untuk mahasiswa Biologi Molekuler Medik.pdf

7/22/2019 untuk mahasiswa Biologi Molekuler Medik.pdf

1/43

Biologi Molekuler MedikProf. Dr. M. Nurhalim Shahib, drBiochemist & Molecular Biologist

2013


2/43

DEFINISI

Biologi molekuler adalah ilmu yang mempelajaristruktur dan fungsi molekul makhluk hidup,yang terdiri dari molekul organik dan anorganik,terorganisasi satu sama lain membentuk danmempertahankan unit seluler sehingga dapat

berfungsi biologik.


3/43

Living organism

C

H

O

N

P

Anotherelements

Micromolecules

Macromolecules

Supramolecules

? Growth &development

(associated with

microenvironment)

Lifeless molecules

Microenvironment :

- Nutritions

- Mechanical (temp, osmotic, diffusion, etc)

- Chemical (pH, lifeless molecules)

- Biological (cell proliferation, differentiation,

bodyplan, etc)

Cell

Gene

expressions


4/43

Different microenvironments?

different gene expressions?. .

FetusBaby/Chil

dAdult Elderly Death

Cells & Tissuesmaturation

Increasing oforgans function

& humansystems biology

-Optimal cellfunction-Optimal

component of blood

& hormonal system- Optimal thereproductive

system network

Decline of cellfunction

?

Scope of aging Beyond the reality

zygote

(M. Nurhalim S., 2011)

embryo

-Cellsprolyferation

-- cellsdifferentiation-- geneticsmodification


5/43

Relevansi Proses Kimia (dan Fisika)

dengan Proses BiologisBanyak para ilmuwan melakukan pendekatan kimia,fisika bahkan teknologi dengan proses biologis(terutama oleh para ahli yang bukan bidang medis)dengan tujuan :(i) untuk memahami mekanisme fenomena

biologis

(ii) untuk memahami patogenesis penyakit(iii) untuk pengembanga diagnostik dan terapi(iv) Untuk mengetahui kepentingan struktur 3 dimensi

dalam proses biologis


6/43

STRUKTUR & KANDUNGAN MOLEKUL

PADA MAKHLUK HIDUP1. Semua organisme terdiri dari molekul kimia ataubenda mati yang sangat kompleks baik jumlahmaupun organisasinya. Bandingkan dengan benda

abiotik2. Organisme hidup memerlukan energi darilingkungannya dalam bentuk nutrisi atau sinarmatahari sehingga dapat mempertahankan danmembangun kerja atau interaksi yang bersifat

mekanis kimia, osmotik, mempertahankan suhutubuh dan lain-lain mekanisme.

3. Organisme hidup, terutama multiselulermemerlukan ruang tiga dimensi untuk

pertumbuhan


7/43

Mikromolekul

monosakaridaasam aminonukleotidaasam lemak

Makromolekul

polisakaridaproteinasam nukleat

lipid dalam bentukkompleks dengankomponen lipid lainnya

Supramolekul

Elemen biologis

CHON

SPElemenlain

99 % massa sel

1 %

Komponen molekul sel (Biomolekul).99 % massa sel C, H, O, N dan 1 % sisanya terdiri dari S, P dan elemen lain


8/43

Hirarki materi biologik

BIOMOLEKUL

DNA

RNA

Protein

Organel

Sel

Jaringan

Organ

Mikromolekul

Makromolekul

Supramolekul

major mineralstrace elements

ELEMEN

elemen pokok(C, H, O, N, S, P)

Komposisi kimia tubuh manusia dan organisasi biologisnya.


9/43

Unsur kimia: C, H, O, N, S, P99% massa sel

1% unsur lain

Ikatan kimianon kovalenkovalen

Terbentuknya molekul atau

terurainya molekul

Struktur dan fungsi molekul

SEL ?


10/43

SELjaringan

Fungsi tubuh


11/43

H

H

O

O

H

C

N

N

Suhu tinggi

Ikatan

hidrogen

terputus

C T G A

G A C T

enzimatis

C T G A

G A C T

Ikatan

hidrogen

terputus


12/43

CH2

C

O

H C

CH2

SH2

C

SH2

CH2

CH2

C

O

H

C

CH2

S

S

CH2

C

CH2

C

O

H


13/43

+

--- CH2OH .. O = C - CH2- CH2---

NH2I

--CH2CH2NH3+ -

C-CH2-CH2-O

O

CH2CHCH3I

CH3

CH3CHCH2

CH3I

H

I

CCH3I

CH3

H

I

CH3CI

CH3

CH2- CO

O H3N - CH2

Ikatan hidrogen

Ikatan ion

Ikatan hidrofobik &

Van der Waals

Ikatan ion

Ikatan kimia pada suatu protein.

