Ribosoma dan Sintesis ProteinRibosomaRibosoma merupakan struktur atau kelompok multimolekuler yang berperan sebagai pabrik untuk sintesis protein. Selama proses penerjemahan, ribosom menempel dan bergeser sepanjang molekul mRNA dari ujung 5 3. Ribosom dibangung dari molekul molekul protein dan rRNA. Jumlah ribosom di dalam suatu sel sangat banyak dan berbeda beda sesuai dengan jenis organismenya. Misalnya bakteri yang sedang tumbuh mengandung sekitar 20.000 ribosom. Untuk mengetahui bentuk, susunan, dan komponen komponen penyusunnya dilakukan pendekatan dengan berbagai cara yaitu :1. Pengamatan dengan mikroskop elektron,2. Pemusingan,3. Didefraksi dengan berkas sinar X, dan4. ImmunositokimiaPengamatan dengan mikroskop cahaya menunjukkan bahwa di dalam sel terdapat butiran butiran halus yang bersifat basofilik. Untuk mengetahui butir butir apakah yang terlihat itu, dilakukan pengamatan dengan mikroskop elektron, dari sel yang difiksasi dengan osmium tetraoksida. Ternyata bahwa ribosom merupakan butir globular dengan garis tengah sekitar 150 200A yang menyebarkan atau menyerap elektron dengan sangat kuat. Butir butir ini ditemukan dalam semua sel prokaryota maupun eukaryota. Pada sel prokaryota, terdapat bebas di sitosol, sedangkan pada sel eukaryota terdapat bebas di sitosol, matriks mitokondria, stroma kloroplast, atau menempel pada permukaan sitolik selaput RE. Hubungan struktural antara RE dengan Ribosom membentuk REG yang juga sering disebut Ergastoplasma. Seringkali pula terlihat lingkaran lingkaran kecil yang terdiri dari beberapa buah ribosom. Bentukan ini disebut polisoma. Pengamatan terhadap ribosom diisolasi dan diwarnai dengan teknik pewarnaan negatif, menunjukkna bahwa ribosom terdiri dua bagian yang tidak sama besar, satu kecil yang lainnya besar. Lagi pula tampak bahwa dalam sebuah polisoma, ribosom tersebut teruntai oleh suatu filamen yang bergaris tengah sekitar 15A. Dengan pengamatan ini pula diketahui bahwa ribosom prokaryota lebih kecil daripada ribosom eukaryota. Namun, perlu diingat bahwa ribosom, suatu organel yang sangat berair, sehingga ada kemungkinan terjadi perubahan bentuk setelah pewarnaan. (gambar 5.2a dan 5.2b)

Pendekatan dari segi biokimia menunjukkan bahwa ribosom sel sel prokaryota memiliki massa molekular 2.520.000 dalton dan matra 28 x 21 nanometer. Ribosom sel sel eukaryota lebih besar daripada ribosom sel sel prokaryota tersebut. Massa molekuler ribosom sel eukaryota berkisar antara 4.220.000 dalton dan bermatra 31 x 22 nanometer. Ukuran ukuran ribosom ditentukan dengan jalan analisis sedimentasi (pengendapan). Analisis ini mendasarkan pada pengukuran laju pengendapan suatu molekul atau zarah di dalam larutan kental, biasanya larutan sukrosa yang dipusing dengan kecepatan yang sangat tinggi ( 70.000 g atau lebih). Koefisien sedimentasi dinyatakan dengan S yaitu kesatuan (unit) swedberg. Penamaan ini diambil dari nama penemu ultracentrifuge yaitu swedberg. Selain koefisien swedberg, laju pengendapan juga dipengaruhi oleh faktor faktor lain yaitu : berat molekul, bentuk makromolekul, atau rakitan makromolekulnya. Tabel 5.1 menunjukkan beberapa koefisien swedberg dari beberapa molekul dan rakitan makromolekul yang memiliki arti penting dari segi biologi. Ribosom sel prokaryota memiliki koefisien sedimentasi 70s, sedangkan sel eukaryota koefisien sedimentasinya 80s.

