Molecular Biology Semester III Saturday, 7:55 – 9:35 AM Faculty of Pharmacy University of Pancasila Molecular Biology Semester III Saturday, 7:55 – 9:35 AM Ferry Sandra, DDS, PhD, LFIBA, CIPM Email: ferrysandra@yahoo.com Appointment: Saturday, after class

Introduction Molecular Biology deals with the central dogma of biology. We will discuss the most important molecules in cells (DNA, RNA, and protein) and how their synthesis is regulated. We will relate how these events control biological processes.

Textbook Robert F. Weaver, Molecular Biology 4rd Edition, McGraw-Hill, 2007 is helpful.

Powerpoint Slide You can have a softcopy of the slide so that you can follow lecture. It is only a skeleton of what happens in a lecture. You may find these lectures unintelligible without your own written notes.

Caution!!! Sudden quizzes. REMEMBER Quizzes are counted! Be on Time No Absent No Phoning In case emergency call: Call to Faculty! Exams & grading There will be two exams: Mid & Final! (Closed Book)

Central Dogma of Biology DNA RNA Protein Making copies of DNA: DNA replication Synthesis of RNA from DNA: Transcription Synthesis of proteins from RNA: Translation

Struktur Organisme 1. Virus Berdasarkan struktur sel dan sistem genetikanya maka organisme dibagi dalam 3 kelompok: 1. Virus 2. Prokariot 3. Eukariot Virus: Makhluk hidup yang paling sederhana disusun oleh satu molekul DNA yang dibungkus oleh mantel protein. Prokariot: Terdiri dari bakteri dan Cyanobacter (ganggang biru). Sel tidak memiliki: organel & membran yang memisahkan inti dan sitoplasma. DNA bentuk sirkuler.DNA berasosiasi dengan RNA membentuk coil (gulungan) Eukariot: Organisme multiseluler, memiliki organela, Inti terbungkus oleh membran yang memiliki pori- pori yang menghubungkannya dengan sitoplasma. Komponen utamanya ada 2 yaitu : Inti ( anak inti ) tersusun atas kondensasi RNA dengan protein dan kromosom yang tersusun atas DNA yang berasosiasi dengan protein.

Virus Merupakan mahluk hidup yang paling sederhana,tubuhnya hanya tersusun atas satu molekul asam nukleat DNA atau RNA yang terbungkus oleh suatu mantel protein. Tidak memiliki perlengkapan metabolisme. Mempunyai struktur yang berbeda berdasarkan galurnya.

Daur Hidup Virus Daur Litik Material genetik virus setelah disuntikkan ke dalam sel inang akan berekspresi menghasilkan enzim yang dapat merusak DNA sel inang, selanjutnya material genetik akan mengendalikan proses metabolisme dan perkembangbiakan dirinya. Daur Lisogenik DNA sel inang tidak hancur tetap berekspresi, material genetik berintegrasi ke dalam sel inang dan DNA akan berprilaku seperti material genetik sel inang dan akan hidup dalam daur sel inang.

Prokariot Prokariot terdiri dari bakteri dan ganggang biru. Bakteri: Mahluk bersel tunggal Ganggang Biru: Mahluk bersel tunggal atau ganda Ciri2: Tidak adanya membran pemisah inti dari sitoplasma Tidak mempunyai organel Material genetik tersusun atas utas tunggal DNA yang berbentuk sirkuler berasosiasi dengan RNA gulungan Material genetik lainnya , yaitu yang disebut plasmid

Eukariot Sel ini dimiliki oleh hampir semua jasad hidup selular selain bakteri dan ganggang biru sampai jasad paling tinggi seperti manusia dan hewan. Memiliki membran yang membungkus inti Membran membagi sel menjadi inti dan sitoplasma. Pada inti terdapat perangkat metabolisme sekaligus tempat berlangsungnya reaksi biokimia. Produk yang disintesis dalam inti adalah RNA

