Biologi Universitas — Tahun 1 · Bachelor Year 1

19Pengungkapan Gen: Transkripsi dan Translasi

Sebuah gen berisi tiga puluh ribu pasangan basa dibaca dalam seperempat jam menjadi sebuah salinan kerja, dipangkas menjadi dua ribu huruf, dikirim keluar dari intinya, lalu ditranslasikan dua puluh lima ribosom sekaligus menjadi sebuah protein berisi lima ratus asam amino — satu tiap empat sekon, selama salinannya bertahan. Sel membelanjakan energi untuk hal ini lebih banyak daripada untuk apa pun yang lain. Bab ini mengikuti informasinya dari DNA ke protein: penyalinan sebuah gen menjadi RNA, penyuntingan RNA itu pada eukariot, kode yang memetakan triplet basa pada asam amino, ribosom yang membacanya, dan apa yang terjadi pada sebuah protein begitu ia dibuat.

19.1 Dari gen ke protein

Proposisi 19.1 (Aliran informasinya)

Informasi genetik mengalir dari DNA ke RNA ke protein. Transkripsi menyalin satu untai sebuah gen menjadi sebuah RNA yang urutannya sama dengan untai yang lain (dengan U menggantikan T); translasi membaca RNA pembawa pesan tiga basa pada satu waktu lalu merakit asam amino yang bersesuaian menjadi sebuah polipeptida. Tiap langkahnya memakai pemasangan basa: DNA dengan RNA dalam transkripsi, pembawa pesan dengan RNA pemindah dalam translasi. Karena itu urutan sebuah protein adalah transkrip urutan gennya, dan perubahan satu basa dapat mengubah satu asam amino — tautan antara mutasi dan fenotipenya. Informasi tidak mengalir balik dari protein ke asam nukleat; satu langkah balik yang ada, RNA yang disalin menjadi DNA oleh retrovirus, tidak menyentuh proteinnya.

19.2 Transkripsi

Definisi 19.2 (RNA polimerase, promotor, transkripsi)

RNA polimerase mensintesis RNA pada sebuah cetakan DNA, $5' \to 3'$ , dari keempat ribonukleosida trifosfatnya, tanpa sebuah primer. Ia mulai pada sebuah promotor, yaitu urutan tepat di hulu gennya yang dikenali dan diikatnya; pada bakteri sebuah subunit yang disebut $\sigma$ (sigma) yang mengenalinya, pada dua bentangan lestari sepuluh dan tiga puluh lima pasangan sebelum awalnya. Enzimnya membuka sekitar lima belas pasangan heliksnya menjadi sebuah gelembung transkripsi, menyalin untai cetakannya (yang dibaca $3' \to 5'$ ) menjadi sebuah RNA yang urutannya serupa dengan untai yang lain, yaitu untai penyandi, lalu bergerak sepanjangnya pada sekitar lima puluh nukleotida tiap sekon, sambil menutup kembali heliksnya di belakangnya; RNA-nya mengelupas seiring dibuatnya. Ia berhenti pada sebuah pengakhir: pada bakteri sebuah urutan yang melengkapi dirinya sendiri yang RNA-nya melipat menjadi sebuah jepit rambut yang menarik transkripnya lepas. Banyak polimerase dapat mengikuti satu sama lain sepanjang sebuah gen, sehingga sebuah transkrip dapat dimulai tiap sekon.

Transkripsi. Polimerasenya membuka sebuah gelembung, memasangkan ribonukleotida pada untai cetakannya lalu menyambungnya 5' 3'; RNA-nya pergi lewat sebuah saluran seiring majunya enzimnya. — Transkripsi. Polimerasenya membuka sebuah gelembung, memasangkan ribonukleotida pada untai cetakannya lalu menyambungnya $5' \to 3'$ ; RNA-nya pergi lewat sebuah saluran seiring majunya enzimnya.

