Translasi

Tahap kedua mekanisme ekspresi gen adalah translasi, yaitu penerjemahan rantai tunggal RNA duta ke dalam struktur primer protein. Dalam translasi, sandi genetik berbentuk urutan tertentu rantai RNA duta diterjemahkan ke dalam urutan tertentu asam amino dalam protein. Istilah RNA duta (messenger) merujuk kepada kemampuannya berpindah dari intisel (dalam eukarion) dari tempat ia disintesis ke sitoplasma, dimana ia berfungsi.

Untuk menerjemahkan sandi genetika dari urutan nukleotida ke dalam protein, digunakanlah kamus istilah RNA-protein, yaitu suatu kamus yang mengandung arti bahwa asam amino tertentu dikode oleh kombinasi tiga-tiga (triplet) keempat nukleotida yang ada (A, U, G, C). Jadi translasi adalah penerjemahan setiap triplet ke dalam asam amino tunggal menurut urutan tertentu cetakan RNA duta.

Dengan demikian, terdapat 43 (atau 64) kemungkinan kombinasi basa nukleotida dapat diterjemahkan ke dalam asam-asam amino. Karena protein-protein tersusun oleh hanya 20 macam asam amino, maka terdapat rata-rata 3 kombinasi kodon mengandung arti asam amino sama. Misalnya: GGU, GGC, dan GGA semuanya mengkode asam amino glisin. Kodon-kodon yang mengkode asam amino yang sama ini disebut kodon sinonim.


Karena tidak sebangunnya struktur asam amino dan trinukleotida, maka muncul masalah bagaimana trinukleotida tepat berpasangan dengan asam amino tertentu.

F. Crick adalah orang yang pertama-tama menduga keterlibatan molekul adaptor dalam transfer kode genetik dari mRNA ke dalam urutan asam amino dalam protein. Molekul adaptor ini kemudian diidentifikasi sebagai RNA transfer (tRNA), suatu molekul relatif kecil berukuran 75 - 85 basa. tRNA memiliki dua sifat utama: (1) Masing-masing molekul mewakili satu asam amino, terikat secara kovalen; (2) tRNA mengandung urutan trinukleotida, yang disebut antikodon, yang komplementer dengan kodon yang mewakili asam aminonya. Antikodon pada tRNA memampukan pengenalan kodon melalui perpasangan komplementer. Dengan demikian maka terdapat sekitar 64 antikodon di dalam sitoplasma yang masing-masing membawa asam amino tertentu yang jenis asam aminonya ditentukan oleh antikodon dan bukan sebaliknya!

Setelah ditemukan sifat triplet sandi genetik (melalui percobaan mutasi), kemudian dipelajari secara sistematik hubungan kebahasan antara codon dan asam amino menggunakan sistem in vitro biosintesis protein. Sistem in vitro berkemampuan mensintesis suatu polinukleotida sintetik. Sintesis protein dari poli-U diperoleh hasil polifenilalanin, yang berarti bahwa UUU adalah kodon yang bertanggung-jawab pada penyandian fenilalanin. Dengan cara ini Khorana mampu memecahkan separuh dari persoalan kamus sandi genetik. Teknik lanjut, yaitu ribosome-binding essay memungkinkan dipecahkannya keenampuluh empat kombinasi kodon ke dalam asam-asam amino dan atau kodon stop (Lihat gambar 7.9 Lewin’s Genes IV).

Dalam teknik ini, digunakan trinukleotida menirukan peran suatu kodon dan menyebabkan aminoasil-tRNA yang berkoresponsi dengannya terikat dengan ribosom (Nirenberg and Leder, 1964). Kompleks trinukleotida-tRNA-ribosom lalu diisolasi dengan cara diserapkan pada permukaan membran nitroselulosa. Karena Aminoasil-tRNA tunggal tidak bisa melakukan pengikatan dengan membran nitoselulosa, maka kehadiran tRNA lalu dideteksi dengan radioaktif tertanda pada asam amino yang terikat. Makna trinukleotida lalu dapat ditentukan dengan menguji asam amino yang mana dari keduapuluh asam amino-asil tRNA tertanda yang tetap terikat dengan nitroselulosa. Dengan dikembangkannya teknik perurutan asam nukleat (DNA sequencing) dan poplipeptida maka keduanya dapat disejajarkan/diperbandingkan.

Dalam pembandingan tersebut, urutan rantai DNA dibaca dari arah 5' ke 3' terdiri dari triplet yang berkorespondensi dengan urutan asam amino dari protein, dibaca dari ujung-N ke ujung-C. Tidak semua ke-64 kodon mengkode asam amino. UAA, UAG, dan UGA memiliki "berhenti". Artinya bahwa biosintesis polipeptida akan berhenti pada lokasi kodon-kodon ini.

tRNA memiliki struktur sekunder yang khas, yang membentuk hubungan basa-basa komplementer dari rantai tunggal RNA dan membentuk struktur batang dan loop. Struktur batang-loop ini membentuk tangan-tangan RNA. tRNA memuat asam amino yang berkorespondensi dengan antikodonnya disebut aminoasil-tRNA. Asam amino tersebut berikatan dengan tRNA melalui ikatan ester dari gugus karboksilnya (lihat Gambar 7.3 Lewin’s Genes IV). Proses pemuatan tRNA asam amino dengan tRNA tertentu dipercepat oleh enzim aminoasil-tRNA sintetase. Sehingga paling tidak terdapat 20 jenis aminoasik-tRNA sintetase yanng masing-masing mengakui asam amino yang berbeda. Percobaan dengan mengubah struktur rantai samping asam amino dari aminoasil-tRNA tidak mempengaruhi spesifitas hubungan antara kodon pada mRNA dan antikodon pada tRNA. Artinya bahwa antikodonlah yang menentukan jenis asam amino dan bukan sebaliknya.

