Upload
nadiya-afifah
View
235
Download
1
Embed Size (px)
Citation preview
7/22/2019 untuk mahasiswa Biologi Molekuler Medik.pdf
1/43
Biologi Molekuler MedikProf. Dr. M. Nurhalim Shahib, drBiochemist & Molecular Biologist
2013
7/22/2019 untuk mahasiswa Biologi Molekuler Medik.pdf
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.
7/22/2019 untuk mahasiswa Biologi Molekuler Medik.pdf
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
7/22/2019 untuk mahasiswa Biologi Molekuler Medik.pdf
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
7/22/2019 untuk mahasiswa Biologi Molekuler Medik.pdf
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
7/22/2019 untuk mahasiswa Biologi Molekuler Medik.pdf
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
7/22/2019 untuk mahasiswa Biologi Molekuler Medik.pdf
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
7/22/2019 untuk mahasiswa Biologi Molekuler Medik.pdf
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.
7/22/2019 untuk mahasiswa Biologi Molekuler Medik.pdf
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 ?
7/22/2019 untuk mahasiswa Biologi Molekuler Medik.pdf
10/43
SELjaringan
Fungsi tubuh
7/22/2019 untuk mahasiswa Biologi Molekuler Medik.pdf
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
7/22/2019 untuk mahasiswa Biologi Molekuler Medik.pdf
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
7/22/2019 untuk mahasiswa Biologi Molekuler Medik.pdf
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
7/22/2019 untuk mahasiswa Biologi Molekuler Medik.pdf
14/43
Pembuluh darah
7m
Sel darah merah(eritrosit)
3-4 m
3-4 m
Perubahan bentuk eritrosit dalam pembuluh darah kapiler
7/22/2019 untuk mahasiswa Biologi Molekuler Medik.pdf
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
7/22/2019 untuk mahasiswa Biologi Molekuler Medik.pdf
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
7/22/2019 untuk mahasiswa Biologi Molekuler Medik.pdf
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
7/22/2019 untuk mahasiswa Biologi Molekuler Medik.pdf
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
7/22/2019 untuk mahasiswa Biologi Molekuler Medik.pdf
19/43
7/22/2019 untuk mahasiswa Biologi Molekuler Medik.pdf
20/43
7/22/2019 untuk mahasiswa Biologi Molekuler Medik.pdf
21/43
22
7/22/2019 untuk mahasiswa Biologi Molekuler Medik.pdf
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
7/22/2019 untuk mahasiswa Biologi Molekuler Medik.pdf
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
7/22/2019 untuk mahasiswa Biologi Molekuler Medik.pdf
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
7/22/2019 untuk mahasiswa Biologi Molekuler Medik.pdf
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
7/22/2019 untuk mahasiswa Biologi Molekuler Medik.pdf
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
7/22/2019 untuk mahasiswa Biologi Molekuler Medik.pdf
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
7/22/2019 untuk mahasiswa Biologi Molekuler Medik.pdf
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
7/22/2019 untuk mahasiswa Biologi Molekuler Medik.pdf
29/43
29
Gen A Gen B Gen C
Protein A Protein B Protein C
- Struktur sel
- Fungsi sel
mRNA
7/22/2019 untuk mahasiswa Biologi Molekuler Medik.pdf
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
7/22/2019 untuk mahasiswa Biologi Molekuler Medik.pdf
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
7/22/2019 untuk mahasiswa Biologi Molekuler Medik.pdf
32/43
7/22/2019 untuk mahasiswa Biologi Molekuler Medik.pdf
33/43
Up stream Down stream
DNA (GEN)
5 Cap
mRNA
Splicing
Poly A mRNAMatur
3
TATA+ 1
- 1000
Poly A
7/22/2019 untuk mahasiswa Biologi Molekuler Medik.pdf
34/43
7/22/2019 untuk mahasiswa Biologi Molekuler Medik.pdf
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
7/22/2019 untuk mahasiswa Biologi Molekuler Medik.pdf
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
7/22/2019 untuk mahasiswa Biologi Molekuler Medik.pdf
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
7/22/2019 untuk mahasiswa Biologi Molekuler Medik.pdf
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.
7/22/2019 untuk mahasiswa Biologi Molekuler Medik.pdf
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
7/22/2019 untuk mahasiswa Biologi Molekuler Medik.pdf
40/43
Stability of RNA molecules
mRNA
miRNA
Beberapa menit s/dbeberapa hariBeberapa hari s/d
beberapa bulan
7/22/2019 untuk mahasiswa Biologi Molekuler Medik.pdf
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
7/22/2019 untuk mahasiswa Biologi Molekuler Medik.pdf
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)
7/22/2019 untuk mahasiswa Biologi Molekuler Medik.pdf
43/43
terimakasih