Proposisi 19.3 (Transkripsi eukariot dan pemrosesan RNA)

Eukariot memiliki tiga polimerase: I bagi RNA ribosom yang besar, II bagi RNA pembawa pesan, III bagi RNA pemindah dan RNA kecil. Polimerase II tidak mengenali promotornya sendirian: sehimpunan faktor transkripsi umum merakit diri padanya (pada sebuah urutan TATA sekitar tiga puluh pasangan di hulu pada banyak gen) lalu merekrut enzimnya, dan protein pengatur yang terikat dekat atau jauh menyetel lajunya (Bab 20). Transkrip primernya diproses dalam intinya: sebuah tudung guanina yang diubah ditambahkan pada ujung $5'$ -nya, sebuah ekor berisi sekitar dua ratus adenina (poli-A) pada ujung $3'$ -nya, dan intronnya disingkirkan lewat penyambungan — sebuah kompleks RNA kecil dan protein, yaitu spliceosom, mengenali GU pada awal tiap intronnya dan AG pada ujungnya, memotong, lalu menyambung eksonnya. Baru sesudah itu pembawa pesan yang matang diekspor ke sitosolnya. Banyak gen disambung dengan lebih dari satu cara (penyambungan berselang-selang), sehingga satu gen menghasilkan beberapa protein; kedua puluh ribu gen manusia membuat barangkali seratus ribu protein.

Bukti eksperimental. Sharp dan Roberts (1977) menghibridisasikan sebuah RNA pembawa pesan virus pada DNA gennya lalu melihat hibridnya di bawah mikroskop elektron: RNA-nya berpasangan dengan DNA-nya pada beberapa bentangan, dan di antaranya DNA-nya menggelung keluar tanpa pasangan — yaitu intronnya, yang hadir dalam gennya dan tidak hadir dalam pesannya. Gen bakteri, yang diperlakukan sama, tidak memberikan gelung. Ukuran transkrip primer sebuah gen, yang diukur dalam intinya, sepadan dengan gennya; ukuran pembawa pesan sitoplasmanya sepadan dengan eksonnya saja. ∎

Dari gen ke pembawa pesan pada sebuah eukariot: seluruh gennya ditranskripsikan, lalu intronnya dipotong keluar dan eksonnya disambung, sebuah tudung dan sebuah ekor poli-A ditambahkan, dan pesan matangnya meninggalkan intinya.

19.3 Kode genetik

Definisi 19.4 (Kode genetik)

Yang disebut kode genetik memetakan triplet basa pembawa pesan, yaitu kodon, pada asam amino. Dari 64 kodonnya, 61 menentukan kedua puluh asam aminonya dan tiga (UAA, UAG, UGA) menjadi isyarat berhenti; AUG menentukan metionina dan sekaligus menjadi kodon mulai, sehingga tiap polipeptida baru diawali metionina. Kodenya bersifat merosot — sebagian besar asam amino memiliki beberapa kodon, yang sebagian besarnya berbeda pada kedudukan ketiganya — tak bertindih, dibaca tanpa tanda baca dalam sebuah kerangka baca yang ditetapkan kodon mulainya, dan hampir semesta, sama pada bakteri, tumbuhan dan hewan dengan ragam kecil dalam mitokondria: sebuah gen manusia yang ditaruh dalam sebuah bakteri dibaca dengan benar.

basa	basa kedua				basa
pertama	U	C	A	G	ketiga
U	Phe Phe Leu Leu	Ser Ser Ser Ser	Tyr Tyr henti henti	Cys Cys henti Trp	U C A G
C	Leu Leu Leu Leu	Pro Pro Pro Pro	His His Gln Gln	Arg Arg Arg Arg	U C A G
A	Ile Ile Ile Met	Thr Thr Thr Thr	Asn Asn Lys Lys	Ser Ser Arg Arg	U C A G
G	Val Val Val Val	Ala Ala Ala Ala	Asp Asp Glu Glu	Gly Gly Gly Gly	U C A G

Kode genetik. Tiap selnya mendaftar keempat kodon dengan basa pertama dan kedua yang diberikan serta basa ketiga U, C, A, G berurutan. AUG adalah metionina dan isyarat mulainya; UAA, UAG dan UGA adalah isyarat berhentinya. Basa ketiganya sering tidak penting: kodenya merosot.

Proposisi 19.5 (Bagaimana kodenya dibaca)

Kodenya adalah kode triplet yang tak bertindih, dan makna tiap kodonnya dapat ditentukan lewat kimia.

