transkripsi

Pokok bahasan di dalam bab ini meliputi prinsip dasar transkripsi, yang mencakup ciri-ciri dan tahapan transkripsi, transkripsi pada prokariot, dan transkripsi pada eukariot, dengan penekanan pada karakteristik enzim RNA polimerasenya. Setelah mempelajari pokok bahasan di dalam bab ini mahasiswa diharapkan mampu menjelaskan:
1. prinsip dasar transkripsi,
2. ranskripsi pada prokariot, khususnya pada bakteri Escherichia coli, dan
3. transkripsi pada eukariot.
Pengetahuan awal yang diperlukan oleh mahasiswa agar dapat mempelajari pokok bahasan ini dengan lebih baik adalah struktur asam nukleat dan replikasi DNA, yang masing-masing telah dijelaskan pada Bab II dan Bab IV. Selain itu, konsep dasar tentang gen dan transkripsi yang telah diperoleh pada mata kuliah Genetika juga sangat mendukung pemahaman materi bahasan di dalam bab ini.
Prinsip Dasar Transkripsi
Pada Bab IV telah disebutkan bahwa fungsi dasar kedua yang harus dijalankan oleh DNA sebagai materi genetik adalah fungsi fenotipik. Artinya, DNA harus mampu mengatur pertumbuhan dan diferensiasi individu organisme sehingga dihasilkan suatu fenotipe tertentu. Fungsi ini dilaksanakan melalui ekspresi gen, yang tahap pertamanya adalah proses transkripsi, yaitu perubahan urutan basa molekul DNA menjadi urutan basa molekul RNA. Dengan perkataan lain, transkripsi merupakan proses sintesis RNA menggunakan salah satu untai molekul DNA sebagai cetakan (templat)nya.
Transkripsi mempunyai ciri-ciri kimiawi yang serupa dengan sintesis/replikasi DNA, yaitu
1. Adanya sumber basa nitrogen berupa nukleosida trifosfat. Bedanya dengan sumber basa untuk sintesis DNA hanyalah pada molekul gula pentosanya yang tidak berupa deoksiribosa tetapi ribosa dan tidak adanya basa timin tetapi digantikan oleh urasil. Jadi, keempat nukleosida trifosfat yang diperlukan adalah adenosin trifosfat (ATP), guanosin trifosfat (GTP), sitidin trifosfat (CTP), dan uridin trifosfat (UTP).
2. Adanya untai molekul DNA sebagai cetakan. Dalam hal ini hanya salah satu di antara kedua untai DNA yang akan berfungsi sebagai cetakan bagi sintesis molekul RNA. Untai DNA ini mempunyai urutan basa yang komplementer dengan urutan basa RNA hasil transkripsinya, dan disebut sebagai pita antisens. Sementara itu, untai DNA pasangannya, yang mempunyai urutan basa sama dengan urutan basa RNA, disebut sebagai pita sens. Meskipun demikian, sebenarnya transkripsi pada umumnya tidak terjadi pada urutan basa di sepanjang salah satu untai DNA. Jadi, bisa saja urutan basa yang ditranskripsi terdapat berselang-seling di antara kedua untai DNA.
3. Sintesis berlangsung dengan arah 5’→ 3’ seperti halnya arah sintesis DNA.
4. Gugus 3’- OH pada suatu nukleotida bereaksi dengan gugus 5’- trifosfat pada nukleotida berikutnya menghasilkan ikatan fosofodiester dengan membebaskan dua atom pirofosfat anorganik (PPi). Reaksi ini jelas sama dengan reaksi polimerisasi DNA. Hanya saja enzim yang bekerja bukannya DNA polimerase, melainkan RNA polimerase. Perbedaan yang sangat nyata di antara kedua enzim ini terletak pada kemampuan enzim RNA polimerase untuk melakukan inisiasi sintesis RNA tanpa adanya molekul primer.
Secara garis besar transkripsi berlangsung dalam empat tahap, yaitu pengenalan promoter, inisiasi, elongasi, dan teminasi. Masing-masing tahap akan dijelaskan secara singkat sebagai berikut.
Pengenalan promoter
Agar molekul DNA dapat digunakan sebagai cetakan dalam sintesis RNA, kedua untainya harus dipisahkan satu sama lain di tempat-tempat terjadinya penambahan basa pada RNA. Selanjutnya, begitu penambahan basa selesai dilakukan, kedua untai DNA segera menyatu kembali. Pemisahan kedua untai DNA pertama kali terjadi di suatu tempat tertentu, yang merupakan tempat pengikatan enzim RNA polimerase di sisi 5’ (upstream) dari urutan basa penyandi (gen) yang akan ditranskripsi. Tempat ini dinamakan promoter.
Inisiasi
Setelah mengalami pengikatan oleh promoter, RNA polimerase akan terikat pada suatu tempat di dekat promoter, yang dinamakan tempat awal polimerisasi atau tapak inisiasi (initiation site). Tempat ini sering dinyatakan sebagai posisi +1 untuk gen yang akan ditranskripsi. Nukleosida trifosfat pertama akan diletakkan di tapak inisiasi dan sintesis RNA pun segera dimulai.
Elongasi
Pengikatan enzim RNA polimerase beserta kofaktor-kofaktornya pada untai DNA cetakan membentuk kompleks transkripsi. Selama sintesis RNA berlangsung kompleks transkripsi akan bergeser di sepanjang molekul DNA cetakan sehingga nukleotida demi nukleotida akan ditambahkan kepada untai RNA yang sedang diperpanjang pada ujung 3’ nya. Jadi, elongasi atau polimerisasi RNA berlangsung dari arah 5’ ke 3’, sementara RNA polimerasenya sendiri bergerak dari arah 3’ ke 5’ di sepanjang untai DNA cetakan.
Terminasi
Berakhirnya polimerisasi RNA ditandai oleh disosiasi kompleks transkripsi atau terlepasnya enzim RNA polimerase beserta kofaktor-kofaktornya dari untai DNA cetakan. Begitu pula halnya dengan molekul RNA hasil sintesis. Hal ini terjadi ketika RNA polimerase mencapai urutan basa tertentu yang disebut dengan terminator.
Terminasi transkripsi dapat terjadi oleh dua macam sebab, yaitu terminasi yang hanya bergantung kepada urutan basa cetakan (disebut terminasi diri) dan terminasi yang memerlukan kehadiran suatu protein khusus (protein rho). Di antara keduanya terminasi diri lebih umum dijumpai. Terminasi diri terjadi pada urutan basa palindrom yang diikuti oleh beberapa adenin (A). Urutan palindrom adalah urutan yang sama jika dibaca dari dua arah yang berlawanan. Oleh karena urutan palindom ini biasanya diselingi oleh beberapa basa tertentu, maka molekul RNA yang dihasilkan akan mempunyai ujung terminasi berbentuk batang dan kala (loop) seperti pada Gambar 5.1.
