untuk mahasiswa biologi molekuler medik
DESCRIPTION
materikulasiTRANSCRIPT
![Page 1: Untuk Mahasiswa Biologi Molekuler Medik](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022012404/55cf9ada550346d033a3b68c/html5/thumbnails/1.jpg)
Biologi Molekuler Medik
Prof. Dr. M. Nurhalim Shahib, dr Biochemist & Molecular Biologist
2013
![Page 2: Untuk Mahasiswa Biologi Molekuler Medik](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022012404/55cf9ada550346d033a3b68c/html5/thumbnails/2.jpg)
DEFINISI
Biologi molekuler adalah ilmu yang mempelajari struktur dan fungsi molekul makhluk hidup, yang terdiri dari molekul organik dan anorganik, terorganisasi satu sama lain membentuk dan mempertahankan unit seluler sehingga dapat berfungsi biologik.
![Page 3: Untuk Mahasiswa Biologi Molekuler Medik](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022012404/55cf9ada550346d033a3b68c/html5/thumbnails/3.jpg)
Living organism
C
H
O
N
P
Another
elements
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
![Page 4: Untuk Mahasiswa Biologi Molekuler Medik](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022012404/55cf9ada550346d033a3b68c/html5/thumbnails/4.jpg)
Different microenvironments?
different gene expressions? . .
Fetus
Baby/Chil
d Adult Elderly Death
Cells & Tissues maturation
Increasing of organs function
& human systems biology
-Optimal cell function -Optimal
component of blood & hormonal system
- Optimal the reproductive
system network
Decline of cell function
?
Scope of aging Beyond the reality
zygote
(M. Nurhalim S., 2011)
embryo
-Cells prolyferation -- cells differentiation -- genetics modification
![Page 5: Untuk Mahasiswa Biologi Molekuler Medik](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022012404/55cf9ada550346d033a3b68c/html5/thumbnails/5.jpg)
Relevansi Proses Kimia (dan Fisika)
dengan Proses Biologis
Banyak 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
![Page 6: Untuk Mahasiswa Biologi Molekuler Medik](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022012404/55cf9ada550346d033a3b68c/html5/thumbnails/6.jpg)
STRUKTUR & KANDUNGAN MOLEKUL
PADA MAKHLUK HIDUP 1. Semua organisme terdiri dari molekul kimia atau
benda mati yang sangat kompleks baik jumlah maupun organisasinya. Bandingkan dengan benda “abiotik”
2. Organisme hidup memerlukan energi dari lingkungannya dalam bentuk nutrisi atau sinar matahari sehingga dapat mempertahankan dan membangun kerja atau interaksi yang bersifat mekanis kimia, osmotik, mempertahankan suhu tubuh dan lain-lain mekanisme.
3. Organisme hidup, terutama multiseluler memerlukan ruang tiga dimensi untuk pertumbuhan
![Page 7: Untuk Mahasiswa Biologi Molekuler Medik](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022012404/55cf9ada550346d033a3b68c/html5/thumbnails/7.jpg)
Mikromolekul
•monosakarida
•asam amino
•nukleotida
•asam lemak
Makromolekul
• polisakarida
• protein
• asam nukleat
• lipid dalam bentuk kompleks dengan komponen lipid lainnya
Supramolekul
Elemen biologis
C
H
O
N
S
P Elemen lain
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
![Page 8: Untuk Mahasiswa Biologi Molekuler Medik](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022012404/55cf9ada550346d033a3b68c/html5/thumbnails/8.jpg)
Hirarki materi biologik
BIOMOLEKUL
DNA
RNA
Protein
Organel
Sel
Jaringan
Organ
Mikromolekul
Makromolekul
Supramolekul
“major minerals” “trace elements”
ELEMEN
elemen pokok (C, H, O, N, S, P)
Komposisi kimia tubuh manusia dan organisasi biologisnya.