Bukti eksperimental. Crick dan Brenner (1961) membuat mutasi pada sebuah gen fag yang menambahkan atau menyingkirkan satu basa: satu perubahan semacam itu merusak fungsi gennya, begitu pula dua, tetapi tiga penyisipan (atau tiga penghapusan) yang berdekatan memulihkannya — pesannya dibaca bertiga, dari sebuah titik awal yang tetap, dan sebuah penyisipan menggeser kerangka segala yang ada di hilirnya. Nirenberg dan Matthaei (1961) menambahkan sebuah RNA buatan berisi urasil saja pada sebuah ekstrak E. coli tanpa sel bersama kedua puluh asam aminonya: ekstrak itu membuat sebuah rantai fenilalanina saja, sehingga UUU berarti Phe; pembawa pesan buatan yang lain, lalu pengikatan trinukleotida tunggal pada ribosom bersama RNA pemindahnya, menetapkan keenam puluh empatnya pada 1966. ∎

Contoh 19.6 (Membaca sebuah pesan)

Pembawa pesan $5'$ -…GCAUGGCUUUCGGAUAA…- $3'$ dibaca dari AUG-nya: AUG GCU UUC GGA UAA — Met-Ala-Phe-Gly-berhenti: sebuah peptida berisi empat residu. Hapuslah G pertama sesudah AUG dan kerangkanya bergeser: AUG CUU UCG GAU AA… — Met-Leu-Ser-Asp…, sebuah protein yang berbeda dengan panjang yang berbeda. Ubahlah UUC menjadi UUU dan tak ada yang berubah: keduanya Phe, sebuah mutasi bisu.

19.4 Translasi

Definisi 19.7 (RNA pemindah dan sintetasenya)

Sebuah RNA pemindah (Bab 11) adalah penghubung antara kodon dan asam amino: antikodonnya, yaitu tiga basa dalam sebuah gelung, berpasangan antiparalel dengan sebuah kodon pesannya, dan ujung $3'$ -nya membawa asam amino yang bersesuaian. Pemasangan pada kedudukan kodon ketiganya longgar (goyah), sehingga sekitar empat puluh tRNA sudah cukup bagi enam puluh satu kodonnya. Tiap tRNA dimuati aminoasil-tRNA sintetase-nya sendiri, yaitu sebuah enzim yang mengenali asam aminonya maupun tRNA-nya lalu menyambungkan keduanya dalam dua langkah dengan biaya satu ATP (yang dibelah menjadi AMP: dua ikatan berenergi tinggi), sambil mengoreksi asam aminonya. Kedua puluh enzim itulah tempat kodenya sungguh-sungguh dilaksanakan: ribosomnya tidak memeriksa asam amino mana yang dibawa sebuah tRNA, hanya memeriksa bahwa antikodonnya cocok.

Definisi 19.8 (Ribosom)

Yang disebut ribosom adalah sebuah partikel berisi dua subunit, masing-masing dari RNA ribosom dan protein (pada bakteri: sebuah subunit kecil 30S dan sebuah subunit besar 50S, bersama-sama 70S, $2.5\,\mathrm{MDa}$ ; ribosom eukariot lebih besar, 80S). Subunit kecilnya mengikat pembawa pesannya lalu memecahkan kodenya; subunit besarnya memegang tRNA-nya lalu membentuk ikatan peptidanya — katalisnya adalah RNA ribosomnya sendiri. Tiga sisi tRNA menjangkau kedua subunitnya: A (aminoasil, tempat tRNA bermuatan berikutnya masuk), P (peptidil, yang memegang rantai yang sedang tumbuh), E (keluar).

Ribosom: dua subunit yang menjepit pembawa pesannya, dua RNA pemindah dalam celahnya, rantai yang tumbuh pergi lewat sebuah terowongan dalam subunit besarnya.

Proposisi 19.9 (Daur pemanjangannya)

Translasi mulai ketika subunit kecilnya menemukan kodon mulainya — pada bakteri dengan memasangkan sebuah urutan RNA ribosom dengan sebuah sisi tepat di hulu AUG-nya, pada eukariot dengan mengikat tudungnya lalu memindai sampai AUG pertamanya — dan tRNA pemulanya (metionina) menetap pada sisi P-nya; subunit besarnya lalu bergabung. Tiap putaran pemanjangan menambahkan satu residu: sebuah tRNA bermuatan yang antikodonnya cocok dengan kodon sisi A-nya diantarkan sebuah faktor pemanjangan lalu diperiksa (satu GTP); RNA ribosom subunit besarnya memindahkan rantai yang tumbuh dari tRNA sisi P-nya ke asam amino tRNA sisi A-nya, sehingga membentuk ikatan peptidanya; ribosomnya bergerak satu kodon (sebuah GTP kedua), sehingga menggeser tRNA-nya ke P dan E, dan yang kosong pergi. Pada sebuah kodon berhenti sebuah faktor pelepas masuk ke sisi A-nya dan rantainya dihidrolisis lepas. Ribosom bakteri menambahkan lima belas sampai dua puluh residu tiap sekon, ribosom eukariot dua sampai lima; beberapa ribosom membaca satu pesan sekaligus, sehingga membentuk sebuah polisom.