Ribosom sel prokaryota, bila berada di dalam larutan dengan kadar Mg++ rendah misalnya 0,2mH, akan tersepai (terdisosiasi) menjadi dua subunit yang berbeda ukuran maupun koefisien sedimentasinya. Subunit besar memiliki koefisien sedimentasi 50S, sedangkan yang kecil koefisien sedimentasinya 30S. Seperti halnya ribosom sel sel prokaryota, ribosom sel sel eukaryota pun dapat disepai menjadi 2 sub unit. Ribosom yang memiliki koefisien sedimentasi 80S ini, tersepai menjadi dua buah sub unit masing masing dengan koefisien sedimentasi 60S dan 40S.Analisis kimia dari subunit subunit ribosom tersebut memberikan hasil bahwa, subunit besar dari ribosom sel sel prokaryota mengandung dua buah molekul rRNA, masing masing 23S dan 5S. Disamping rRNA tersebut, di dalam subunit besar ini juga terdapat sampai 34 jenis protein. Subunit kecil hanya mengandung sebuah rRNA dengan koefisien sedimentasi 16S dan 21 jenis protein(gambar 5.3a). ribosom sel sel eukaryota juga terdiri dua sub unit, masing masing memiliki koefisien sedimentasi 60S dan 40S. Subunit besar mempunyai tiga buah rRNA masing masing dengan koefisien sedimentasi 28S, 5, 8S, dan 5S serta 4S 49 jenis protein, sedangkan subunit kecil memiliki hanya sebuah rRNA dengan koefisien sedimentasi 18S dan 33 buah protein (Gambar 5.3b). tabel 5.2 menunjukkan perbandingan komposisi ribosom sel prokaryota dengan sel eukaryota.

Peranan Ribosom dalam Sintesis proteinPada uraian terdahulu, telah dibahas morfologi maupun sturktur molekuler ribosom. Dalam paparan ini, disajikan tinjauan tentang peranan ribosom. Ribosom yang terdiri dari molekul molekul protein dan rRNA berperan sangat penting dalam proses sintesis protein. Reaksi sintesis protein memerlukan pemandu katalitik yang rumit. Misalnya : untuk meyakinkan bahwa kodon yang terdapat di mRNA dapat tepat berpasangan dengan anti kodon yang ada tRNA, sehingga penerjemahan tidak melesat. Kejadian itu, dan kegiatan kegiatan lainnya dalam sintesis protein ini, dikatalisis oleh ribosom. Ribosom prokariot dan eukariot memiliki peranan dan pola yang mirip satu sama lain. Masing masing terdiri dari subunit besar dan subunit kecil. Dalam proses sintesis protein, subunit kecil mengikat mRNA dan tRNA, sedangkan subunit besar berperan dalam proses pembentukan ikatan polipeptida. Lebih dari setengah berat ribosom terdiri dari rRNA yang memegang peranan utama dalam kegiatan ribosom sebagai katalisator. Ribosom memiliki tiga tempat pengikat molekul molekul RNA : sebuah untuk mengikat mRNA dan dua buah untuk mengikat tRNA. Tempat tempat tersebut diberi nama tempat P, yang berarti tempat pengikat tRNA Peptidil dan tempat A yang berarti tempat pengikat amino tRNA asil. Tempat P mengikat molekul tRNA yang berikatan dengan pangkal rantai polipeptida yang sedang tumbuh, sedangkan tempat A mengikat molekul tRNA yang masuk, yang dimuati asam amino. Molekul molekul tRNA ini akan terikat pada tempat P maupun tempat A, apabila antikodon yang ada padanya sesuai dengan kodon yang ada pada mRNA. Tempat P dan tempat A sangat berdekatan, sehingga dua molekul tRNA harus membentuk pasangan basa kodon di sampingnya yang berada di dalam molekul mRNA.Proses pemanjangan rantai polipeptida pada ribosoma, merupakan suatu daur yang terdiri dari tiga langkah. Langkah pertama: sebuah molekul tRNA-aminoasil terikat ke tempat A yang kosong, berdampingan dengan tempat P, membentuk pasangan basa dengan 3 nukleotida mRNA yang terpapar di tempat A. Langkah kedua: pengikatan gugus karboksil bebas dari rantai polipeptida pad tRNA di tempat P dengan asam amino yang terikat pada tRNA di tempat A. Pengikatan ini menggunakan katalisator transferase peptidil, yang terdapat di rRNA pada ribosom subunit besar. Pada langkah ketiga terjadi : perpindahan tRNA Peptidil baru dari tempat A ke tempat P, bersamaan dengan bergesernya ribosom pada mRNA. Akibatnya, tRNA yang semula berada di tempat P tergeser dari ribosom dan kembali lagi ke sitosol (gambar 5.5)

Tiga diantara 64 kodon (penyandi) pada sebuah molekul mRNA merupakan kodon penghenti, yang menghentikan proses penerjemahan. Sebuah protein sitoplasmik yang disebut protein pembebas segera terikat pada kodon penghenti yang mencapai tempat A, pada ribosom. Pengikatan ini mengubah kegiatan transferase peptidil, dari mengikatkan asam amino ke tRNA-peptidil menjadi mengikat air. Reaksi ini melepaskan gugus karboksil rantai polipeptida yang sedang tumbuh dari ikatannya dengan molekul tRNA. Dengan demikian rantai polpeptida segera dilepas ke sitosol, sedangkan ribosom meninggalkan mRNA, dan segera terurai menjadi subunit besar dan kecil(gambar 5.6).

