Embedded Files
RNA, bentuk utama kedua dari asam nukleat dalam sel, memiliki berbagai fungsi. Dalam ekspresi gen, RNA bertindak sebagai perantara yang menggunakan informasi yang dikodekan dalam DNA untuk menentukan urutan asam amino dari protein fungsional.
Karena DNA pada eukariota sebagian besar berada di nukleus, sementara sintesis protein berlangsung di ribosom di sitoplasma, maka harus ada molekul lain selain DNA yang membawa pesan genetik dari nukleus ke sitoplasma. Sejak tahun 1950-an, RNA telah dianggap sebagai kandidat logis karena RNA ditemukan di nukleus dan sitoplasma, dan peningkatan sintesis protein disertai dengan peningkatan jumlah RNA sitoplasma dan kecepatan degradasinya.
Pengamatan-pengamatan ini mendorong beberapa peneliti menyimpulkan bahwa RNA membawa informasi genetik dari DNA ke mesin biosintesis protein, yaitu ribosom.
1. Messenger RNA Mengkode Rantai Polipeptida
1. Messenger RNA Mengkode Rantai Polipeptida
Pada tahun 1961, François Jacob dan Jacques Monod menyusun gambaran menyeluruh (dan secara esensial benar) tentang proses ini. Mereka mengusulkan nama “messenger RNA” (mRNA) untuk bagian RNA seluler yang membawa informasi genetik dari DNA ke ribosom, tempat mRNA berfungsi sebagai cetakan (template) yang menentukan urutan asam amino dalam rantai polipeptida.
Meskipun panjang mRNA berbeda-beda tergantung pada gen asalnya, mRNA dari satu gen umumnya memiliki panjang tertentu. Proses pembentukan mRNA dari cetakan DNA dikenal sebagai transkripsi.
Pada prokariota, satu molekul mRNA dapat mengkode satu atau lebih rantai polipeptida. Jika hanya mengkode satu polipeptida, disebut monosistronik; jika mengkode dua atau lebih polipeptida yang berbeda, disebut polisistronik. Pada eukariota, sebagian besar mRNA bersifat monosistronik. (Dalam pembahasan ini, istilah “sistron” merujuk pada satu gen.)
Gambar 29. mRNA Prokariota
Panjang minimum mRNA ditentukan oleh panjang rantai polipeptida yang dikodenya. Sebagai contoh, rantai polipeptida dengan 100 residu asam amino membutuhkan urutan RNA minimal 300 nukleotida, karena setiap asam amino dikodekan oleh tiga nukleotida. Namun, mRNA hasil transkripsi dari DNA selalu sedikit lebih panjang daripada yang diperlukan hanya untuk mengkode urutan polipeptida. Tambahan RNA yang tidak mengkode ini mencakup urutan pengatur yang mengendalikan sintesis protein.
2. Banyak RNA Memiliki Struktur Tiga Dimensi yang Lebih Kompleks
2. Banyak RNA Memiliki Struktur Tiga Dimensi yang Lebih Kompleks
Messenger RNA (mRNA) hanyalah satu dari beberapa kelas RNA dalam sel. Transfer RNA (tRNA) berfungsi sebagai molekul adaptor dalam sintesis protein; terikat secara kovalen dengan asam amino di salah satu ujung, tRNA berpasangan dengan mRNA sedemikian rupa sehingga asam amino dapat disusun ke dalam rantai polipeptida sesuai urutan yang benar. Ribosomal RNA (rRNA) merupakan komponen utama ribosom. Selain itu, terdapat berbagai RNA dengan fungsi khusus, termasuk beberapa RNA yang disebut ribozyme, yang memiliki aktivitas enzimatik.