Satu putaran pemanjangan. Sebuah tRNA bermuatan diizinkan masuk ke sisi A-nya ketika antikodonnya cocok; RNA ribosomnya menyambungkan rantainya pada asam aminonya; ribosomnya maju satu kodon, dan tRNA yang kosong pergi. Dua GTP tiap residu, ditambah dua ikatan berenergi tinggi yang dibelanjakan saat memuati tRNA-nya.

Polisom di bawah mikroskop elektron: ribosom yang berjajar sepanjang sebuah pembawa pesan, masing-masing membuat salinan proteinnya sendiri.

Metode 19.10 (Memperhitungkan sintesis sebuah protein)

Panjangnya: sebuah protein berisi $n$ residu memerlukan sebuah urutan penyandi berisi $3n + 3$ nukleotida (kodon berhentinya termasuk), di dalam sebuah pembawa pesan yang lebih panjang sebesar ujung tak tertranslasinya dan, dalam gennya, sebesar intronnya.
Waktunya: bagilah $n$ dengan laju pemanjangannya ( $15\text{ to }20\,$ tiap sekon pada bakteri, $2\text{ to }5\,$ pada eukariot); pesannya dibaca satu ribosom tiap $80\text{ to }100\,$ nukleotida, sehingga keluaran tiap pesannya adalah satu rantai tiap (jarak / laju) sekon.
Energinya: empat ikatan fosfat berenergi tinggi tiap residu (dua untuk memuati tRNA-nya, dua GTP pada ribosomnya), ditambah transkripsi pesannya sebanyak dua tiap nukleotida, yang dibagi di antara semua rantai yang dihasilkan pesan itu.
Kesetiaannya: sekitar satu asam amino yang keliru tiap $10^4$ kodon; sebuah protein berisi $500\,$ residu keliru di suatu tempat pada satu salinan dari dua puluh — yang tertanggungkan karena protein dapat diganti dan kekeliruannya tidak diwariskan.

19.5 Sesudah translasi

Proposisi 19.11 (Apa yang terjadi pada sebuah polipeptida baru)

Rantainya melipat seiring munculnya, dibantu pendamping protein (Bab 12). Tujuannya tertulis dalam urutannya: sebuah peptida isyarat pada ujung N-nya mengikat sebuah partikel pengenal isyarat yang menghentikan translasinya, menambatkan ribosomnya pada retikulum endoplasma, lalu merangkai rantainya ke dalam lumennya (Bab 6); urutan yang lain mengarahkan protein ke dalam mitokondria, kloroplas, inti atau peroksisomnya sesudah sintesisnya; sebuah protein tanpa isyarat tinggal dalam sitosolnya. Banyak protein diubah: metionina pemulanya disingkirkan, gula dipautkan dalam RE dan Golginya, fosfat ditambahkan dan disingkirkan kinase serta fosfatase, lipid dipautkan, keping dipotong keluar (insulin dibuat sebagai satu rantai lalu dipotong menjadi dua; zimogen dipotong untuk mengaktifkannya). Dan tiap protein akhirnya diuraikan: ditandai dengan protein kecil ubikuitin lalu dibuka lipatannya dan dicerna proteasom, sesudah hidup beberapa menit (protein pengatur) sampai beberapa bulan (hemoglobin) — sehingga protein yang hadir adalah protein yang sedang dibuat selnya.

Contoh 19.12 (Angka sebuah sel)

Sebuah E. coli yang sedang tumbuh memegang sekitar $20\,000$ ribosom, yang masing-masing menambahkan dua puluh residu tiap sekon: $4 \times 10^{5}$ residu tiap sekon, sejuta protein berisi $300\,$ residu dalam sejam — yakni isinya sendiri, dan itulah yang dituntut pelipatduaan tiap jam. Separuh energinya pergi ke sintesis protein. Sebuah sel hati memegang sepuluh juta ribosom dan membuat protein untuk dipakai berminggu-minggu alih-alih untuk membelah; sebuah sel plasma, yang menyekresikan antibodi, mengerahkan hampir seluruhnya bagi satu protein lalu mencurahkan dua ribu molekul tiap sekon.