Inisiasi transkripsi tidak harus menunggu selesainya transkripsi sebelumnya. Hal ini karena begitu RNA polimerase telah melakukan pemanjangan 50 hingga 60 nukleotida, promoter dapat mengikat RNA polimerase yang lain. Pada gen-gen yang ditranskripsi dengan cepat reinisiasi transkripsi dapat terjadi berulang-ulang sehingga gen tersebut akan terselubungi oleh sejumlah molekul RNA dengan tingkat penyelesaian yang berbeda-beda.
Transkripsi pada Prokariot
Telah dikatakan di atas bahwa transkripsi merupakan proses sintesis RNA yang dikatalisis oleh enzim RNA polimerase. Berikut ini akan diuraikan sekilas enzim RNA polimerase pada prokariot, khususnya pada bakteri E.coli, promoter s70, serta proses transkripsi pada organisme tersebut
RNA polimerase E. coli
Enzim RNA polimerase pada E. coli sekurang-kurangnya terdiri atas lima subunit, yaitu alfa (a), beta (b), beta prima (b’), omega (w), dan sigma (s). Pada bentuk lengkapnya, atau disebut sebagai holoenzim, terdapat dua subunit a dan satu subunit untuk masing-masing subunit lainnya sehingga sering dituliskan dengan a2bb’ws. Holoenzim RNA polimerase diperlukan untuk inisiasi transkripsi. Namun, untuk elongasi transkripsi tidak diperlukan faktor s sehingga subunit ini dilepaskan dari kompleks transkripsi begitu inisiasi selesai. Sisanya, yakni a2bb’w, merupakan enzim inti (core enzyme) yang akan melanjutkan proses transkripsi.
Laju sintesis RNA oleh RNA polimerase E. coli dapat mencapai sekitar 40 nukleotida per detik pada suhu 37°C. Untuk aktivitasnya enzim ini memerlukan kofaktor Mg2+. Setiap berikatan dengan molekul DNA enzim RNA polimerase E. coli dapat mencakup daerah sepanjang lebih kurang 60pb.
Meskipun kebanyakan RNA polimerase seperti halnya yang terdapat pada E. coli mempunyai struktur multisubunit, hal itu bukanlah persyaratan yang mutlak. RNA polimerase pada bakteriofag T3 dan T7, misalnya, merupakan rantai polipeptida tunggal yang ukurannya jauh lebih kecil daripada RNA polimerase bakteri. Enzim tersebut dapat menyintesis RNA dengan cepat, yaitu sebanyak 200 nukleotida per detik pada suhu 37°C.
Subunit a
Dua subunit a yang identik terdapat pada RNA polimerase inti. Kedua-duanya disandi oleh gen rpoA. Ketika bakteriofag T4 menginfeksi E.coli, subunit a akan dimodifikasi melalui ribosilasi ADP suatu arginin. Hal ini berkaitan dengan berkurangnya afinitas pengikatan promoter sehingga subunit a diduga kuat memegang peranan dalam pengenalan promoter.
Subunit b
Seperti halnya subunit a, subunit b juga terdapat pada RNA polimerase inti. Subunit ini diduga sebagai pusat katalitik RNA polimerase, yang dibuktikan melalui hasil penelitian mengenai penghambatan transkripsi menggunakan antibiotik. Antibiotik rifampisin merupakan inhibitor potensial bagi RNA polimerase yang menghalangi inisiasi tetapi tidak mempengaruhi elongasi. Kelompok antibiotik ini tidak menghambat polimerase eukariot sehingga sering digunakan untuk mengatasi infeksi bakteri Gram positif dan tuberkulosis. Rifampisin telah dibuktikan berikatan dengan subunit b, dan mutasi-mutasi yang menyebabkan resistensi terhadap rifampisin telah dipetakan pada gen rpoB, yaitu gen yang menyandi subunit b. Selanjutnya, kelompok antibiotik yang lain, yakni streptolidigin, ternyata menghambat elongasi transkripsi, dan mutasi-mutasi yang menyebabkan resistesi terhadap antibiotik ini juga dipetakan pada gen rpoB. Kedua hasil penelitian tersebut mendukung pendapat bahwa subunit b diduga mempunyai dua domain yang bertanggung jawab terhadap inisiasi dan elongasi transkripsi.
Subunit b’
Subunit b’ juga terdapat pada RNA polimerase inti. Subunit yang disandi oleh gen rpoC ini mengikat dua ion Zn2+ yang diduga berpartisipasi dalam fungsi katalitik polimerase. Suatu polianion, yakni heparin, terbukti mengikat subunit b’. Heparin menghambat transkripsi secara in vitro dan juga berkompetisi dengan DNA dalam pengikatan RNA polimerase. Hal ini mendukung pendapat bahwa subunit b’ diduga bertanggung jawab terhadap pengikatan DNA cetakan.
Faktor s
Faktor s yang paling umum dijumpai pada E. coli adalah s70 (disebut demikian karena mempunyai berat molekul 70 kDa). Pengikatan faktor s pada RNA polimerase inti akan mengubah enzim tersebut menjadi holoenzim. Faktor s memegang peranan yang penting dalam pengenalan promoter tetapi tidak diperlukan untuk elongasi transkripsi. Kontribusi faktor s dalam pengenalan promoter adalah melalui penurunan afinitas enzim inti terhadap tempat-tempat nonspesifik pada molekul DNA hingga 104, disertai dengan peningkatan afinitas terhadap promoter.
Banyak organisme prokariot, termasuk E. coli, mempunyai beberapa faktor s. Semuanya terlibat dalam pengenalan kelompok-kelompok promoter tertentu. Faktor s dilepaskan dari RNA polimerase inti ketika sintesis RNA mencapai panjang 8 hingga 9 nukleotida. Enzim inti tersebut kemudian akan bergerak di sepanjang molekul DNA sambil menyintesis untai RNA. Sementara itu, faktor s dapat segera bergabung dengan RNA polimerase inti lainnya dan melakukan inisiasi transkripsi kembali. Jumlah faktor s di dalam sel lebih kurang hanya 30% dari jumlah RNA polimerase inti sehingga hanya sepertiga di antara kompleks RNA polimerase yang akan dijumpai dalam bentuk holoenzim pada suatu waktu tertentu.
Promoter s70 pada E. coli
Seperti telah dikatakan di atas, promoter merupakan tempat tertentu pada molekul DNA yang mempunyai urutan basa spesifik untuk pengikatan RNA polimerase dan inisiasi transkripsi. Promoter yang berbeda akan dikenali oleh faktor s RNA polimerase yang berbeda pula. Meskipun demikian, faktor s yang paling umum dijumpai pada E. coli adalah s70.
Promoter pertama kali dikarakterisasi melalui percobaan mutasi yang meningkatkan atau menurunkan laju transkripsi gen-gen seperti halnya gen-gen struktural pada operon lac. Mutagenesis promoter-promoter pada E. coli menunjukkan bahwa urutan basa yang menentukan fungsi promoter tersebut hanyalah suatu urutan yang sangat pendek.