Gambar 30. Pola umum tumpukan berpilin kanan pada untai tunggal RNA
Produk dari transkripsi DNA selalu berupa RNA untai tunggal. Untai tunggal ini cenderung membentuk konformasi heliks kanan yang didominasi oleh interaksi tumpukan basa (base stacking) (lihat Gambar 30), yang paling kuat terjadi antara dua purin dibandingkan purin-pirimidin atau dua pirimidin. Interaksi purin-purin bisa begitu kuat sehingga pirimidin di antaranya bisa terdorong keluar dari pola tumpukan agar kedua purin tetap berinteraksi. Urutan yang saling komplementer dalam molekul RNA menghasilkan struktur yang lebih kompleks.
RNA dapat berpasangan basa dengan wilayah komplementer baik dari RNA itu sendiri maupun DNA. Pola pasangan basa sama seperti pada DNA: G dengan C, dan A dengan U (atau kadang dengan T pada beberapa RNA). Satu perbedaan penting adalah bahwa pasangan G dengan U, yang jarang terjadi pada DNA, cukup umum terjadi dalam RNA (lihat Gambar 31). Untai-untai RNA atau hibrida RNA-DNA bersifat antiparalel, seperti pada DNA.
RNA tidak memiliki struktur sekunder sederhana dan konsisten seperti heliks ganda pada DNA yang dapat dijadikan acuan. Struktur tiga dimensi RNA, seperti pada protein, bersifat unik dan kompleks. Interaksi lemah, terutama tumpukan basa, berperan penting dalam menstabilkan struktur RNA, sebagaimana juga terjadi pada DNA. Bila terdapat urutan yang komplementer, RNA cenderung membentuk struktur heliks ganda bentuk A berpilin kanan. Heliks bentuk Z hanya dapat dibentuk di laboratorium dalam kondisi sangat ekstrem (konsentrasi garam atau suhu tinggi), dan bentuk B tidak ditemukan pada RNA.
Patah dalam struktur heliks bentuk A, akibat pasangan basa yang tidak cocok atau tidak berpasangan, sering terjadi dan menghasilkan tonjolan (bulge) atau loop internal (lihat Gambar 32).
Gambar 31. Struktur pasangan basa heliks pada RNA
Gambar 32. Struktur sekunder pada RNA
Loop jepit rambut (hairpin loop) terbentuk antara urutan komplementer yang berdekatan dalam satu untai RNA. Potensi pembentukan struktur heliks berpasang basa dalam RNA sangat luas (lihat Gambar 31), dan struktur jepit rambut merupakan bentuk struktur sekunder RNA yang paling umum.
Urutan basa pendek tertentu, seperti UUCG, sering ditemukan di ujung loop jepit rambut RNA dan diketahui membentuk loop yang sangat stabil dan rapat. Urutan seperti ini mungkin berperan sebagai titik awal dalam proses pelipatan RNA ke dalam struktur tiga dimensi yang tepat. Selain itu, struktur RNA juga distabilkan oleh ikatan hidrogen non-standar, yaitu bukan pasangan basa Watson-Crick biasa. Sebagai contoh, gugus hidroksil 2′ dari ribosa dapat membentuk ikatan hidrogen dengan gugus lain.
Beberapa sifat ini dapat diamati dalam struktur tRNA fenilalanin dari ragi—tRNA yang memasukkan residu fenilalanin ke dalam rantai polipeptida—dan juga dalam dua enzim RNA (ribozyme), yang fungsinya, seperti enzim protein, bergantung pada struktur tiga dimensinya (lihat Gambar 33).
Analisis struktur RNA dan hubungannya dengan fungsi merupakan bidang kajian yang terus berkembang, dengan kompleksitas yang mirip dengan studi struktur protein. Pemahaman tentang struktur RNA menjadi semakin penting seiring dengan kesadaran kita yang terus tumbuh tentang banyaknya peran fungsional molekul RNA.
Gambar 33. Struktur 3D pada RNA
3. Jenis-jenis RNA dan peranannya
3. Jenis-jenis RNA dan peranannya
mRNA (messenger RNA)
mRNA (messenger RNA) adalah salinan sementara dari gen yang dibutuhkan untuk membuat protein, mRNA yang membawa informasi genetik dari DNA ke ribosom.