19.6 Latihan

Latihan 19.1 ★

Berikan RNA yang ditranskripsikan dari untai cetakan $3'$ -TACGGATTC- $5'$ , dan untai penyandinya.

Solusi

Solusi Latihan 19.1.

RNA $5'$ -AUGCCUAAG- $3'$ ; untai penyandinya $5'$ -ATGCCTAAG- $3'$ .

Latihan 19.2 ★

Sebutkan ketiga perubahan yang dijalani sebuah transkrip primer eukariot sebelum ia meninggalkan intinya.

Solusi

Solusi Latihan 19.2.

Sebuah tudung $5'$ (guanina yang diubah), sebuah ekor poli-A $3'$ , dan penyingkiran intronnya lewat penyambungan.

Latihan 19.3 ★

Dengan tabel kodenya, translasikan $5'$ -AUGCCGAAAGUUUGA- $3'$ .

Solusi

Solusi Latihan 19.3.

AUG CCG AAA GUU UGA: Met-Pro-Lys-Val, lalu berhenti.

Latihan 19.4 ★

Sebutkan ketiga sisi tRNA ribosomnya dan apa yang terjadi pada masing-masing.

Solusi

Solusi Latihan 19.4.

A: tRNA bermuatan yang masuk diizinkan lalu diperiksa. P: tRNA yang membawa rantai yang tumbuh; ikatannya terbentuk antara rantai itu dan asam amino sisi A-nya. E: tRNA yang telah dikosongkan dalam perjalanan keluarnya.

Latihan 19.5 ★★

Sebuah pembawa pesan berisi $2400\,$ nukleotida memiliki $150\,$ kawasan tak tertranslasi $5'$ dan $450\,$ kawasan tak tertranslasi $3'$ beserta poli-A. Berapa residu proteinnya? Berapa lama satu ribosom membuatnya pada empat residu tiap sekon, dan berapa banyak ribosom yang dapat membaca pesannya sekaligus pada satu tiap $90\,$ nukleotida?

Solusi

Solusi Latihan 19.5.

Yang menyandi $2400 - 600 = 1800$ nukleotida: 599 residu (600 kodon, satu di antaranya berhenti). Waktunya $599/4 = 150\,\mathrm{s}$ . Ribosomnya $1800/90 = 20$ sekaligus.

Latihan 19.6 ★★

Jelaskan mengapa tiga penyisipan memulihkan kerangka baca sebuah gen sedangkan satu atau dua tidak, dan seperti apa protein yang dibuat dari penyisipan rangkap tiga itu.

Solusi

Solusi Latihan 19.6.

Pesannya dibaca bertiga dari sebuah awal yang tetap; satu atau dua basa tambahan menggeser tiap kodon di hilirnya dan sisa proteinnya menjadi omong kosong, yang biasanya berakhir pada sebuah berhenti yang terlalu dini. Tiga basa tambahan menambahkan satu kodon lalu memulihkan kerangkanya: proteinnya memiliki satu residu tambahan dan beberapa residu yang keliru di antara penyisipannya, dan sering masih bekerja.

Latihan 19.7 ★★

Sebuah mutasi mengubah kodon CAG menjadi UAG di tengah sebuah gen berisi $300\,$ kodon; mutasi lain mengubahnya menjadi CAA; mutasi ketiga mengubahnya menjadi CGG. Berikan pengaruh masing-masing pada proteinnya.

Solusi

Solusi Latihan 19.7.

CAG (Gln) menjadi UAG (berhenti): rantainya berakhir pada residu 150, sebuah protein yang terpangkas dan hampir pasti tak aktif (mutasi nonsens). CAG menjadi CAA: tetap Gln, bisu. CAG menjadi CGG: Arg menggantikan Gln, sebuah penggantian (missens) yang pengaruhnya bergantung pada kedudukannya.

Latihan 19.8 ★★

Jelaskan mengapa kesetiaan translasi bersandar pada aminoasil-tRNA sintetasenya alih-alih pada ribosomnya, lalu perikan sebuah percobaan yang memperlihatkannya (sebuah sisteina yang terpaut pada tRNA-nya diubah secara kimia menjadi alanina; ke mana alaninanya berakhir?).