Promoter s70 terdiri atas urutan basa sepanjang 40 hingga 60 pb. Daerah antara –55 dan +20 telah diketahui merupakan daerah pengikatan RNA polimerase, sedangkan daerah antara –20 dan +20 diketahui sangat terlindung dari aktivitas nuklease oleh DNase I.. Hal ini menunjukkan bahwa daerah tersebut sangat berkaitan dengan polimerase yang menghalangi akses nuklease menuju DNA. Mutagenesis promoter memperlihatkan bahwa urutan hingga lebih kurang –40 mempunyai peranan yang penting bagi fungsi promoter. Selain itu, dua urutan sepanjang 6 pb pada posisi sekitar –10 dan –35 terbukti sangat penting bagi fungsi promoter pada E. coli.
Urutan –10
Urutan yang paling lestari (konservatif) pada promoter s70, atau sering dikatakan sebagai urutan konsensus, adalah urutan sepanjang 6 pb yang dijumpai pada promoter-promoter berbagai macam gen pada E. coli. Urutan ini terpusat di sekitar posisi –10 jika dilihat dari tapak inisiasi transkripsi (Gambar 5.2), dan dinamakan kotak Pribnow karena ditemukan oleh Pribnow pada tahun 1975. Urutan konsensus pada kotak Pribnow adalah TATAAT. Kedua basa pertama (TA) dan T yang terakhir merupakan basa-basa yang paling konservatif. Urutan heksamer ini dipisahkan sejauh 5 hingga 8 pb dari tapak inisiasi, dan urutan penyela yang memisahkan urutan -10 dengan tapak inisiasi tersebut tidaklah konservatif. Urutan –10 nampaknya merupakan urutan tempat terjadinya inisiasi pembukaan heliks oleh RNA polimerase.
Urutan -35
Pada Gambar 5.2 terlihat bahwa selain urutan -10, terdapat pula urutan heksamer lain yang konservatif, yaitu urutan di sekitar posisi -35, yang terdiri atas TTGACA. Urutan ini akan lebih konservatif lagi pada promoter-promoter yang efisien. Tiga basa pertama (TTG) merupakan posisi yang paling konservatif. Pada kebanyakan promoter urutan -35 dipisahkan sejauh 16 hingga 18 pb dari kotak Pribnow, dan urutan penyelanya bukanlah urutan yang penting.
Tapak inisiasi transkripsi
Pada 90% di antara semua gen, tapak inisiasi transkripsi (posisi +1) berupa basa purin, dan dalam hal ini G lebih umum dijumpai daripada A. Di samping itu, basa C dan basa T sering kali mengapit tapak inisiasi sehingga terdapat urutan CGT atau CAT (Gambar 5.2).
Efisiensi promoter
Urutan-urutan konsensus tersebut di atas khas dijumpai pada promoter-promoter yang kuat. Akan tetapi, di antara promoter yang berbeda sebenarnya terdapat variasi urutan yang cukup nyata, yang dapat mengakibatkan perbedaan efisiensi transkripsi hingga 1.000 kali. Secara garis besar, fungsi daerah-daerah pada promoter dapat dijelaskan sebagai berikut. Urutan -35 merupakan urutan pengenalan yang akan meningkatkan pengenalan dan interaksi dengan faktor s RNA polimerase, urutan -10 penting untuk inisiasi pembukaan heliks, dan urutan di sekitar tapak inisiasi mempengaruhi inisiasi transkripsi.
Sementara itu, urutan 30 basa pertama yang akan ditranskripsi juga mempengaruhi transkripsi. Urutan ini mengatur laju pelepasan promoter dari RNA polimerase, yang memungkinkan reinisiasi transkripsi dapat dilakukan oleh kompleks polimerase lainnya. Pada akhirnya hal ini akan berpengaruh terhadap laju transkripsi dan kekuatan promoter.
Pentingnya pemisahan untai DNA pada reaksi inisiasi diperlihatkan oleh pengaruh superkoiling negatif DNA cetakan yang pada umumnya akan memacu laju transkripsi. Hal ini diduga karena struktur superkoil tersebut hanya memerlukan sedikit energi untuk membuka heliks.
Beberapa urutan promoter tidak cukup mirip dengan urutan konsensus yang akan ditranskripsi dengan kuat pada kondisi normal. Sebagai contoh, promoter lac (Plac), yang memerlukan faktor aktivasi tambahan berupa protein reseptor cAMP atau cAMP protein receptor (CPR) untuk mengikat suatu tempat pada DNA yang letaknya berdekatan dengan urutan promoter tersebut agar pengikatan RNA polimerase dan inisiasi transkripsi dapat ditingkatkan. Sejumlah promoter lainnya, misalnya untuk gen-gen yang berhubungan dengan kejut panas, mempunyai urutan konsensus tertentu yang hanya dapat dikenali oleh RNA polimerase dengan faktor s selain s70.
Tahapan transkripsi pada prokariot
Seperti proses transkripsi pada umumnya, transkripsi pada prokariot berlangsung dalam empat tahap, yaitu pengikatan promoter, inisiasi, elongasi, dan teminasi. Di bawah ini akan dijelaskan pula sekilas tentang pembukaan heliks, yang terjadi antara tahap pengikatan promoter dan insiasi transkripsi.
Pengikatan promoter
Pada awalnya, RNA polimerase inti (a2bb’w) mempunyai afinitas nonspesifik terhadap DNA. Keadaan ini dikenal sebagai pengikatan longgar, dan sifatnya cukup stabil. Namun, begitu faktor s bergabung dengan enzim inti tersebut hingga terbentuk holoenzim, terjadilah pengurangan afinitas nonspesifik terhadap DNA hingga 20.000 kali. Sejalan dengan hal itu, faktor s juga meningkatkan pengikatan holoenzim pada tempat pengikatan promoter yang tepat hingga 100 kali. Dengan demikian, akan terjadi peningkatan spesifisitas holoenzim yang tajam dalam mengenali promoter.
Pada genom E. coli holoenzim dapat mencari dan mengikat promoter dengan sangat cepat. Bahkan, karena begitu cepatnya, maka proses ini tidak mungkin terjadi melalui pengikatan dan pelepasan holoenzim dari DNA secara berulang-ulang. Kemungkinan yang masuk akal hanyalah melalui pergeseran holoenzim di sepanjang molekul DNA hingga mencapai urutan promoter. Pada promoter, holoenzim mengenali urutan -35 dan -10. Kompleks awal antara holoenzim dan promoter dikenal sebagai kompleks tertutup (closed complex).