Saat sel ingin membuat protein, bagian DNA yang mengandung informasi tersebut disalin menjadi mRNA oleh enzim yang disebut RNA polimerase.
Gambar 34. mRNA
Enzim ini membaca DNA dan membuat versi mRNA-nya. Salinan awal ini disebut pre-mRNA, yang kemudian akan diproses atau diperbaiki terlebih dahulu, sebelum akhirnya dikirim ke bagian luar inti sel, yaitu sitoplasma, untuk digunakan dalam proses pembuatan protein.
Gambar 35. rRNA
Asam ribonukleat (RNA) memiliki semua komponen yang sama seperti DNA, namun terdapat dua perbedaan utama di dalamnya.
RNA memiliki basa nitrogen yang sama seperti DNA,
yaitu Adenin, Guanin, dan Sitosin, namun Timin (yang ada pada DNA) digantikan oleh Urasil dalam RNA.
Adenin dan Urasil dianggap sebagai penyusun utama RNA, dan keduanya saling berpasangan melalui dua ikatan hidrogen.
Struktur RNA menyerupai bentuk jepit rambut (hairpin), dan seperti pada DNA, RNA juga terdiri dari nukleotida-nukleotida.
Nukleosida sendiri merupakan gugus fosfat yang kadang juga berperan dalam pembentukan nukleotida pada DNA.
tRNA (transfer RNA)
Pada umumnya satu jenis aminoasil tRNA sintetase (AAS) bertanggung jawab untuk setiap asam amino. Aminoasil tRNA sintetase (disingkat AAS) adalah enzim yang bertugas mengenali dan memilih satu jenis asam amino tertentu dan mengikatkan asam amino tersebut ke tRNA yang cocok.
AAS harus mampu secara akurat mengenali dan mengaktifkan asam amino, lalu memasangkannya dengan tRNA-tRNA yang sesuai
Dalam proses penerjemahan informasi genetik dari asam nukleat menjadi protein, transfer RNA (tRNA) berperan sebagai perantara yang penting. Setiap kodon diterjemahkan oleh tRNA tertentu yang telah dilengkapi dengan asam amino yang tepat.
tRNA berfungsi untuk mengangkut asam amino ke ribosom saat proses translasi, sesuai dengan kodon pada mRNA. Karena adanya variasi kode genetik, umumnya terdapat lebih dari satu jenis tRNA untuk setiap asam amino.
Gambar 36. Mekanisme pengaktifan tRNA
Asam amino berikatan dengan ATP akan membentuk asam amino-AMP (aktif). Asam amino-AMP dipindahkan ke ujung 3′ tRNA (pada bagian akseptor). Hasilnya adalah aminoacyl-tRNA (tRNA yang sudah "dimuat" asam amino). RNA kini membawa asam amino spesifik sesuai dengan antikodon-nya. tRNA siap memasuki ribosom untuk digunakan dalam proses translasi (sintesis protein).
Gambar 37. tRNA yang telah terikat dengan asam amino
Agar dapat bekerja bergantian di ribosom selama sintesis protein, semua tRNA memiliki kesamaan dalam struktur primer, sekunder, dan tersier.
Meskipun demikian, setiap kelompok tRNA yang berhubungan memiliki ciri khas tertentu yang memungkinkan pengenalan yang tepat oleh AAS. Ciri-ciri khas ini disebut sebagai elemen identitas tRNA. Elemen identitas ini bisa berupa elemen positif, yakni fitur yang dikenali oleh AAS yang sesuai, atau elemen negatif yaitu fitur yang menghalangi pengenalan oleh AAS lain.
tRNA memiliki panjang berkisar 70-90 nukleotida, struktur sekunder berbentuk seperti daun semanggi (cloverleaf) karena ada beberapa bagian penting seperti akseptor stem, antikodon loop, D-loop dan TΨC-loop.