![Page 9: Untuk Mahasiswa Biologi Molekuler Medik](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022012404/55cf9ada550346d033a3b68c/html5/thumbnails/9.jpg)
• Unsur kimia: C, H, O, N, S, P 99% massa sel
1% unsur lain
• Ikatan kimia non kovalen
kovalen
Terbentuknya molekul atau terurainya molekul Struktur dan fungsi molekul SEL ?
![Page 10: Untuk Mahasiswa Biologi Molekuler Medik](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022012404/55cf9ada550346d033a3b68c/html5/thumbnails/10.jpg)
• SEL jaringan
Fungsi tubuh
![Page 11: Untuk Mahasiswa Biologi Molekuler Medik](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022012404/55cf9ada550346d033a3b68c/html5/thumbnails/11.jpg)
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
![Page 12: Untuk Mahasiswa Biologi Molekuler Medik](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022012404/55cf9ada550346d033a3b68c/html5/thumbnails/12.jpg)
CH2
C O
H C
CH2
SH2
C
SH2
CH2
CH2
C O
H
C
CH2
S S CH2
C
CH2
C O
H
![Page 13: Untuk Mahasiswa Biologi Molekuler Medik](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022012404/55cf9ada550346d033a3b68c/html5/thumbnails/13.jpg)
– +
--- CH2 – OH ….. O = C - CH2 - CH2 ---
NH2
I
--CH2–CH2–NH3 + -
C-CH2-CH2- O O
– CH2–CH–CH3 I CH3
CH3–CH–CH2 –
CH3
I
H I C – CH3
I CH3
H I CH3 – C
I CH3
CH2 - C O
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
![Page 14: Untuk Mahasiswa Biologi Molekuler Medik](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022012404/55cf9ada550346d033a3b68c/html5/thumbnails/14.jpg)
Pembuluh darah
7m
Sel darah merah (eritrosit)
3-4 m
3-4 m
Perubahan bentuk eritrosit dalam pembuluh darah kapiler
![Page 15: Untuk Mahasiswa Biologi Molekuler Medik](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022012404/55cf9ada550346d033a3b68c/html5/thumbnails/15.jpg)
NH3
+ - O
O
b
H O O
NH2
NH2
C
O
O
c a
CH3 CH3
CH3
CH3
CH3
CH3 CH2OH
c d d a
+ - CH3
C O
C
CH
CH3 CH3
CH2OH C
Ikatan kovalen a = ikatan ionik (elektostaik) b = ikatan hidrogen c = ikatan nonpolar (hidrofobik) d = ikatan Van der Waals
![Page 16: Untuk Mahasiswa Biologi Molekuler Medik](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022012404/55cf9ada550346d033a3b68c/html5/thumbnails/16.jpg)
BIOLOGI DASAR
Konsep:
• Semua proses biologis berlandaskan reaksi kimia dan atau fisikokimia (kimia fisik).
• Fungsi sel dilaksanakan oleh molekul protein dan atau kompleks protein 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
![Page 17: Untuk Mahasiswa Biologi Molekuler Medik](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022012404/55cf9ada550346d033a3b68c/html5/thumbnails/17.jpg)
17
Hirarki biologi molekul :
DNA RNA Protein
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
![Page 18: Untuk Mahasiswa Biologi Molekuler Medik](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022012404/55cf9ada550346d033a3b68c/html5/thumbnails/18.jpg)
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
![Page 19: Untuk Mahasiswa Biologi Molekuler Medik](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022012404/55cf9ada550346d033a3b68c/html5/thumbnails/19.jpg)
![Page 20: Untuk Mahasiswa Biologi Molekuler Medik](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022012404/55cf9ada550346d033a3b68c/html5/thumbnails/20.jpg)
![Page 21: Untuk Mahasiswa Biologi Molekuler Medik](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022012404/55cf9ada550346d033a3b68c/html5/thumbnails/21.jpg)
![Page 22: Untuk Mahasiswa Biologi Molekuler Medik](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022012404/55cf9ada550346d033a3b68c/html5/thumbnails/22.jpg)
STRUCTURE OF THE NUCLEIC ACIDS 22
NUCLEIC ACIDS ARE POLYMERS OF NUCLEOTIDES
- Deoxyribonucleic acid (DNA)
- Ribonucleic acid (RNA)
NUCLEOTIDE STRUCTURE
DNA 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
![Page 23: Untuk Mahasiswa Biologi Molekuler Medik](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022012404/55cf9ada550346d033a3b68c/html5/thumbnails/23.jpg)
2. A Nitrogenous Base :
23
a. Purines : adenine (A) and guanine (G) found in DNA or
RNA
b. Pyrimidins : Cytosine (C), thymine (T), and uracil (U)
Thymines are found only in DNA
Uracils are found only in RNA
3. Phosphate
![Page 24: Untuk Mahasiswa Biologi Molekuler Medik](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022012404/55cf9ada550346d033a3b68c/html5/thumbnails/24.jpg)
24
Basa N C
O
C
C C
H H
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.