Pembukaan heliks
Agar pita antisens dapat diakses untuk perpasangan basa antara DNA dan RNA yang disintesis, untai ganda (heliks) DNA harus dibuka terlebih dahulu oleh enzim RNA polimerase. Pada kebanyakan gen pembukaan heliks oleh RNA polimerase akan dimudahkan oleh struktur superkoiling negatif DNA sehingga transkripsi dapat ditingkatkan. Namun, tidak semua promoter dapat diaktivasi oleh superkoiling negatif sehingga terisyaratkan bahwa perbedaan topologi DNA dapat mempengaruhi transkripsi. Hal ini mungkin karena adanya perbedaan hubungan sterik pada urutan -35 dan -10 di dalam heliks. Sebagai contoh, promoter untuk subunit enzim DNA girase justru dihambat oleh superkoiling negatif. Seperti kita ketahui, DNA girase adalah enzim yang bertanggung jawab untuk superkoiling negatif pada genom E. coli (Bab IV) sehingga superkoiling negatif ini dapat bertindak sebagai umpan balik yang menghambat ekspresi DNA girase.
Pembukaan awal heliks DNA akan menyebabkan pembentukan kompleks terbuka (open complex) dengan RNA polimerase. Proses ini dikenal sebagai pengikatan ketat.
Inisiasi
Berbeda dengan sintesis DNA (Bab IV), sintesis RNA dapat berlangsung tanpa adanya molekul primer. Oleh karena hampir semua tapak inisiasi transkripsi berupa basa G atau A, maka nukleosida trifosfat pertama yang digunakan untuk sintesis RNA adalah GTP atau ATP.
Mula-mula RNA polimerase akan menggabungkan dua nukleotida pertama dan membentuk ikatan fosfodiester di antara kedua nukleotida tersebut. Selanjutnya, sembilan basa pertama ditambahkan tanpa disertai pergeseran RNA polimerase di sepanjang molekul DNA. Pada akhir penambahan masing-masing basa ini akan terdapat peluang yang nyata terjadinya aborsi untai RNA yang baru terbentuk itu. Proses inisiasi abortif mempengaruhi laju transkripsi secara keseluruhan karena proses tersebut memegang peranan utama dalam menentukan waktu yang dibutuhkan oleh RNA polimerase untuk meninggalkan promoter dan memungkinkan RNA polimerase lainnya menginisiasi putaran transkripsi berikutnya. Waktu minimum untuk pengosongan promoter ini adalah 1 hingga 2 detik, suatu waktu yang relatif lama bila dibandingkan dengan waktu untuk tahap-tahap transkripsi lainnya.
Elongasi
Jika inisiasi berhasil, RNA polimerase melepaskan faktor s, dan bersama-sama dengan DNA dan RNA nasen (RNA yang baru disintesis), akan membentuk kompleks terner atau kompleks yang terdiri atas tiga komponen. Dengan adanya kompleks terner ini RNA polimerase dapat berjalan di sepanjang molekul DNA. Artinya, promoter akan ditinggalkannya untuk kemudian ditempati oleh holoenzim RNA polimerase berikutnya sehingga terjadi reinisiasi transkripsi.
Bagian DNA yang mengalami pembukaan heliks, atau disebut dengan gelembung transkripsi (transcription bubble), akan terlihat bergeser di sepanjang molekul DNA sejalan dengan gerakan RNA polimerase. Panjang bagian DNA yang mengalami pembukaan heliks tersebut relatif konstan, yakni sekitar 17 pb (Gambar 5.3), sedangkan ujung 5’ molekul RNA yang disintesis akan membentuk heliks hibrid dengan pita antisens DNA sepanjang lebih kurang 12 pb. Ukuran ini ternyata tidak mencapai satu putaran heliks.
RNA polimerase E. coli bergerak dengan kecepatan rata-rata 40 nukleotida per detik. Akan tetapi, angka ini dapat bervariasi sesuai dengan urutan lokal DNA (urutan DNA yang telah dicapai oleh RNA polimerase). Tetap dipertahankannya bagian DNA yang mengalami pembukaan heliks menunjukkan bahwa RNA polimerase membuka heliks DNA di depan gelembung transkripsi dan menutup heliks DNA di belakangnya. Dengan demikian, heliks hibrid RNA-DNA harus berputar setiap kali terjadi penambahan nukleotida pada RNA nasen.
Terminasi
RNA polimerase tetap terikat pada DNA dan melangsungkan transkripsi hingga mencapai urutan terminator (sinyal stop), yang pada umumnya berupa struktur seperti tusuk konde (hairpin). Struktur yang terdiri atas batang dan kala (loop) ini terjadi karena RNA hasil transkripsi mengalami komplementasi diri. Biasanya, bagian batang sangat kaya dengan GC sehingga sangat stabil (GC mempunyai ikatan rangkap tiga). Di sebelah downstream (3’) dari struktur tusuk kode sering kali terdapat urutan yang terdiri atas empat U atau lebh seperti pada Gambar 5.1.
Nampaknya RNA polimerase akan segera berhenti begitu struktur tusuk konde RNA disintesis. Bagian ujung RNA yang mengandung banyak U tersebut mempunyai ikatan yang lemah dengan basa-basa A pada DNA cetakan sehingga molekul RNA hasil sintesis akan dengan mudah terlepas dari kompleks transkripsi. Selanjutnya, pita DNA cetakan yang sudah tidak berikatan atau membentuk hibrid dengan RNA segera menempel kembali pada pita DNA komplemennya. RNA polimerase inti pun akhirnya terlepas dari DNA.
Terminasi menggunakan protein rho
Telah disinggung di muka bahwa selain karena adanya struktur tusuk konde, terminasi transkripsi dapat juga terjadi dengan bantuan suatu protein khusus yang dinamakan protein rho (ρ). Rho merupakan protein heksamer yang akan menghidrolisis ATP dengan adanya RNA untai tunggal. Protein ini nampak terikat pada urutan sepanjang 72 basa pada RNA, yang diduga lebih disebabkan oleh pengenalan suatu struktur spesifik daripada karena adanya urutan konsensus. Rho bergerak di sepanjang RNA nasen menuju kompleks transkripsi. Pada kompleks transkripsi ini rho memungkinkan RNA polimerase untuk berhenti pada sinyal terminator tertentu. Sinyal-sinyal terminator ini, seperti halnya sinyal terminator yang tidak bergantung kepada rho, lebih dikenali oleh RNA daripada oleh DNA cetakannya. Adakalanya terminator tersebut juga berupa struktur tusuk konde tetapi tidak dikuti oleh urutan poli U.
Transkripsi pada Eukariot
Mekanisme transkripsi pada eukariot pada dasarnya menyerupai mekanisme pada prokariot. Namun, begitu banyaknya polipeptida yang berkaitan dengan mesin transkripsi pada eukariot menjadikan mekanisme tersebut jauh lebih kompleks daripada mekanisme pada prokariot.