Akseptor stem sebagai ujung tempat asam amino menempel (di ujung 3’),
Gambar 38. Loop antikodon pada tRNA
antikodon loop merupakan bagian yang berisi antikodon—tiga basa yang akan mengenali kodon pada mRNA lewat pasangan basa, D-loop dan TΨC-loop adalah loop tambahan yang membantu menjaga struktur dan interaksi dengan enzim (seperti aminoasil tRNA sintetase dan ribosom).
rRNA (ribosomal RNA)
rRNA atau RNA ribosom adalah jenis RNA yang membentuk bagian utama dari ribosom, yaitu struktur sel yang bertanggung jawab untuk sintesis protein. Ribosom terdiri dari dua subunit utama: subunit kecil dan subunit besar, dan rRNA berperan sebagai bagian strauktural dan fungsional dalam ribosom tersebut.
Molekul rRNA disintesis di bagian khusus dalam inti sel yang disebut nukleolus, yang tampak sebagai area padat di dalam nukleus dan mengandung gen-gen yang mengkode rRNA. rRNA yang dihasilkan bervariasi dalam ukuran dan dibedakan menjadi rRNA besar dan kecil. Setiap ribosom memiliki setidaknya satu rRNA besar dan satu rRNA kecil. Di dalam nukleolus, rRNA besar dan kecil bergabung dengan protein ribosom untuk membentuk subunit besar dan kecil ribosom. Ada beberapa jenis rRNA yang ditemukan pada ribosom prokariotik rRNA 16S dan 23S (seperti bakteri misalnya, pada Escherichia coli) dan rRNA 18S, 28S, dan 5.8S pada eukariotik (seperti sel manusia). (Subunit ribosom dinamakan sesuai dengan laju sedimentasinya, yang diukur dalam satuan Svedberg [S], dalam medan sentrifugal. Protein ribosom disintesis di sitoplasma dan kemudian dipindahkan ke nukleus untuk bergabung dalam proses perakitan di dalam nukleolus. Setelah itu, subunit ribosom dikembalikan ke sitoplasma untuk perakitan akhir.
rRNA membentuk struktur sekunder yang kompleks dan berperan penting dalam mengenali bagian-bagian mRNA dan tRNA yang terjaga keutuhannya. Pada eukariota (organisme yang memiliki inti sel terdefinisi), terdapat sekitar 50 hingga 5.000 salinan gen rRNA dan sekitar 10 juta ribosom dalam setiap sel. Sebaliknya, pada prokariota (organisme yang tidak memiliki inti sel), jumlah set gen rRNA dan ribosom per sel cenderung lebih sedikit. Sebagai contoh, pada bakteri Escherichia coli, tujuh salinan gen rRNA mensintesis sekitar 15.000 ribosom per sel.
snRNA (small nuclear RNA)
snRNA memiliki peran dalam proses splicing RNA, yaitu penghapusan intron dan penyambungan ekson. Penghapusan intron dari pre-mRNA merupakan langkah penting dalam proses ekspresi gen. Pada organisme eukariotik, sebagian besar intron dihapus oleh spliceosom, sebuah kompleks besar dan dinamis yang tersusun dari lima jenis RNA kecil nuklear (U1, U2, U4, U5, dan U6) serta berbagai protein. Dalam proses penyambungan ini, snRNA berfungsi sebagai bagian dari kompleks ribonukleoprotein kecil nuklear (snRNP), yang terdiri atas satu snRNA spliceosomal yang berikatan dengan sejumlah protein.
Proses splicing pre-mRNA terjadi melalui dua tahap reaksi transesterifikasi. Pada tahap pertama, gugus 2'-OH dari adenosin di daerah cabang menyerang fosfat pada sambungan antara ekson dan intron di sisi 5' (fosfat 5' SS), sehingga membentuk "ekson 5' yang terlepas" dan "intermediat intron-3' ekson berbentuk lariat".