Kodon kodon yang terdapat pada sebuah mRNA, dapat diterjemahkan oleh beberapa buah ribosom dengan tRNAnya. Penerjemahan ini berlangsung dengan beruntun, sehingga terbentuklah untaian ribosom, yang disebut poliribosoma atau polisoma. Perlu diingat bahwa dari sebuah mRNA hanya terbentuk satu jenis polipeptida. (Gambar 5.7)

Sintesis ProteinSintesis protein tidak lain merupakan proses penerjemahan kodon kodon pada mRNA menjadi polipeptida. Proses ini sangat rumit, melibatkan berbagai jenis komponen sel. Namun bagaimana pun juga, yang berperan penting dalam proses ini adalah sandi genetik (kode genetik) dan dikuatkan oleh molekul tRNA yang berperan sebagai adaptor.Peranan tRNA dalam proses penerjemahanTerdapat berbagai jenis molekul tRNA didalam setiap sel. Mereka dibedakan satu terhadap yang lain oleh susunan nukleotidanya. Ditinjau dari segi fungsionalnya, setiap tRNA dibedakan oleh kekhasannya untuk mengikat salah satu asam amino yang terlibat dalam proses sintesis protein. Contoh : tRNAtir , khusus untuk tirosin, tRNAgli khusus untuk glisin, dan seterusnya. Terdapat lebih dari sebuah molekul tRNA untuk sebuah asam amino.Setiap molekul tRNA mampu membentuk ikatan kovalen dengan asam aminonya dengan cara pemuatan atau aminosilasi. Asam amino ini terikat pada ujung lengan aseptor (penerima) tRNA. Proses aminosilasi dipantau dan diatur oelh sintetase tRNA aminoasil. Setiap asam amino memiliki satu sintetase tRNA aminoasil. Langkah pertama proses aminosilasi adalah mengaktifkan asam amino yang gugus karboksilnya berikatan dengan asam adenilat yang berasal dari ATP. Molekul intermedia ini tetap terikat pada enzim sampai adenilat diganti dengan molekul tRNA membentuk tRNA aminoasil dan AMP. Kekhasan aminoasilasi merupakan fungsi dari sintetase tRNA aminoasil, yang mampu mengenali asam amino yang tepat maupun yang setara dengannya.Setelah asam amino terikat pada bagian aseptor tRNA, molekul tRNA yang telah memuat asam amino ini, harus menyempurnakan ikatan antara mRNA dan Polipeptida dengan jalan mengikatkan ke penyandi yang tepat. Untuk mengenali penyandi (kodon) ini merupakan tugas lengan anti kodon tepatnya trinukleotida yang disebut antikodon. Trinukleotida ini merupakan komplemen dari kodon, oleh karena ituu dapat mengikatnya dengan pasangan basa.Mekanisme sintesis proteinProses hasil sintesis protein dibagi menjadi 3 tahap yaitu : pemrakarsaan (inisiasi), pemanjangan (elongasi), dan penghentian (terminasi). 3 tahapan ini berlangsung berkesinambungan. Sebagai contoh digunakan penerjemahan atau sintesis protein pada E.coli yang mudah dipahami.1. Pemrakarsaan (Inisiasi)Awal dari proses pemrakasaan adalah menempelnya ribosom subunit kecil ke molekul mRNA. Perlu diingat bahwa ribosom apabila tidak terlibat dalam proses sintesis protein, di dalam sitosol selalu tersepai menjadi subunit besar dan subunit kecil. Menempelnya ribosoma subunit kecil pada mRNA tidak pada sembarang tempat, melainkan pada tempat khusus sebelum kodon pemrakarsa dari gen yang akan disalin. Tempat khusus ini disebut tempat pengikat ribosom, yang pada E.coli mempunyai urutan 5 AGGAGGU 3 , dan tempat pengikat ribosom yang setara dengan urutan shine dalgarno, sebagai gantinya mereka memiliki struktur tudung. Struktur inilah yang dikenal oleh ribosom subunit kecil sebagai tempat pengikatnya. Perhatikan gambar 5.8.