Ada tiga macam kompleks RNA polimerase, yang masing-masing diperlukan untuk transkripsi tipe-tipe gen eukariot yang berbeda. Perbedaan ketiga macam RNA polimerase tersebut dapat diketahui melalui pemurnian menggunakan teknik kromatografi dan elusi pada konsentrasi garam yang berbeda. Masing-masing RNA polimerase mempunyai sensitivitas yang berbeda terhadap toksin jamur α-amanitin, dan hal ini dapat digunakan untuk membedakan aktivitasnya satu sama lain.
• RNA polimerase I (RNA Pol I) mentranskripsi sebagian besar gen rRNA. Enzim ini terdapat di dalam nukleoli dan tidak sensitif terhadap α-amanitin.
• RNA polimerase II (RNA Pol II) mentranskripsi semua gen penyandi protein dan beberapa gen RNA nuklear kecil (snRNA). Enzim ini terdapat di dalam nukleoplasma dan sangat sensitif terhadap α-amanitin.
• RNA polimerase III (RNA Pol III) mentranskripsi gen-gen tRNA, 5S rRNA, U6 snRNA dan beberapa RNA kecil lainnya. Enzim ini terdapat di dalam nukleoplasma dan agak sensitif terhadap α-amanitin.
Di samping enzim-enzim nuklear tersebut, sel eukariot juga mempunyai RNA polimerase lainnya di dalam mitokondria dan kloroplas.
Subunit-subunit RNA polimerase pada eukariot
Ketiga RNA polimerase pada eukariot merupakan enzim berukuran besar yang terdiri atas 12 subunit atau lebih. Gen-gen yang menyandi dua subunit terbesar mempunyai homologi satu sama lain. Sementara itu, ketiga RNA polimerase eukariot membawa subunit-subunit yang mempunyai homologi dengan subunit-subunit RNA polimerase inti pada E. coli (α2ββ’). Subunit terbesar RNA polimerase eukariot menyerupai subunit β’, sedangkan subunit terbesar kedua menyerupai subunit β, yang merupakan pusat katalitik RNA polimerase E.coli. Homologi struktur ini ternyata berkaitan dengan homologi fungsional karena subunit terbesar kedua pada RNA polimerase eukariot juga mengandung tapak aktif.
Dua subunit yang sama antara RNA Pol I dan RNA Pol III, serta satu subunit lainnya yang khas pada RNA Pol II, memperlihatkan homologi dengan subunit α RNA polimerase E. coli. Sekurang-kurangnya ada lima subunit lainnya yang lebih kecil, yang memperlihatkan kesamaan di antara ketiga RNA polimerase eukariot. Masing-masing RNA polimerase ini juga membawa empat hingga tujuh subunit tambahan yang hanya dijumpai pada salah satu di antara ketiganya.
Aktivitas RNA polimerase eukariot
Seperti halnya RNA polimerase bakteri, masing-masing RNA polimerase eukariot mengatalisis transkripsi dengan arah 5’ ke 3’ dan menyintesis RNA yang komplementer dengan urutan DNA cetakan. Reaksi tersebut memerlukan prekursor berupa ATP, GTP, CTP, UTP, dan tidak memerlukan primer untuk inisiasi transkripsi. Namun tidak seperti pada bakteri, RNA polimerase eukariot yang dimurnikan memerlukan adanya protein inisiasi tambahan sebelum enzim ini dapat berikatan dengan promoter dan melakukan inisiasi transkripsi.
Gen-gen yang ditranskripsi oleh RNA Pol I
RNA Pol I bertanggung jawab dalam sintesis rRNA secara terus-menerus selama interfase. Sel manusia mengandung lima rumpun (cluster) gen penyandi rRNA yang terdiri atas sekitar 40 salinan dan terletak pada kromosom-kromosom yang berbeda. Masing-masing gen rRNA menghasilkan transkrip 45S rRNA yang panjangnya lebih kurang 13.000 nukleotida (nt). Transkrip ini akan terbagi menjadi sebuah 28S (5.000 nt), 18S (2.000 nt), dan 5,8S (160 nt) rRNA. Transkripsi salinan gen-gen rRNA secara berkesinambungan diperlukan untuk mencukupi produksi rRNA yang selanjutnya akan dikemas ke dalam ribosom.
Masing-masing rumpun gen rRNA dikenal sebagai daerah pengatur nukleolar (nucleolar organizer region) karena nukleolus mengandung kala (loop) DNA berukuran besar yang sesuai dengan rumpun-rumpun gen tersebut. Setelah sebuah sel dihasilkan dari mitosis, sintesis rRNA akan dimulai kembali dan nukleoli yang kecil akan muncul pada lokasi kromosomal yang ditempati oleh gen-gen rRNA. Selama sintesis rRNA berlangsung aktif, transkrip pra-rRNA dikemas di sepanjang gen-gen rRNA dan jika divisualisasikan menggunakan mikroskop elektron akan nampak sebagai ’struktur pohon natal’. Di dalam struktur ini transkrip-transkrip RNA dikemas dengan rapat di sepanjang molekul DNA dan masing-masing muncul tegak lurus dari DNA. Transkrip yang pendek dapat dilihat pada bagian awal gen tersebut. Transkrip akan makin bertambah panjang pada bagian-bagian berikutnya untuk kemudian menghilang ketika mencapai ujung unit transkripsi.
Promoter-promoter gen pra-rRNA pada mamalia mempunyai suatu daerah kontrol transkripsi bipartit, yang terdiri atas elemen inti atau core element dan elemen kontrol hulu atau upstream control element (UCE), yang secara skema dapat dilihat pada Gambar 5.5. Elemen inti meliputi tapak awal transkripsi dan terbentang dari posisi -31 hingga +6, yang merupakan urutan esensial untuk transkripsi. Sementara itu, UCE mempunyai panjang sekitar 50 hingga 80 pb yang dimulai dari posisi -100. UCE bertanggung jawab untuk peningkatan transkripsi sekitar 10 hingga 100 kali bila dibandingkan dengan laju transkripsi oleh elemen inti saja.
UCE akan berikatan dengan suatu protein spesifik pengikat DNA, yang disebut dengan faktor pengikatan hulu atau upstream binding factor (UBF). Selain dengan UCE, UBF juga berikatan dengan suatu urutan di sebelah hulu elemen inti. Kedua urutan yang berikatan dengan UBF tersebut tidak mempunyai kesamaan yang nyata. Sebuah molekul UBF diduga mengikat UCE, sedangkan sebuah molekul UBF lainnya mengikat urutan yang kedua. Selanjutnya, kedua molekul UBF akan saling berikatan melalui interaksi protein-protein sehingga terbentuk struktur kala (loop) pada segmen DNA di antara kedua tempat pengikatan tersebut (Gambar 5.6).