Pada tahap kedua, gugus 3'-OH dari "ekson 5' yang terlepas" menyerang fosfat di sambungan antara intron dan ekson 3' (fosfat 3' SS), menghasilkan "mRNA matang" dan "intron berbentuk lariat".
Urutan konsensus yang terdapat pada situs cabang serta di splice site 5' dan 3' ditandai dengan huruf merah, di mana Y mewakili pirimidin dan R mewakili purin.
Ilustrasi juga menunjukkan posisi ekson 5' (dalam kotak ungu muda), ekson 3' (dalam kotak ungu tua), dan intron (dengan garis merah).
miRNA (micro RNA)
MikroRNA berperan sebagai kompleks dalam ribonukleoprotein. miRNA mengatur ekspresi gen dengan cara menghambat translasi atau menyebabkan degradasi mRNA. MikroRNA berfungsi sebagai panduan sekuens yang tidak sempurna untuk membantu merekrut kompleks ribonukleoprotein (RNP) ke RNA yang memiliki sekuens komplementer. Dengan cara ini, mikroRNA bertindak serupa dengan komponen RNA lain dalam RNP, yaitu menyediakan kemampuan pengikatan spesifik terhadap target tertentu.
Prinsip ini mirip dengan mekanisme splicing mRNA, di mana snRNA (seperti U1, U2, dan U4–6) berikatan dengan sekuens pada situs splice dan branch dalam intron untuk mengarahkan proses splicing. snRNA ini membentuk kompleks dengan protein, menghasilkan snRNP yang bertugas dalam penyambungan mRNA.
Dalam kasus snRNP, pengenalan sekuens biasanya melibatkan tujuh hingga delapan nukleotida, dan masih dapat mentoleransi ketidakcocokan atau tonjolan kecil dalam pasangan basa.
Kompleks RNP yang melibatkan mikroRNA disebut RNA-induced silencing complex (RISC). Mirip dengan snRNP, RISC menggunakan mikroRNA untuk mengenali dan berikatan dengan RNA target berdasarkan kecocokan sekuens. Untuk pengikatan yang bergantung pada mikroRNA, kecocokan sepanjang tujuh hingga delapan nukleotida umumnya cukup, meskipun kecocokan lebih panjang dapat memperkuat ikatan.
Selain itu, struktur tonjolan (bulges) dan pasangan wobble G:U juga sering diterima. Dalam konteks splicing atau pengikatan mikroRNA, bulges sering diperbolehkan, artinya RNA tetap bisa berfungsi meskipun ada ketidakcocokan kecil dalam pasangannya
(Ada satu huruf A yang mengganggu tanpa pasangan)
Adapun pada wobble G:U, biasanya dalam RNA, basa G (Guanin) berpasangan dengan C (Sitosin) dan A (Adenin) dengan U (Urasil). Wobble pairing G:U adalah penyimpangan dari aturan ini, G bisa berpasangan lemah dengan U. Ini disebut "wobble" (bergoyang) karena ikatannya tidak sekuat pasangan normal, tapi masih cukup stabil untuk fungsi biologis.
siRNA (small interfering RNA)
siRNA memiliki fungsi yang mirip dengan miRNA, digunakan dalam proses RNA interference (RNAi) untuk membungkam ekspresi gen secara spesifik. Small interfering RNA (siRNA) dan microRNA dapat membungkam gen pada tingkat transkripsi, pasca-transkripsi, dan atau translasi. Ini dilakukan melalui proses yang disebut RNA interference (RNAi).
siRNA memiliki fungsi yang mirip dengan miRNA, digunakan dalam proses RNA interference (RNAi)
untuk membungkam ekspresi gen secara spesifik. Small interfering RNA (siRNA) dan microRNA dapat membungkam gen pada tingkat transkripsi, pasca-transkripsi, dan atau translasi. Ini dilakukan melalui proses yang disebut RNA interference (RNAi).
siRNA berperan dalam menghentikan ekspresi gen yaitu berperan dalam pembungkaman transkripsi dengan cara memicu metilasi DNA di wilayah promoter, sehingga gen tidak aktif sejak awal proses transkripsi. Selain itu siRNA mengenali dan berpasangan dengan mRNA target yang memiliki urutan komplementer. Setelah terikat, siRNA memicu pemotongan dan penghancuran mRNA tersebut. Akibatnya, protein yang seharusnya dibuat dari mRNA itu tidak jadi diproduksi.