![Page 25: Untuk Mahasiswa Biologi Molekuler Medik](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022012404/55cf9ada550346d033a3b68c/html5/thumbnails/25.jpg)
25 O
O
O
O
H H H
H H
Adenine
O
O
O
CH2 O
H H H
H H
Cytosine
O
O P O O
CH2 O
H H H
H H
Thymine
O
O O
O
CH2 O
H H H
H H
Guanine
O
O
O
O
H
H H
O
O
H H
H H
H
H
O O
O O
O
O
H H
H H
O
O
H H
H H
H
H
O O
O
O
O
5’ CH2 O
H H H
OH H
Adenine
O
O
O
CH2 O
H H H
O
H
H
Cytosine
O
O
O
CH2 O
H H H
OH H
Uracil
O
O
O
CH2 O
H H H
O
H
H
Guanine
O
5’
3’ 5’
5’ 3’
3’
3’ 3’
3’
H
5’ CH2
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
CH2 Guanine
CH2 Adenine
CH2 Cytosine
![Page 26: Untuk Mahasiswa Biologi Molekuler Medik](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022012404/55cf9ada550346d033a3b68c/html5/thumbnails/26.jpg)
26
O
O
CH2 O
H H H
H
H
Cytosine
O
O
O
CH2 O
H H H
H
H
Thymine
O
O
O
CH2 O
H H H H
Guanine
O
Kelompok fosfodiester
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
![Page 27: Untuk Mahasiswa Biologi Molekuler Medik](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022012404/55cf9ada550346d033a3b68c/html5/thumbnails/27.jpg)
MOLEKULAR STRUCTURE
OF CHROMOSOMES AND GENES
27
S
B P
a chromosome carries many genes a double helix of DNA has two strands a single stand of DNA is made of many nucleotides each nucleotide is made of hree components
a very ong molecule of double stranded DNA
Chromosome
Gene
Single strand
of DNA
Nucleotides
Base (B)+
Sugar (S)+
Posphate (P)
![Page 28: Untuk Mahasiswa Biologi Molekuler Medik](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022012404/55cf9ada550346d033a3b68c/html5/thumbnails/28.jpg)
ORGANIZATION OF EUKARYOTIC GENOMIC
DNA
28
Size of DNA molecules
- Human = 3.0 x 109 base pairs / haploid cell
= 6.0 x 109 base 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
![Page 29: Untuk Mahasiswa Biologi Molekuler Medik](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022012404/55cf9ada550346d033a3b68c/html5/thumbnails/29.jpg)
29
Gen A Gen B Gen C
Protein A Protein B Protein C
- Struktur sel
- Fungsi sel
mRNA
![Page 30: Untuk Mahasiswa Biologi Molekuler Medik](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022012404/55cf9ada550346d033a3b68c/html5/thumbnails/30.jpg)
30
Telomere Telomere
Centromere
Gene A Gene B Gene C
mRNA A mRNA B mRNA C
Protein A Protein B Protein C
2 P
![Page 31: Untuk Mahasiswa Biologi Molekuler Medik](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022012404/55cf9ada550346d033a3b68c/html5/thumbnails/31.jpg)
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
![Page 32: Untuk Mahasiswa Biologi Molekuler Medik](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022012404/55cf9ada550346d033a3b68c/html5/thumbnails/32.jpg)
![Page 33: Untuk Mahasiswa Biologi Molekuler Medik](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022012404/55cf9ada550346d033a3b68c/html5/thumbnails/33.jpg)
Up stream Down stream
DNA (GEN)
5’ Cap
mRNA
Splicing
Poly A mRNAMatur
3’
TATA + 1 - 1000
Poly A
![Page 34: Untuk Mahasiswa Biologi Molekuler Medik](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022012404/55cf9ada550346d033a3b68c/html5/thumbnails/34.jpg)
![Page 35: Untuk Mahasiswa Biologi Molekuler Medik](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022012404/55cf9ada550346d033a3b68c/html5/thumbnails/35.jpg)
