA hasil transkripsi kemudian dikeluarkan menuju sitoplasma sehingga bisa diproses lebih lanjut oleh suatu organel sel yang bernama ribosom. Ribosom akan membaca urutan basa RNA dan menterjemahkannya (translate ) menjadi urutan asam amino tertentu sesuai dengan resep yang dibawa mRNA. Di sinilah asam-asam amino itu dirakit sesuai urutan yang diresepkan gen (DNA) dan kemudian melipat membentuk struktur tiga dimensi yang fungsional.

Anda dapat melihat video proses Replikasi, Transkripsi dan Translasi di sini.

Central Dogma

Tiga langkah proses di atas dinamakan “Central Dogma” dan bisa dikatakan sebagai tulang punggung Biologi Molekular. Ini semua sudah direncanakan alam dan masing-masing ada kegunaannya sendiri-sendiri.

Coba perhatikan ketiga proses di atas, replikasi menjamin resep tubuh kita (DNA) tetap terjaga utuh di setiap sel. Transkripsi melibatkan RNA pembawa pesan (mRNA) yang mana sekaligus melindungi “otak” seluruh sistem ini –yaitu DNA– dari kerusakan, mengingat sintesis protein terjadi di sitoplasma yang penuh dengan bahan-bahan kimia, maka kalaupun terjadi kerusakan pada mRNA, DNA sebagai resep utama masih tetap utuh terjaga. Akhirnya, mRNA hasil transkripsi diterjemahkan (translasi) menjadi protein sebagai ‘pekerja’ bagi tubuh kita. Protein yang disintesis terkait langsung dengan regulasi ketika transkripsi, jadi protein apa saja yang disintesis dan berapa jumlahnya amat sangat teratur, tidak boleh ada istilah kekurangan atau kelebihan.

Tiga langkah yang terlihat sederhana, simple namun ternyata amat rumit dan canggih dan menghasilkan sesuatu yang luar biasa bergunanya bagi kehidupan. Ya, semuanya ada dalam tubuh kita sendiri.

Ilustrasi Video Replikasi, Transkripsi dan Translasi

DNA Replication

RNA Transcription

Protein Translation