Solusi

Solusi Latihan 19.8.

Ribosomnya hanya memeriksa pemasangan kodon dengan antikodonnya; ia tak dapat melihat asam aminonya. Bila sisteina pada tRNA-nya diubah secara kimia menjadi alanina, ribosomnya menyisipkan alanina di mana pun pesannya menyebut sisteina: tRNA-nya, bukan asam aminonya, yang dibaca. Karena itu sintetasenya, yang memasangkan tiap asam amino dengan tRNA yang tepat, adalah penerjemah yang sesungguhnya.

Latihan 19.9 ★★

Hitunglah biaya energi, dalam ikatan berenergi tinggi, sebuah protein berisi $400\,$ residu, dan fraksinya yang dibelanjakan pada ribosomnya.

Solusi

Solusi Latihan 19.9.

$400\times 4 = 1600$ ikatan; dua GTP ribosomnya tiap residu adalah separuhnya, dua milik sintetasenya separuh yang lain.

Latihan 19.10 ★★★

Pada bakteri ribosom mulai mentranslasikan sebuah pesan sementara pesan itu masih ditranskripsikan; pada eukariot mereka tak dapat. Jelaskan mengapa (dua alasan), dan apa yang dimungkinkan perbedaan ini pada eukariot.

Solusi

Solusi Latihan 19.10.

Pada eukariot transkripnya dibuat dalam intinya dan ribosomnya berada dalam sitosolnya, yang dipisahkan selubungnya; dan transkripnya belum menjadi sebuah pembawa pesan sampai ia disambung dan ditudungi. Pemisahan itu memungkinkan pemrosesannya sendiri — penyambungan berselang-selang, kendali ekspornya, dan sebuah pemeriksaan bahwa pesannya lengkap sebelum ia dibaca.

Latihan 19.11 ★★★

Sebuah gen berisi lima ekson dapat disambung untuk memasukkan atau melewatkan ekson 3 ( $90\,$ nukleotida) dan ekson 4 ( $100\,$ nukleotida). Sebutkan pembawa pesan yang mungkin lalu sebutkan mana yang menjaga kerangka baca ekson 5. Apa yang diperlihatkan hal ini tentang penyambungan berselang-selang?

Solusi

Solusi Latihan 19.11.

Empat pembawa pesan: dengan kedua eksonnya (190 nukleotida ditambahkan), dengan 3 saja (90), dengan 4 saja (100), dengan tak satu pun (0). Sebuah kerangka terjaga bila panjang yang ditambahkan kelipatan 3: 0 dan 90 menjaganya; 100 dan 190 menggesernya, sehingga pembawa pesan dengan ekson 4 saja atau dengan kedua eksonnya membaca ekson 5 di luar kerangkanya lalu memangkas proteinnya. Penyambungan berselang-selang harus menghormati kerangkanya, dan karena itulah ekson sering kelipatan tiga.

Latihan 19.12 ★★★

“Kodenya adalah kebetulan yang membeku: sewenang-wenang, tetapi terlalu mahal untuk diubah.” Bahaslah dalam satu paragraf: apa dalam kodenya yang tampak sewenang-wenang, apa yang tampak dioptimumkan (kedudukan ketiganya, kodon serupa bagi asam amino yang serupa), dan mengapa sebuah mutasi yang mengubah kekhasan sebuah sintetase hampir selalu mematikan.

Solusi

Solusi Latihan 19.12.

Sewenang-wenang: tak ada dalam kimianya yang mengatakan bahwa UUU harus berarti Phe; penetapannya adalah kesepakatan yang dipegang sintetasenya. Dioptimumkan: kedudukan ketiganya paling merosot, sehingga kekeliruan dan mutasi yang jatuh di sana sering bisu, dan kodon yang berbeda satu basa cenderung menyandi asam amino yang serupa, sehingga sebuah penggantian sering ringan — kodenya memperkecil kerusakan akibat kekeliruan. Membeku: sebuah sintetase yang mengubah kekhasannya akan mengubah tiap protein selnya sekaligus, ribuan jumlahnya, pada saat yang sama; nyaris tak ada sel yang selamat dari itu, sehingga kodenya tak dapat melayang dan telah tetap sejak leluhur bersama semua makhluk hidup.