Selain UBF, terdapat faktor lain yang esensial untuk transkripsi RNA Pol I. Faktor ini adalah faktor selektivitas atau selectivity factor (SL1), yang akan berikatan dengan kompleks UBF-DNA dan kemudian menstabilkannya. SL1 berinteraksi dengan bagian hilir elemen inti yang bebas. Pengikatan kompleks UBF-DNA oleh SL1 memungkinkan RNA Pol I untuk memasuki kompleks tersebut dan melakukan inisiasi transkripsi.
Saat ini SL1 telah diketahui mengandung beberapa subunit, antara lain berupa suatu protein yang dinamakan protein pengikat TATA atau TATA-binding protein (TBP). TBP diperlukan untuk inisiasi ketiga RNA polimerase eukariot, dan nampaknya merupakan faktor penting dalam transkripsi eukariot. Ketiga subunit SL1 lainnya dikenal sebagai faktor-faktor yang berasosiasi dengan TBP atau TBP-associated factors (TAFs), dan di antara subunit tersebut yang diperlukan untuk transkripsi RNA Pol I dinamakan TAF1s.
Pada Acanthamoeba, suatu eukariot sederhana, terdapat elemen kontrol tunggal di daerah promoter gen rRNA yang terletak sekitar 12 hingga 72 pb ke arah hulu dari titik awal transkripsi. Tempat ini akan diikat oleh faktor TIF-1, yang homolog dengan SL1. Dengan pengikatan ini RNA Pol I akan dapat melakukan inisiasi transkripsi. Pada waktu RNA Pol I bergerak di sepanjang molekul DNA, faktor TIF-1 tetap terikat pada tempat semula sehingga memungkinkan terjadinya inisiasi transkripsi oleh RNA Pol I yang lain, dan beberapa putaran transkripsi dapat berlangsung. Oleh karena itu, mekanisme ini dapat dilihat sebagai sistem kontrol transkripsi yang sangat sederhana. Di sisi lain, untuk vertebrata nampaknya terdapat suatu UBF tambahan yang bertanggung jawab atas pengikatan promoter oleh SL1 secara spesifik.

Gen-gen yang ditranskripsi oleh RNA Pol III
RNA Pol III terdapat di dalam nukleoplasma dan sekurang-kurangnya terdiri atas 16 subunit yang berbeda. Enzim ini menyintesis prekursor tRNA, 5S rRNA, serta berbagai snRNA dan RNA sitosolik.
Transkrip pertama yang dihasilkan dari gen-gen tRNA merupakan molekul prekursor yang akan diproses menjadi RNA matang. Daerah kontrol transkripsi gen-gen tRNA terletak di sebelah hilir tapak inisiasi transkripsi. Ada dua urutan yang sangat konservatif di dalam gen tRNA, yaitu kotak A (5’- TGGCNNAGTGG – 3’) dan kotak B (5’- GGTTCGANNCC – 3’). Kedua urutan ini juga menyandi urutan penting di dalam tRNA sendiri, yang disebut dengan kala D (D-loop) dan kala TΨC. Hal ini berarti bahwa urutan yang sangat konservatif di dalam tRNA juga merupakan urutan promoter yang sangat konservatif.
Dua faktor pengikatan DNA yang kompleks telah diketahui memegang peranan penting dalam inisiasi transkripsi tRNA oleh RNA Pol III (Gambar 5.7). TFIIIC mengikat baik kotak A maupun kotak B di dalam promoter tRNA. Sementara itu, TFIIIB mengikat daerah sejauh 50 pb ke arah hulu dari kotak A. TFIIIB terdiri atas tiga subunit, yang salah satu di antaranya adalah TBP, suatu faktor inisiasi umum yang diperlukan oleh ketiga RNA polimerase. Subunit yang kedua dan ketiga masing-masing dinamakan BRF dan B’’. Faktor TFIIIB tidak memiliki spesifisitas urutan sehingga tempat pengikatannya bergantung kepada posisi pengikatan TFIIIC pada DNA. TFIIIB memungkinkan RNA Pol III untuk melakukan inisiasi transkripsi. Begitu TFIIIB terikat, TFIIIC dapat dikeluarkan tanpa mempengaruhi transkripsi. Oleh karena itu, TFIIIC dapat dilihat sebagai faktor perakitan untuk penempatan faktor inisiasi TFIIIB.
RNA Pol III mentranskripsi gen 5S rRNA, yang merupakan satu-satunya subunit rRNA yang ditranskripsi secara terpisah. Seperti halnya gen-gen rRNA lainnya yang ditranskripsi oleh RNA Pol I, gen-gen 5S rRNA tersusun secara tandem (berurutan) di dalam suatu rumpun gen. Pada manusia terdapat suatu rumpun yang berisi sekitar 2.000 gen. Promoter gen 5S rRNA mengandung daerah kontrol internal yang dinamakan kotak C. Letaknya sekitar 81 hingga 99 pb ke arah hilir dari tapak inisiasi transkripsi. Selain itu, terdapat juga kotak A yang berada pada posisi sekitar +50 hingga +65.
Kotak C pada promoter 5S rRNA berperan sebagai tempat pengikatan protein spesifik, yaitu TFIIIA (Gambar 5.8). TFIIIA bekerja sebagai faktor perakitan yang memungkinkan TFIIIC berinteraksi dengan promoter 5S rRNA. Sementara itu, kotak A akan menstabilkan pengikatan TFIIIC sehingga faktor ini berikatan dengan DNA pada posisi yang relatif sama dengan posisi pengikatan pada promoter tRNA. Begitu TFIIIC terikat pada DNA, TFIIIB dapat berinteraksi dengan kompleks pengikatan tersebut dan memungkinkan RNA Pol III untuk melakukan inisiasi transkripsi.

Banyak gen yang ditranskripsi oleh RNA Pol III bergantung kepada urutan hulu untuk regulasi transkripsinya. Beberapa promoter seperti U6 snRNA dan gen-gen RNA kecil dari virus Epstein-Barr hanya menggunakan urutan regulator yang letaknya di sebelah hulu dari tapak inisiasi transkripsinya. Daerah penyandi U6 snRNA mempunyai sebuah kotak A yang khas. Akan tetapi, urutan ini tidak diperlukan untuk transkripsi. Daerah hulu pada U6 snRNA mengandung urutan khas promoter RNA Pol II, yang meliputi kotak TATA pada posisi -30 hingga -23. Promoter ini juga memiliki beberapa urutan di daerah hulu sebagai tempat pengikatan faktor transkripsi lainnya seperti pada kebanyakan gen U RNA yang ditranskripsi oleh RNA Pol II. Hal ini mendukung pendapat bahwa faktor-faktor transkripsi umum dapat mengatur gen-gen yang ditranskripsi baik oleh RNA Pol II maupun oleh RNA Pol III.
Terminasi transkripsi oleh RNA Pol III nampaknya hanya memerlukan pengenalan polimerase berupa urutan nukleotida sederhana. Urutan ini terdiri atas sekelompok residu dA yang efisiensi terminasinya dipengaruhi oleh urutan di sekitarnya. Urutan 5’- GCAAAAGC – 3’ merupakan sinyal terminasi yang efisien untuk gen 5S rRNA pada Xenopus borealis.