Ruang Lingkup Biologi Molekuler: Gen adalah: Adalah cabang ilmu biologi yang mempelajari hal – hal yang berhubungan dengan gen Gen adalah: Satuan fungsi yang menentukan proses metabolisme , melalui proses penyandian sintesa protein dan enzim. Merupakan bahan yang diwariskan dari satu generasi ke generasi berikutnya. Gen dapat mengalami perubahan struktur yang dapat menyebabkan perubahan fungsi Sebagai alat konservasi karakter dan penyebab keragaman biologik

Proses Kimia dalam Kehidupan Merupakan Kunci Biomolekuler DNA menjadi dasar dalam kehidupan, Merupakan penyusun material genetika yang mengandung informasi genetik yang turun temurun dan menentukan struktur protein yang memberikan instruksi mengatur pertumbuhan dan pembelahan serta difrensiasi sel. Organisme sering disamakan dengan pabrik kimia,karena pertumbuhan, perkembangan dan perkembangbiakan merupakan hasil kerja reaksi kimia. Keaneka ragaman reaksi kimia yang terjadi pada organisme lebih banyak daripada industri / pabrik kimia, karena pabrik dirancang untuk memproduksi sesuatu dari bahan mentah tertentu sehingga yang dihasilkan terbatas sesuai dengan bahan mentah yang tersedia.

Sejarah Perkembangan Biologi Molekuler Diawali ditemukannya tentang faktor hereditas (gen) oleh Gregor Mendell (1876). Diakuinya asam nukleat sebagai material genetik untuk seluruh organisme. Pendalaman mengenai asam nukleat memperoleh hasil yang sangat bermanfaat karena dapat mempelajari struktur, ekspresi dan sistem pewarisan sifat gen secara kimia. Informasi genetika tersusun dalam bentuk asam amino pada rantai polipeptida protein, enzim. Penemuan Mendel berkembang dengan ditemukannya material genetika yang dikenal dengan kromosom. Bridges (1912) membuktikan bahwa gen terletak pada kromosom Material disusun oleh asam nukleat terutama DNA (Deoxyribose Nucleic Acid) Robert Feulgen menemukan zat pewarna untuk kromosom yang tidak merusak dinding sel dan tidak memberikan warna terhadap bagian-bagian sel lainnya.

Hubungan Mikrobiologi dengan Biologi Molekuler Diawali dari Penelitian Frederick Grifith (1928) mengenai transformasi genetik pada Streptococcus pneumoniae Oswald Avery, Colin Mc Leod dan Maclyn McCarthy (1944) menunjukkan bahwa transformasi (perubahan sifat bakteri terjadi akibat adanya DNA asing yang masuk ke dalam sel bakteri. Hershey dan Chase (1952) membuktikan bahwa pada virus komponen yang diwariskan dari satu generasi ke generasi berikutnya adalah DNA. Frederick Grifith: melakukan transformasi dengan menyuntikkan dua galur S.pneumoniae (Yang berkulit kasar dan halus) pada tikus. Kulit halus disebabkan adanya kapsul sementara kulit kasar karena tidak memiliki kapsula. Dengan adanya kapsul maka S pneumoniae akan menjadi bakteri lebih tahan terhadap antibodi yang dihasilkan oleh tikus.

Pengujian Frederick Griffith Tikus disuntik dengan S.pneumoniae yang kasar  tikus hidup Tikus disuntik dengan S.pneumoniae yang halus  tikus mati Tikus disuntik dengan S.pneumoniae yang kasar dan halus  tikus mati Tikus disuntik dengan S.pneumoniae halus yang telah di matikan dengan cara pemanasan  tikus hidup Tikus disuntik dengan S.pneumoniae halus yang telah dimatikan & dicampur dengan bentuk kasar yang hidup  tikus mati Tikus disuntik dengan S.pneumoniae yang diambil dari hati tikus yang telah disuntik dengan S.pneumoniae halus yang telah dimatikan  tikus mati

virulent avirulent avirulent virulent Frederick Griffith, 1928

Bacteriofag Bacteriofag menginfeksi dan memperbanyak diri dalam bakteri Bacteriofag berisi DNA dan proteins A.D. Hershey and Martha Chase, 1952