Struktur siRNA
siRNA adalah molekul RNA beruntai ganda yang terdiri dari sekitar 20 hingga 25 nukleotida. Molekul ini berasal dari luar sel (eksogen) dan berfungsi untuk menghambat produksi protein dengan mencegah proses translasi.
Salah satu ciri khas siRNA adalah adanya dua nukleotida tambahan di ujung 3' (disebut overhang 3' OH), yang membedakannya dari jenis RNA lainnya. siRNA adalah RNA beruntai ganda yang pendek, dengan bagian yang menonjol di salah satu ujungnya.
Dua untai dalam siRNA memiliki peran berbeda:
Untai pemandu (guide strand): berfungsi untuk mengenali mRNA target.
Untai penumpang (passenger strand): biasanya akan dibuang. Dua untai ini juga dikenal sebagai untai sense dan antisense.
siRNA memiliki struktur yang jelas, yaitu terdiri dari ujung 5′ yang terfosforilasi, ujung 3′ yang mengandung gugus hidroksil (OH), dan dua nukleotida yang menonjol (overhang) di ujung 3′.
Pembentukan siRNA dikatalisis oleh enzim Dicer, yang memotong RNA beruntai ganda menjadi potongan-potongan kecil siRNA. Dicer adalah enzim endoribonuklease yang memotong RNA beruntai ganda (dsRNA) yang panjang.
dsRNA ini bisa berasal dari struktur jepit rambut (hairpin RNA), RNA yang saling komplementer, atau hasil dari aktivitas RNA-dependent RNA polymerase. Pemotongan ini menghasilkan siRNA dan memungkinkan pembentukan kompleks RNA-Induced Silencing Complex (RISC). dsRNA ini bisa berasal dari struktur jepit rambut (hairpin RNA),
RNA yang saling komplementer, atau hasil dari aktivitas RNA-dependent RNA polymerase. Pemotongan ini menghasilkan siRNA dan memungkinkan pembentukan kompleks RNA-Induced Silencing Complex (RISC). Begitu siRNA masuk ke dalam sel, ia akan berikatan dengan berbagai protein dan membentuk kompleks RISC. Di dalam kompleks ini, siRNA akan dipisahkan menjadi satu untai saja. Kompleks RISC akan menyimpan satu untai siRNA, yaitu yang lebih tidak stabil di ujung 5'.
Untai ini digunakan sebagai pemandu untuk mencari mRNA target yang memiliki urutan basa yang cocok. Setelah siRNA menemukan dan berikatan dengan mRNA target, mRNA tersebut akan dipotong oleh RISC. Karena sudah dipotong, mRNA dianggap rusak oleh sel dan akan segera dihancurkan. Akibatnya, mRNA tersebut tidak bisa diterjemahkan menjadi protein, sehingga gen asalnya tidak bisa menjalankan fungsinya. Inilah yang disebut dengan pembungkaman gen.
Secara teori, siRNA sintetis dengan urutan yang komplementer terhadap gen tertentu dapat digunakan untuk membungkam gen apa pun. Oleh karena itu, siRNA menjadi alat penting dalam validasi fungsi gen dan pengembangan pengobatan berbasis genetik
Simak video di bawah ini untuk mempermudah pemahaman anda mengenai struktur, fungsi dan jenis-jenis RNA!
Page updated
Google Sites
Report abuse