Gen-gen yang ditranskripsi oleh RNA Pol II
RNA Pol II terdapat di dalam nukleoplasma dan bertanggung jawab untuk transkripsi semua gen penyandi protein dan beberapa gen snRNA. Pra-mRNA (transkrip primer) yang baru disintesis harus mengalami prosesing melalui pembentukan pelindung (cap) pada ujung 5’ RNA dan penambahan poli A pada ujung 3’ di samping pembuangan intron dan penyatuan (splicing) ekson.
Banyak promoter eukariot mengandung suatu urutan konservatif yang dinamakan kotak TATA. Letaknya sekitar 25 hingga 35 pb dari tapak inisiasi transkripsi, berisi urutan konsensus sepanjang 7 pb, yaitu 5’- TATA(A/T)A(A/T) – 3’. Meskipun demikian, saat ini diketahui bahwa protein yang mengikat kotak TATA, yakni TBP, ternyata berikatan dengan urutan sepanjang 8 pb. Tambahan sepasang basa ini letaknya di sebelah hilir dari kotak TATA dan identitasnya tidaklah penting. Kotak TATA bekerja dengan cara yang sama dengan urutan -10 pada promoter E. coli dalam menempatkan RNA Pol II agar diperoleh inisiasi transkripsi yang benar. Meskipun urutan di antara kotak TATA dan tapak inisiasi transkripsi bukan merupakan urutan yang penting, jarak antara kedua tempat tersebut ternyata penting. Hampir 50% tapak inisiasi transkripsi berupa residu A.
Beberapa gen eukariot tidak mempunyai kotak TATA tetapi memiliki suatu elemen insiator, yang terletak di sekitar tapak inisiasi transkripsi. Namun, beberapa promoter tidak memiliki baik kotak TATA maupun elemen inisiator. Gen-gen semacam ini biasanya ditranskripsi dengan lambat, dan inisiasi transkripsi dapat terjadi di tempat-tempat yang berbeda sepanjang 200 pb. Gen-gen ini sering kali mengandung daerah yang kaya GC sepanjang 20 hingga 50 pb pada posisi 100 hingga 200 pb arah hulu dari tapak inisiasi transkripsi.
Aktivitas promoter basal yang rendah akan sangat ditingkatkan oleh adanya elemen-elemen lain di sebelah hulu promoter. Elemen-elemen ini dijumpai pada kebanyakan gen dengan tingkat ekspresi yang sangat bervariasi di antara jaringan yang berbeda. Dua contoh yang umum adalah kotak SP1, yang terletak di sebelah hulu dari banyak gen baik yang mempunyai maupun yang tidak mempunyai kotak TATA, dan kotak CCAAT. Promoter dapat memiliki salah satu, keduanya, atau bahkan banyak salinan urutan/kotak tersebut. Urutan yang pada umumnya terletak 100 hingga 200 pb arah hulu dari promoter ini dinamakan elemen regulator hulu atau upstream regulatory elements (UREs). UREs memegang peranan penting dalam menjamin berlangsungnya transkripsi yang efisien.
Transkripsi kebanyakan promoter eukariot dapat dipacu oleh elemen kontrol yang letaknya beribu-ribu pasang basa dari tapak inisiasi transkripsi. Hal ini pertama kali ditemukan pada genom virus SV40. Suatu urutan sepanjang kira-kira 100 pb pada DNA virus ini dapat dengan nyata meningkatkan transkripsi dari promoter basal. Urutan pemacu (enhancer) ini mempunyai panjang 100 hingga 200 pb dan mengandung banyak elemen yang menghasilkan aktivitas totalnya. Pemacu dapat dijumpai pada sembarang sel atau hanya pada tipe sel tertentu.
Dengan makin banyaknya pemacu dan promoter yang ditemukan, terlihat bahwa motif kedua elemen tersebut ternyata tumpang tindih, baik secara fisik maupun fungsional. Dengan demikian, terdapat spektrum elemen regulator yang sinambung, mulai dari elemen-elemen pemacu yang sangat panjang rentangnya hingga elemen-elemen promoter yang pendek rentangnya.
Serangkaian faktor transkripsi basal yang kompleks telah diketahui berikatan dengan promoter RNA Pol II dan bersama-sama melakukan inisiasi transkripsi. Urutan pembentukan kompleks inisiasi transkripsi RNA Pol II dapat dilihat pada Gambar 5.9.

Pada promoter yang mengandung kotak TATA, TFIID merupakan faktor pertama yang akan mengikat promoter tersebut. Faktor ini terdiri atas banyak molekul protein, tetapi hanya salah satu di antaranya, yakni protein pengikat TATA atau TATA-binding protein (TBP), yang akan berikatan dengan kotak TATA. Seperti pada RNA Pol I, pada TFIID juga terdapat faktor-faktor yang berasosiasi dengan TBP atau TBP-associated factors (TAFIIS). Pada sel-sel mamalia TBP nampaknya akan berikatan dengan kotak TATA dan kemudian bergabung dengan sekurang-kurangnya delapan TAFIIS untuk membentuk TFIID.
TBP dijumpai pada ketiga kompleks transkripsi eukariot (dalam SL1, TFIIIB, dan TFIID), dan dapat dipastikan memegang peranan penting dalam inisiasi transkripsi. TBP merupakan protein monomerik. Semua TBP eukariot mempunyai domain yang terdiri atas 180 residu asam amino pada ujung C yang sangat konservatif, dan dapat berfungsi sebagai molekul protein seutuhnya pada transkripsi in vivo. Oleh karena itu, fungsi domain pada ujung N yang kurang konservatif belum sepenuhnya diketahui. TBP mempunyai struktur fisik seperti pelana, yang akan mengikat lekukan kecil molekul DNA pada kotak TATA dan menghasilkan sudut 45° di antara kedua pasang basa pertama dan kedua pasang basa terakhir dari 8pb elemen TATA. Mutasi TBP pada domain pengikatannya dengan kotak TATA tetap mempertahankan fungsinya sebagai faktor transkripsi untuk RNA Pol I dan RNA Pol III, tetapi menghalangi inisiasi transkripsi oleh RNA Pol II. Hal ini menunjukkan bahwa RNA Pol I dan RNA Pol III menggunakan TBP untuk inisiasi transkripsi, tetapi peranan TBP itu sendiri yang sesungguhnya pada kompleks transkripsi tersebut masih belum jelas.
Faktor transkripsi berikutnya, TFIIA, akan mengikat TFIID dan meningkatkan stabilitas pengikatan TFIID pada kotak TATA. TFIIA sekurang-kurangnya tersusun dari tiga subunit. Pada studi transkripsi in vitro, yang dilakukan dengan memurnikan TFIID, TFIIA ternyata menjadi tidak dibutuhkan lagi. Namun, pada sel-sel yang utuh TFIIA nampaknya akan menghilangkan pengaruh faktor-faktor penghambat yang berasosiasi dengan TFIID. Jadi, pengikatan TFIIA pada TFIID rupanya akan mencegah masuknya faktor-faktor penghambat tersebut sehingga proses transkripsi dapat berlanjut.