19.7 Soal: Dari Sebuah Gen ke Sebuah Protein

Soal 19.1

Soal akhir pekan — sebuah gen tiga puluh kilobasa yang diikuti sampai menjadi protein berisi lima ratus residu: transkripsinya yang diukur waktunya, penyambungannya yang ditimbang, ribosomnya yang dihitung, energi dan kekeliruannya yang diperhitungkan, berakhir pada biaya satu protein dalam ATP

Sebuah gen manusia menjangkau $30\,\mathrm{kb}$ dengan delapan ekson yang seluruhnya $2000\,$ nukleotida pembawa pesan matang, yang $1503\,$ di antaranya menyandi (500 residu ditambah kodon berhentinya). Polimerase II mentranskripsi pada $30\,$ nukleotida tiap sekon; ribosom memanjang pada $4\,$ residu tiap sekon dan berjarak satu tiap $80\,$ nukleotida; waktu paruh pembawa pesannya $2\,\mathrm{h}$ . Biayanya: dua ikatan berenergi tinggi tiap nukleotida yang ditranskripsikan, empat tiap residu yang ditranslasikan; ambil satu ikatan berenergi tinggi sebagai satu ATP. Laju kekeliruannya: $10^{-5}$ tiap nukleotida yang ditranskripsikan, $10^{-4}$ tiap kodon yang ditranslasikan.

Bagian I — Transkripsi dan penyambungannya.

Berapa lama satu polimerase mentranskripsi gennya?
Berapa fraksi transkrip primernya yang disingkirkan penyambungannya?
Berapa banyak nukleotida yang ditranskripsikan bagi tiap nukleotida pembawa pesan matangnya?
Hitunglah ATP yang dibelanjakan untuk mentranskripsi satu transkrip primer.
Bila sebuah polimerase mulai tiap $10\,\mathrm{s}$ , berapa banyak polimerase yang ada pada gennya sekaligus, dan berapa banyak pembawa pesan yang dihasilkan gennya tiap jam?
Hitunglah banyaknya intron dan panjang rata-ratanya.
Spliceosomnya menyingkirkan tiap intron dalam sekitar semenit, serentak. Penyambungannya atau transkripsinya yang menetapkan waktu dari gen ke pembawa pesan?
Hitunglah panjang fisik gennya dan pembawa pesan matangnya ( $0.34\,\mathrm{nm}$ tiap nukleotida).

Bagian II — Translasi.

Berapa lama satu ribosom mentranslasikan proteinnya?
Berapa banyak ribosom yang membaca satu pembawa pesan sekaligus?
Berapa banyak molekul protein yang dihasilkan satu pembawa pesan tiap jam?
Sepanjang waktu paruhnya $2\,\mathrm{h}$ , berapa banyak yang dihasilkannya seluruhnya (sebuah pesan berwaktu paruh $t_{1/2}$ menghasilkan, rata-rata, $t_{1/2}/\ln 2$ jam produksi penuh)?
Hitunglah ATP yang dibelanjakan untuk mentranslasikan satu protein.
Hitunglah ATP yang dibelanjakan bagi transkripsinya tiap protein, dengan membagi biaya transkripnya di antara protein pertanyaan 12.
Hitunglah total biaya satu protein dan fraksinya yang berasal dari translasinya.

Bagian III — Kekeliruannya.

Hitunglah peluang bahwa sebuah pembawa pesan tertentu membawa sekurang-kurangnya satu kekeliruan transkripsi dalam $1503\,$ nukleotida penyandinya.
Hitunglah peluang bahwa sebuah molekul protein tertentu membawa sekurang-kurangnya satu kekeliruan translasi.
Sekitar seperempat perubahan nukleotidanya bisu dan sepertiga penggantian asam aminonya tak merugikan. Berapa fraksi molekul protein yang dibuat itu yang cacat?
Sebuah pembawa pesan yang cacat menghasilkan protein yang cacat selama dua jam; sebuah protein yang cacat hanyalah satu molekul. Jelaskan mengapa sel sanggup menanggung laju kekeliruan translasi sepuluh kali laju transkripsinya, dan keduanya jauh di atas laju replikasinya.

Bagian IV — Anggaran selnya. Sel itu membuat $3000$ salinan protein ini tiap jam, dan seluruhnya $3 \times 10^{9}$ residu protein tiap hari.