Ikatan tersebut dapat pecah dan menyebabkan perubahan konformasi suatu molekul protein


14/43

Pembuluh darah

7m

Sel darah merah(eritrosit)

3-4 m

3-4 m

Perubahan bentuk eritrosit dalam pembuluh darah kapiler


15/43

NH3

+ -O

O

b

H O O

NH2

NH2

C

O

O

ca

CH3CH3

CH3

CH3

CH3

CH3 CH2OH

c d da

+ -

CH3

C O

C

CH

CH3CH3

CH2OHC

Ikatan kovalen

a = ikatan ionik (elektostaik)

b = ikatan hidrogen

c = ikatan nonpolar (hidrofobik)

d = ikatan Van der Waals


16/43

BIOLOGI DASAR

Konsep: Semua proses biologis berlandaskan reaksi kimia dan atau

fisikokimia (kimia fisik).

Fungsi sel dilaksanakan oleh molekul protein dan atau kompleksprotein dengan senyawa lain.

Struktur protein menentukan aktivitas dan fungsi biologisnya:- Enzim

- Pengatur (regulatory protein)

- Transpor (transport protein)

- Penimbun (storage protein)

- Kontraktil/ motil- Struktur (structural protein)- Pelindung (protective protein)

- Exotic protein

16


17/43

17

Hirarki biologi molekul :

DNARNAProtein

Molekul-molekul biologik terkoordinasi membentuk

cellular networking

Terdapat interaksi protein-protein protein-nonprotein;

protein-asam nukleat

Pola dan Pergerakan sel di dalam embrio

Pertumbuhan&Perkembangan


18/43

Proyek Genom Manusia(Human Genome Project =HGP) & gene bank

Kemajuan IPTEK bidang Kedokteran

Personalized Health

Respon

selular &

sistem imun

Analisis

DNA

Analisis

RNA

Analisis miRNA

/ siRNA

Analisis asam

amino & protein

Elemen/

mikro elemen

Analisis molekuler

leukosit

sel normal

Global health

Analisis molekuler

pada sel spesifik patalogis

sel normal

patalogis

Gene bank


19/43


20/43


21/43

22


22/43

STRUCTURE OF THE NUCLEIC ACIDS22

NUCLEIC ACIDS ARE POLYMERS OF NUCLEOTIDES

- Deoxyribonucleic acid (DNA)

- Ribonucleic acid (RNA)

NUCLEOTIDE STRUCTUREDNA and RNA, are polymers of nucleoside

monophosphates (nucleotides) group.

Each nucleotide consists of :

1. A Pentose sugar :

a. Ribose sugar RNA

b. Deoxyribose sugar DNA

23


23/43

2. A Nitrogenous Base :

23

a. Purines : adenine (A) and guanine (G) found in DNA orRNA

b. Pyrimidins : Cytosine (C), thymine (T), and uracil (U)

Thymines are found only in DNA

Uracils are found only in RNA

3. Phosphate

24


24/43

24

Basa N C

O

C

CC

HH

OH

H

C O P OH

H

H H O

H

1

2 3

4 5

H pada DNA

OH pada RNA

Gula fosfat

Nukleosida

Nukleotida

Gambar 116. Komponen nukleotida Nukleosida terdiri dari basa N dan

gula ribosa, sedangkan nukleotida terdiri dari nukleosida dan fosfat.

25


25/43

25O

O

O

O

H HH

H

H

Adenine

OO

O

CH2 O

H HH

HH

Cytosine

O

OPO

OCH2 O

H HH

H H

Thymine

O

OO

O

CH2 O

H HH

HH

Guanine

O

O

O

O

H

H

H

O

O

HH

HH

H

H

OO

OO

O

O

HH

H

H

O

O

HH

H

HH

H

OO

O

O

O

5CH2O

H HH

OHH

Adenine

O

O

O

CH2O

H HH

O

H

H

Cytosine

O

O

OCH2 O

H HH

OHH

Uracil

O

O

O

CH2 O

H HH

O

H

H

Guanine

O

5

35

5 3

3

33

3H

5CH2

5

Gambar 117. Struktur primer DNA dan RNA

O P

O P

P

O

O

O

O

O

P

P

P

P

P

P

P

P

O

O

O

O

Thymine CH2

- O

CH2Guanine

CH2Adenine

CH2Cytosine

26


26/43

26

O

O

CH2 O

H HH

H

H

Cytosine

O

O

O

CH2 O

H HH

H

H

Thymine

O

O

O

CH2 O

H HH H

Guanine

O

Kelompokfosfodiester

O

O

Cytosine

Thymine

Guanine

C

T

5 P

3 OH

5

3

O P

P

P

O

O

G

Gambar 118. Struktur trinukleotida yang mengandung jembatan fosfodiester

27


27/43

MOLEKULAR STRUCTURE

OF CHROMOSOMES AND GENES

27

S

B

P

a chromosomecarries many genes

a double helix of DNAhas two strands

a single stand of DNAis made of many

nucleotides

each nucleotideis made of hreecomponents

a very ong molecule of double stranded DNA

Chromosome

Gene

Single strand

of DNA

Nucleotides

Base (B)+

Sugar (S)+

Posphate (P)