Sifat Kimia dari Materi yang Ditransformasikan Oswald Avery, Colin MacLeod and Maclyn McCarty, 1944 Resisten terhadap pelarut organik dan proteases  bukan protein Resisten terhadap ribonuclease  bukan RNA Sensitif terhadap deoxyribonuclease  DNA

Material Genetika DNA adalah Bahan Gen Mahluk Hidup Menentukan Jalan kehidupan organisme dengan mengendalikan proses metabolisme. Terdapat dalam semua organisme (Virus, eukariot, prokariot). Diwariskan dari satu generasi kepada generasi berikutnya 1869, Friedrich Miescher discovered in the cell nucleus a mixture of compounds  nuclein. At the end of 19th century: Chemists learned the structure of DNA and a related compound, ribonucleic acid (RNA) Informasi genetika dari organisme dibawa dalam bentuk molekul DNA yang pada beberapa makhluk / organisme dalam bentuk RNA yang kemudian akan dipindahkan dalam bentuk protein. Untuk mendapatkan informasi genetik maka utas DNA tersebut harus dipotong terlebih dahulu menggunakan enzim restriksi tertentu sesuai dengan utas DNA yang dikenalinya.

Material Genetika Kromosom (Protein + Asam Nukleat) Ekstra Kromosom: Pada Prokariot: Plasmid Pada Eukaryot: Mitokondria Kloroplas (organ yang berklorofil) Sitoplasma

Struktur Asam nukleat satu gula, satu basa, dan satu fosfat. Asam nukleat adalah suatu senyawa yang merupakan asam inti, biasanya adalah DNA dan RNA Merupakan rantai polinukleotida yaitu : Makromolekul yang tersusun oleh molekul yang lebih sederhana yang disebut Nukleotida Nukleotida merupakan molekul yang tersusun atas satu gula, satu basa, dan satu fosfat. Nukleosida adalah kombinasi suatu gula pentosa yang dihubungkan dengan basa purin atau pirimidin melalui ikatan C - N

Nukleotida Nukleotida dalam sitoplasma dan dalam inti adalah sama tetapi jenis asam nukleatnya berbeda. Nukleotida tersusun atas : 1 Basa DNA 1 Gula Komponen yang essential 1 Fosfat RNA Gula → Ribosa & Deoksiribosa Basa → Adenin, Guanin, Timin, Sitosin Polinukleotida adalah→ Ikatan antara 2 nukleotida dari 2 gugus fosfat yang terikat pada 2 pentosa → ikatan Fosfodiester Tiap struktur DNA / RNA merupakan suatu polinukleotida yang ujung-ujungnya C3 & C5

Nucleotide A nucleotide is composed of a sugar, a phosphate and a base

The chemical nature of DNA and RNA Nitrogenous bases Adenine (A) Cytosine (C) Guanine (G) Thymine (T) Adenine (A) Cytosine (C) Guanine (G) Uracil (U) Phosphoric acid Sugar deoxyribose Sugar ribose

Bases

Sugar

Base + Sugar nucleosides

Nucleotides nucleotides

Phosphodiester Bonds 3’ 5’ OH 5’-3’ 3’ 5’

5’ end 5’ TCA 3’ 3’ end

DNA 2 rantai DNA yang membentuk helix saling berikatan antara hydrogen dengan basa nitrogen dari utas DNA yang berhadapan Backbone fosfat terletak di bagian luar helix Basa nitrogen menghadap ke dalam Ke-2 utas DNA berlawanan arah 5’→3’ \ A-T 3’→5’ / G-C Ke-2 rantai double helix DNA → komplementer Informasi yang disandikan DNA menentukan sifat dan organisme

Chargaff’s Rules A=T, C=G, but what does this mean? Erwin Chargaff observed in 1950 that the content of purines was always roughly equal to the content of pyrimidines. Furthermore, the amounts of adenine and thymine were always roughly equal, as were the amounts of guanine and cytosine. A=T, C=G, but what does this mean?