Setelah terikat pada tempatnya, ribosom bergeser ke arah 3 sampai bertemu dengan kodon AUG. Kodon inilah yang menjadi koson pemrakarsa pada proses penerjemahan.Penerjemahan dimulai apabila tRNA yang telah memuat asam amino berpasangan dengan kodon pemrakarsa yang terletak di sub unit kecil ribosom. Asam amino yang terdapat pada tRNA pemrakarsa ini adalah metionin, karena metionin merupakan asam amino yang disandi oleh AUG. Pada bakteria, tetapi tidak pada sel eukaryota, metionin ini diubah menjadi N formilmetionin atau fmet dengan jalan subtitusi gugus formil. Subtitusi ini merintangi gugus amino sedemikian, sehingga tidak dapat membentuk ikatan peptida. Oleh karena itu, polimerisasi dapat berlangsung hanya ke arah karboksil. Struktur yang terbentuk, yang mencangkup mRNA, ribosoma subunit kecil, dan tRNAfmet disebut kompleks pemrakarsaan. Selain kompleks pemrakarsaan, masih terdapat beberapa jenis protein sitosolik yang terlibat dalam proses penerjemahaan ini. Protein protein itu berupa enzim dan faktor pemrakarsa (initiation factor = IF). Pada E.coli terdapat IF1 , IF2 , dan IF3. IF1 dan IF3 bertanggung jawab untuk penyepaian ribosoma menjadi subunit besar dan subunit kecil, selain itu IF3 juga terlibat pada pengenalan tempat pengikat ribosoma. IF2 berperan pada penempelan tRNA pemrakarsa dan juga membantu terikatnya molekul GTP ke kompleks pemrakarsaan. Molekul GTP ini memberi tenaga untuk penerjemahan langkah berikutnya. Pembentukan kompleks pemrakarsaan pada sel eukaryota berlangsung lebih rumit. Paling sedikit 9 buah IF terlibat pada proses pembentukan kompleks pemrakarsaan, salah satu yang penting yaitu protein pengikat tudung. Gambar 5.9 menunjukkan langkah pada tahap pemrakarsaan.

2. Pemanjangan rantai polipeptidaSetelah kompleks pemrakarsaan terbentuk, ribosoma subunit besar menempel padaRibosoma subunit kecil. Proses penempelan ini membutuhkan hidrolisis molekul GTP yang terkait pada kompleks pemrakarsaan dan menghasilkan dua tempat berbeda serta terpisah. Tempat pertama disebut tempat peptidil atau tempat P yang pada saat ini ditempati oleh tRNAfmet yang tetap berpasangan basa dengan kodon pemrakarsa. Tempat aminosil atau tempat A terletak pada kodon kedua dari gen, yang pada saat ini kosong. Pemanjangan dimulai apabila tRNA yang mengikat asam amino yang tepat, masuk ke tempat A dan berpasangan basa dengan kodon kedua. Kegiatan ini memerlukan faktor pemanjang (elongation factor ) KF Tu dan KF Ts. GTP diperlukan sebagai penghasil tenaga.Setelah kedua buah tempat di ribosoma terisi oleh tRNA yang bermuatan asam amino, dan kedua asam amino ini berada sangat berdekatan, terjadilah ikatan peptida antara gugus karboksil dari fmet dengan gugus amin dari asam amino yang kedua. Reaksi ini menggunakan katalisator enzim transferase peptidil, yang kemungkinan merupakan kombinasi beberapa jenis protein ribosomal. Transferase peptidil bekerja sama dengan enzim deasilase tRNA, yang memutuskan ikatan tRNA dengan fmet. Hasil dari keseluruhan proses ini adalah dipeptida yang terikat pada tRNA yang berada di tempat A. Langkah berikutnya, ribosoma bergeser sepanjang mRNA sedemikian, sehingga aa aa tRNA berada di tempat P, sedangkan tRNAfmet yang sudah tidak bermuatan keluar dari tempat P dan tempat A kosong lagi. tRNA yang bermuatan asam amino ketiga sekarang masuk ke tempat A, dan terulanglah semua kegiatan yang terjadi sebelumnya. Setiap daur pemanjangan memerlukan hidrolisis sebuah molekul GTP dan diatur oleh faktor pemanjangan ke 3 yaitu EF G. Ribosoma subunit kecil kedua dapat menempel pada mRNA, setelah beberapa daur pemanjangan, semikian seterusnya sehingga terbentuk suatu polisoma. Gambar 5.10 menunjukkan langkah langkah pada tahap pemanjangan.

3. PenghentianPenerjemahan akan berhenti apabila kodon penghenti (UAA, UAG, atau UGA) masuk ke tempat A. Tidak ada molekul tRNA satupun yang memilki anti kodon yang dapat berpasangan basa dengan kodon kodon penghenti. Sebagai ganti molekul tRNA, masuklah faktor pembebas (release factors) RF ke tempat A. Faktor ini bersama sama dengan molekul GTP, melepaskan rantai polipeptida yang telah usai dibentuk dari tRNA yang terakhir. Ribosoma tersepai menjadi subunit kecil dan besar serta kembali ke sitosol untuk kemudian memulai lagi penerjemahan baru. Langkah langkah tahap penghentian tertera pada gambar 5.11.