28


28/43

ORGANIZATION OF EUKARYOTIC GENOMIC

DNA

28

Size of DNA molecules

- Human = 3.0 x 109 base pairs / haploid cell= 6.0 x 109base pairs / diploid cell

- 1 chromosome ~ 7 cm in length

- 46 chromosome 2 m

- < 10% of DNA codes for a product

Packing of DNA in cells- DNA interacts with basic proteins known as histones

- Histones arginine and lysine

- Five classes of histones : H1, H2A, H2B, H3 and H4

H2A

H2B Ellipsoid

H3

H4

- Other types of proteins are also associated with DNA

- Nucleosomes : * bead-like structures of DNA

* DNA coils around the surface of the ellipsoid

* Complex of histones plus DNA


29/43

29

Gen A Gen B Gen C

Protein A Protein B Protein C

- Struktur sel

- Fungsi sel

mRNA


30/43

30

Telomere Telomere

Centromere

Gene A Gene B Gene C

mRNA A mRNA B mRNA C

Protein A Protein B Protein C

2P


31/43

Up stream Down streamDNA (GEN)

5 Cap 3

Splicing

Poly A

Poly A mRNA matur

TATA + 1

mRNA

Kode Genetik

- 1000

N

C

Protein

Maturasi Protein


32/43


33/43

Up stream Down stream

DNA (GEN)

5 Cap

mRNA

Splicing

Poly A mRNAMatur

3

TATA+ 1

- 1000

Poly A


34/43


35/43

Pelipatan(Folding)

C

NIkatan :

- Ionik- Hidrogen

- Van der Waals

- Hidrofobik

Proteolisis

(Pemotongan Protein)

Disulfide

Cross-links

Modifikasi Asam Amino(-OH, PO4- , COO- , CH3, C2H5, KH,

Isopren, Prostetik, Asam Lemak, dll)

PROSES POST TRANSLASI

MATURASI PROTEIN

FUNGSI SELULER

Gambar Maturasi

Protein


36/43

POST TRANSLATION MODIFICATIONS

Molekul yang berperan adalah chaperones yangterdapat dalam dua bentuk :

Yang menstabilkan protein dan mencegah daridegradasi

Yang bekerja melipatkan protein

36

Molekul Protein selalu mencaribentuk yang paling stabil

Folding

Natural state


37/43

miRNA (micro RNA)

- small, non-coding RNA- 22 nucleotides in length

- Natural miRNA acts as a guide to target RISCcomplex (RNA induced silencing complex)

- To regulate the expression of 60% all proteincoding genes

- miRNAs play vital roles in proliferation,

differentiation, cell growth, cell death, stressresistance, and metabolism


38/43

- The profile changes of miRNA

- Infections- Degenerative disease (cancer, CVD, etc)

- As an biomarker to asses and monitor thepathophysiological conditions

- miRNAs can act both as oncomers and tumorsuppressor, 20 carcinogenesis may occur throughloss of tumor suppressing miRNAs or overexpression of tumor-promoting miRNAs.


39/43

miRNA regulatednetwork in disease state:

Insufficient or abberantresponses

The miRNA contributionto mendelion andcomplex genetic disease

To utilize and targetmiRNAs of diagnosticand treatment

Hundreds of targetsfor each miRNA(Alexior et al., 2009)

Pattern of miRNA expression provide useful information for

tumor classification and prognosis miRNA expression is highly cell-type specific The specific miRNAs act as oncogenes and tumor suppressors The phenotypic effects of miRNA-mediated regulation are

enhanced under stress conditions


40/43

Stability of RNA molecules

mRNA

miRNA

Beberapa menit s/dbeberapa hariBeberapa hari s/d

beberapa bulan


41/43

DISTRIBUSI PROTEIN DALAM SEL

Protein yang telah disintesis menempuh dua jalur :

a. Kelompok protein yang mengandung Endoplasmic reticulumsignal sequence(ER signal sequence)

- Membran ER dan sebagian sitoplasma

- Vesikel dan eksport protein

- Membran sel- dll.

b.Kelompok protein yang tidak mengandung ER signal sequence

- Sebagian besarsitoplasma- Organel, nukleus, mitokondria

- dll.

Terdapat urutan asam amino spesifik pada ujung protein baruyang dapat mengenal reseptor spesifik pada inti, periksisom danmitokondria.

41


42/43

Stability of Protein with certain amino

acids added to its N terminus

sebagai contoh -galactosidase

Amino acid added Half-life

Met, Ser, Ala > 20 h

Thr, Val, Gly > 20 h

Ile, Glu > 30 h

Tyr, Gln ~ 10 min

Pro ~ 7 min

Phe, Leu, Asp, Lys ~ 3 min

Arg ~ 2 min

(Adapted from Bachmair et al., Science 234:179-186, 1986)


43/43

terimakasih

Documents

untuk mahasiswa Biologi Molekuler Medik.pdf