Dalam sintesis protein, protein dirakit dari ujung N ke ujung karboksilat oleh suatu partikel kompak ribonukleoprotein yang disebut ribosom. Ribosom terdiri dari dua sub-unit. Masing-masing subunit terdiri dari beberapa protein yang berasosiasi dengan satu molekul RNA, yang dinamai rRNA. Berdasarkan kecepatan sedimentasinya (S, Svedbergs), kedua unit tersebut pada bakteri bersedimentasi pada 50S dan 30S, namun setelah membentuk satu kompleks, yaitu pada konsentrasi Mg2+ tinggi, maka sedimentasi kompleks itu berlangsung pada 70S. Pada eukarion, keduanya terdiri dari 60S dan 40S, dengan kompleks membentuk 80S.

Kedua subunit ribosom bekerjasama dengan fungsinya masing-masing. Keduanya bertugas mensintesis berbagai protein dengan cara berasosiasi dengan berbagai mRNA sehingga memberikan cetakan bagi sintesis protein. Ribosom memberi lingkungan yang sesuai bagi beriteraksinya kodon pada mRNA dan antikodon pada tRNA. Ia bergerak sepanjang mRNA dengan jarak satu kodon setiap maju selangka, dari arah ujung 5' kearah ujung 3' mRNA dan menterjemahkan kodon ke dalam asam amino. Sambil ribosom bergerak maju, aminoasil-tRNA tertentu yang berasosiasi dengan kompleks ribosom menyumbangkan asam aminonya ke rantai polipeptida. Setiap saat kompleks ribosom dapat mengakomodasi dua aminoasil-tRNA, memungkinkan pembentukan ikatan peptida baru.

Dengan demikian, setiap satu gerak maju kedepan dari ribosom, rantai polipeptida memanjang satu asam amino. Menariknya bahwa satu mRNA dapat ditempati oleh lebih dari satu kompleks ribosom (poliribosom) yang mensintesis protein serentak secara independen. Protein globin misalnya, disintesis oleh suatu set yang terdiri dari lima ribosom, masing-masingnya berada pada posisi yang berbeda-beda sepanjang mRNA. Ada yang baru mengawali sintesis polipeptida, ada yang sudah akan menyelesaikan tugas sintesis protein. Pada eukarion, terdapat rata-rata 8 ribosom pada satu mRNA pada setiap proses biosintesis protein. Dengan demikian, jumlahnya ditentukan oleh ukuran mRNA dan efisiensi biosintesis.

Ribosom, yang terdiri dari beberapa puluh protein dan rRNA, adalah pabrik penerjemah RNA duta ke dalam urutan spesifik asam amino dalam suatu protein. Dalam pabrik ini, RNA duta sebagai skrip bahasa asal dan protein sebagai bahasa akhir. Dalam proses penerjemahan ini, molekul tRNA bertindak sebagai penterjemah.

Berdasarkan studi in vitro, komponen-komponen proses yang penting serta tahapan biosintesis protein telah dapat dibangun. Biosintesis protein dipilah ke dalam tiga tahapan: tahap pengawalan, tahap pemanjangan, dan tahap pengakhiran, yang berlangsung sekitar 15 asam amino/detik pada bakteri pada suhu 37oC. Pada eukarion proses ini jauh lebih lambat, ~2 asam amino/detik. Tahap pengawalan berlangsung sebelum pembentukan ikatan peptida pertamakali. Tahapan ini melibatkan pengikatan ribosom pada RNA duta, dan pembentukan kompleks pengawalan yang mengandung aminoasil-tRNA pertama. Tahap pengawalan berlangsung lambat dan biasanya menentukan laju translasi. Tahap pemanjangan mencakup semua reaksi dari sintesis ikatan peptida pertama sampai pada ikatan peptida terakhir. Asam amino ditambahkan satu-per-satu namun prosesnya berlangsung sangat lambat. Energi yang digunakan untuk menggerakan ribosome adalah GTP. Tahap pengakhiran mencakup langkah-langkah yang diperlukan untuk melepaskan rantai polipeptida yang telah disintesis dan meluruhkan hubungan mRNA dengan ribosom.

Dalam biosintesis protein, ~30 nukleotida RNA duta berasosiasi dengan subunit kecil ribosom, tetapi hanya dua tRNA yang terlibat dalam biosintesis ikatan peptida. Jadi ada 8 kodon lain yang berada di dalam kompleks namun tidak terlibat langsung dalam pembentukan rantai polipeptida.

Lokasi dalam ribosom yang dapat ditempati oleh tRNA disebut lokasi A (atau pintu masuk), dan lokasi di mana terdapat asam amino yang paling terakhir ditambahkan, disebut lokasi P (atau lokasi penerima). Di lokasi P terdapat peptidil-tRNA, suatu tRNA yang dengannya rantai baru polipeptida terikat. Ujung tRNA yang membawa asam amino bertempat pada sub-unit besar ribosom; dan antikodon dalam tRNA berada dalam subunit kecil ribosom dan berinteraksi dengan RNA duta.