Pelipatan (Folding)
C
N Ikatan : - 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
![Page 36: Untuk Mahasiswa Biologi Molekuler Medik](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022012404/55cf9ada550346d033a3b68c/html5/thumbnails/36.jpg)
POST TRANSLATION MODIFICATIONS
Molekul yang berperan adalah “chaperones” yang terdapat dalam dua bentuk :
• Yang menstabilkan protein dan mencegah dari degradasi
•Yang bekerja melipatkan protein
36
Molekul Protein selalu mencari bentuk yang paling stabil
Folding
Natural state
![Page 37: Untuk Mahasiswa Biologi Molekuler Medik](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022012404/55cf9ada550346d033a3b68c/html5/thumbnails/37.jpg)
miRNA (micro RNA)
- small, non-coding RNA
- 22 nucleotides in length
- Natural miRNA acts as a guide to target RISC complex (RNA induced silencing complex)
- To regulate the expression of ≥ 60% all protein coding genes
- miRNAs play vital roles in proliferation, differentiation, cell growth, cell death, stress resistance, and metabolism
![Page 38: Untuk Mahasiswa Biologi Molekuler Medik](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022012404/55cf9ada550346d033a3b68c/html5/thumbnails/38.jpg)
- The profile changes of miRNA→
- Infections
- Degenerative disease (cancer, CVD, etc)
- As an biomarker to asses and monitor the pathophysiological conditions
- miRNAs can act both as „oncomers‟ and tumor suppressor, 20 carcinogenesis may occur through loss of tumor suppressing miRNAs or over expression of tumor-promoting miRNAs.
![Page 39: Untuk Mahasiswa Biologi Molekuler Medik](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022012404/55cf9ada550346d033a3b68c/html5/thumbnails/39.jpg)
• miRNA regulated network in disease state:
▫ Insufficient or abberant responses
• The miRNA contribution to mendelion and complex genetic disease
To utilize and target miRNAs of diagnostic and treatment
Hundreds of targets for 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
![Page 40: Untuk Mahasiswa Biologi Molekuler Medik](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022012404/55cf9ada550346d033a3b68c/html5/thumbnails/40.jpg)
Stability of RNA molecules
mRNA
miRNA
Beberapa menit s/d beberapa hari Beberapa hari s/d beberapa bulan
![Page 41: Untuk Mahasiswa Biologi Molekuler Medik](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022012404/55cf9ada550346d033a3b68c/html5/thumbnails/41.jpg)
DISTRIBUSI PROTEIN DALAM SEL
• Protein yang telah disintesis menempuh dua jalur :
a. Kelompok protein yang mengandung ”Endoplasmic reticulum signal 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 besar sitoplasma
- Organel, nukleus, mitokondria
- dll.
• Terdapat urutan asam amino spesifik pada ujung protein baru yang dapat mengenal reseptor spesifik pada inti, periksisom dan mitokondria.
41
![Page 42: Untuk Mahasiswa Biologi Molekuler Medik](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022012404/55cf9ada550346d033a3b68c/html5/thumbnails/42.jpg)
Stability of Protein with certain amino
acids added to its N terminus
sebagai contoh β-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)
![Page 43: Untuk Mahasiswa Biologi Molekuler Medik](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022012404/55cf9ada550346d033a3b68c/html5/thumbnails/43.jpg)
terimakasih