Model Molekul DNA W.T Atsbury (1940) DNA memiliki struktur 3 dimensi berdasarkan hasil kristalografi sinar X. DNA sangat padat maka nukleotida yang menyusun poli nukleotida berbentuk pipih yang masing-masing tegak lurus terhadap sumbu memanjang dan tiap-tiap nukleotida mempunyai jarak 3.4 Å Wilkins Melanjutkan penelitian W.T Atsbury dan diperoleh serabut-serabut DNA yang kemudian oleh Rosalind franklin berhasil membuat foto melalui difraksi sinar X dan molekul DNA mempunyai struktur spiral.

X-ray structural information Rosaline Franklin, 1952 What does this interesting pattern mean? The DNA is a simple, regular structure with repeated units

Francis Crick Maurice Wilkins Rosalind Franklin James Waston

Model Watson dan Crick Deretan Polinukleotida DNA mempunyai bentuk sebagai spiral teratur Spiral mempunyai diameter kira-kira 20 Å dan lebar spiral tetap Spiral mempunyai satu putaran lengkap (10 X putaran ) jarak antara nukleotida 3.4 Å. Jadi 1 putaran lengkap 34 Å. Molekul DNA sangat padat , maka spiralnya Duplex. Molekul DNA berbentuk 2 pita spiral yang saling berpilin (Double Helix) bagian luar deretan gula fosfat (tulang punggung double helix) Pada bagian dalam terdapat basa purin dan purimidin 2 Polinukleotida yang berhadapan dihubungkan oleh H+

Hydrogen bond

Tm of a DNA is largely determined by its G/C%. Two DNA strands can be separated simply by heating, a process called DNA denaturation or DNA melting. The temperature at which the DNA strands are half denatured is called the melting temperature, or Tm. Tm of a DNA is largely determined by its G/C%. The amount of DNA strand separation can be measured by the absorbance of the DNA solution at 260 nm light.

The process of annealing a DNA strand with a complementary or nearly complementary RNA strand or DNA strand from a different origin is called hybridization. annealing

Protein Penyusun gen Merupakan rangkaian dari beberapa peptida Bagian yang penting di dalam plasma Cadangan makanan Sebagai bahan enzim (dasar penyusun enzim ) Macam-macam protein Fungsional → Berbagai macam enzim (katalis) Cadangan → Disimpan sebagai protein cadangan

Protein Pada dasarnya protein adalah polipeptida, setiap sel mampu mensintesis protein tertentu sesusai dengan keperluan. Protein merupakan gabungan asam amino dengan gugus karboksil dari asam amino lain secara berurutan, Misal : Bila 2 asam amino yang bergabung maka terbentuk DIPEPTIDA Bila 3 asam amino yang bergabung maka terbentuk TRIPEPTIDA Bila terjadi penggabungan yang lebih besar maka akan dibentuk POLIPEPTIDA

Asam Amino Adalah suatu Molekul yang terdiri dari : Satu Gugus Karboksil Satu gugus amin (NH2) Asam amino yang paling sederhana adalah glisin Asam amino yang terdapat di dalam tumbuhan ada ± 20 macam Jenis asam amino dapat dilihat dari gugus R -nya : Glisin, Alanin, Serin, Treonin, Valin, Leusin, Isoleusin, Norleusin, Asam Aspartam, Asam Glutamat, Lisin, Arginin, Sistin, Sistein, Metionin,Fenilalanin, Tirosin, Histidin, Triptofan, Prolin Didalam Penggabungan 2 molekul asam amino akan melepaskan 1 molekul air

Selesai…