Berapa banyak pembawa pesan gen ini yang harus hadir sekaligus (masing-masing menghasilkan sebanyak pertanyaan 11)?
Berapa banyak ribosom yang ditempati protein ini?
Hitunglah ATP harian yang dibelanjakan sel itu bagi seluruh sintesis proteinnya (empat tiap residu) dan, pada $50\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ , dayanya dalam watt bagi sebuah sel $2000\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}$ .
Bandingkan dengan daya total selnya bila ia memakai $1 \times 10^{9}\,$ ATP tiap sekon.
Sebuah obat menghambat spliceosomnya. Ramalkan pengaruhnya pada protein ini dan pada sebuah protein bakteri.
Nyatakan hasilnya: biaya ATP satu molekul proteinnya, yang dibagi antara translasi dan transkripsinya, serta waktu dari awal transkripsinya sampai protein jadi yang pertama.

Solusi

Solusi Soal 19.1.

1. $30\,000/30 = 1000\,\mathrm{s}$ , sekitar $17\,\mathrm{min}$ . 2. $28\,000/30\,000 = 93\,\%$ . 3. $30\,000/2000 = 15$ . 4. $2\times 30\,000 = 60\,000$ ATP. 5. $1000/10 = 100$ polimerase pada gennya; 360 pembawa pesan tiap jam. 6. Tujuh intron, rata-rata $28\,000/7 = 4000\,$ nukleotida. 7. Transkripsinya ( $17\,\mathrm{min}$ ); intronnya disambung seiring dibuatnya, dan yang terakhir hanya menambahkan semenit. 8. Gennya $30\,000\times 0.34\,\mathrm{nm} = 10\,\text{µ}\mathrm{m}$ ; pembawa pesannya $0.68\,\text{µ}\mathrm{m}$ . 9. $500/4 = 125\,\mathrm{s}$ . 10. $2000/80 = 25$ . 11. Satu rantai selesai tiap $80/4 = 20\,\mathrm{s}$ : 180 tiap jam. 12. $2/\ln 2 = 2.9\,\mathrm{h}$ produksi penuh: sekitar 520 protein. 13. $4\times 500 = 2000$ ATP. 14. $60\,000/520 = 115$ ATP tiap protein. 15. Sekitar 2100 ATP, $95\,\%$ di antaranya dalam translasi. 16. $1 - (1 - 10^{-5})^{1503} \approx 1503\times 10^{-5} = 1.5\,\%$ . 17. $1 - (1 - 10^{-4})^{500} \approx 5\,\%$ . 18. Transkripsi: $1.5\%\times 0.75\times 0.67 \approx 0.75\%$ pembawa pesannya cacat, dan dengan itu proteinnya; translasi: $5\%\times 0.67 = 3.3\%$ ; sekitar $4\,\%$ molekulnya. 19. Sebuah kekeliruan protein terkurung pada satu molekul, yang segera diuraikan; sebuah kekeliruan pembawa pesan disalin ke dalam ratusan protein; sebuah kekeliruan replikasi diwarisi tiap keturunannya selamanya. Biaya sebuah kekeliruan, dan dengan itu ketepatan yang layak dibayar, naik pada tiap langkah mundur. 20. $3000/180 = 17$ pembawa pesan yang hadir. 21. $17\times 25 = 420$ ribosom. 22. $3 \times 10^{9}\times 4 = 1.2 \times 10^{10}$ ATP tiap hari $= 2 \times 10^{-14}\,\mathrm{mol}$ , $1 \times 10^{-9}\,\mathrm{J}$ tiap hari, yakni $1.2 \times 10^{-14}\,\mathrm{W}$ — $6\,\mathrm{fW}$ tiap mikrometer kubik. 23. $10^9$ ATP tiap sekon adalah $8.6 \times 10^{13}$ tiap hari: sintesis proteinnya seperseratusnya pada sel yang memperbarui diri perlahan ini (pada sebuah bakteri yang membelah ia separuhnya). 24. Tak ada pembawa pesan yang matang: transkrip primernya menumpuk dalam intinya dan proteinnya lenyap seiring meluruhnya pembawa pesannya, dalam beberapa jam. Protein bakterinya, yang gennya tak berintron, tak terpengaruh. 25. Sekitar 2100 ATP tiap molekul — 2000 bagi translasinya, seratus bagi bagiannya dari transkripnya; protein pertama sesudah $1000\,\mathrm{s}$ transkripsi, semenit pemrosesan dan ekspor, serta $125\,\mathrm{s}$ translasi: sekitar dua puluh menit.

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Lihat semua 479 istilah di glosarium