Begitu TFIID terikat dengan stabil pada DNA, faktor transkripsi lainnya, yakni TFIIB, akan berikatan dengan TFIID. Faktor ini akan berperan sebagai perantara yang memungkinkan masuknya RNA Pol II ke dalam kompleks inisiasi transkripsi bersama dengan masuknya faktor berikutnya, TFIIF.
Setelah RNA Pol II terikat pada kompleks inisiasi transkripsi, tiga faktor lainnya, masing-masing TFIIE, TFIIH, dan TFIIJ, segera berasosiasi dengan kompleks tersebut. Ketiga faktor ini diperlukan untuk transkripsi in vitro dan penggabungannya dengan kompleks tersebut terjadi melalui urutan tertentu. Di antara ketiga faktor tersebut, TFIIH merupakan molekul protein terbesar yang sekurang-kurangnya terdiri atas lima subunit. TFIIH mempunyai aktivitas kinase dan helikase. Aktivasi oleh TFIIH akan menyebabkan fosforilasi domain ujung C atau carboxyl-terminal domain (CTD) pada RNA Pol II sehingga terbentuk kompleks RNA Pol II yang siap untuk diproses dan meninggalkan daerah promoter. Dengan demikian, TFIIH nampaknya mempunyai fungsi yang sangat penting dalam kontrol elongasi transkripsi. Komponen-komponen TFIIH juga penting dalam mekanisme perbaikan DNA dan dalam fosforilasi kompleks kinase yang mengatur daur sel.
Pada kebanyakan promoter RNA Pol II yang tidak memiliki kotak TATA terdapat suatu elemen inisiator yang letaknya tumpang tindih dengan tapak inisiasi transkripsi. Rupanya pada promoter semacam ini TBP dimasukkan ke promoter oleh suatu protein pengikat DNA yang terikat pada elemen inisiator. TBP kemudian memasukkan faktor-faktor transkripsi lainnya beserta RNA Pol II dengan cara seperti pada promoter yang mempunyai kotak TATA.
Struktur faktor transkripsi pada eukariot
Faktor-faktor transkripsi pada eukariot mempunyai dua aktivitas yang berbeda, yaitu pengikatan spesifik pada DNA dan aktivasi transkripsi. Masing-masing aktivitas ini dilaksanakan oleh domain-domain protein yang terpisah, yaitu domain pengikatan DNA dan domain aktivasi. Selain itu, banyak faktor transkripsi berupa homodimer atau heterodimer, yang bersama-sama disatukan melalui domain dimerisasi. Beberapa faktor transkripsi mempunyai domain pengikatan ligan yang memungkinkan aktivitas faktor regulasi transkripsi melalui pengikatan suatu molekul tambahan yang berukuran kecil. Reseptor hormon steroid merupakan salah satu contoh protein yang mempunyai keempat macam domain tersebut.
Dari percobaan-percobaan yang dikenal sebagai percobaan pertukaran domain atau domain swap experiments, diketahui bahwa domain pengikatan DNA dan domain aktivasi faktor transkripsi Gal4 dan Gcn4 pada khamir terletak pada bagian protein yang berbeda. Domain aktivasi akan bergabung dengan represor LexA pada bakteri, menghasilkan protein hibrid yang mengaktivasi transkripsi dari promoter dengan urutan operator lexA. Hal ini menunjukkan bahwa fungsi aktivasi transkripsi pada protein khamir terpisah dari aktivitas pengikatan DNAnya.
Ada tiga macam domain pengikatan DNA, yaitu domain helix turn helix, domain zinc finger, dan domain basic. Domain helix turn helix mempunyai sebuah heliks pengenalan yang akan berinteraksi dengan DNA (Gambar 5.10.a). Domain zinc finger mempunyai dua buah kala. Pada domain zinc finger C2H2 masing-masing kala berupa enam asam amino yang berujung pada dua residu sistein dan dua residu histidin. Keempat residu asam amino ini berkoordinat pada suatu ion zinkum (Gambar 5.10.b). Domain basic biasanya berasosiasi dengan salah satu dari dua domain dimerisasi, yaitu leucine zipper atau helix-loop-helix (HLH), sehingga masing-masing dikenal sebagai protein basic leucine zipper (bZIP) dan basic HLH. Dimerisasi protein-protein ini akan membawa kedua domain basic, yang kemudian dapat berinteraksi dengan DNA.
Domain dimerisasi, seperti telah disinggung di atas, dapat berupa protein leucine zipper atau HLH. Leucine zipper mengandung sebuah residu leusin hidrofobik pada setiap posisi ketujuh yang akan berikatan dengan ujung C domain basic. Leusin-leusin pada domain leucine zipper tersusun dalam struktur α-heliks (Gambar 5.11). Domain HLH mempunyai struktur yang menyerupai domain leucine zipper, kecuali dalam hal adanya suatu kala rantai polipeptida yang memisahkan kedua α-heliks protein monomeriknya. Seperti halnya leucine zipper, motif HLH sering kali dijumpai berdekatan dengan domain basic yang memerlukan dimerisasi dalam pengikatan DNA.
Domain aktivasi transkripsi dapat berupa domain aktivasi asam, domain kaya glutamin, atau domain kaya prolin. Domain aktivasi asam mengandung banyak sekali residu asam amino yang bersifat asam sehingga sering disebut juga dengan ’gumpalan asam’ atau ’gumpalan negatif’. Masih belum diketahui dengan pasti gambaran struktur lainya yang diperlukan oleh domain ini agar dapat berfungsi sebagai domain aktivasi transkripsi yang efisien. Domain kaya glutamin pertama kali ditemukan pada faktor transkripsi SP1. Pada domain ini banyak sekali ditemukan residu glutamin. Begitu juga, pada domain kaya prolin banyak sekali ditemukan residu prolin.
Regulasi transkripsi dapat terjadi melalui interaksi tidak langsung dengan fungsi suatu faktor transkripsi, antara lain dengan blokade tempat pengikatan faktor transkripsi pada DNA (seperti pada kebanyakan represor prokariot), pembentukan kompleks pengikatan non-DNA (misalnya protein inhibitor Id yang tidak mempunyai domain pengikatan DNA akan menggangu interaksi protein HLH dengan DNA), dan blokade domain aktivasi faktor transkripsi meskipun pengikatannya pada DNA tetap berlangsung (misalnya Gal80 akan menutupi domain aktivasi faktor transkrispi Gal4 pada khamir). Di samping itu, penghambatan transkripsi dapat juga terjadi secara langsung karena adanya domain tertentu pada represor. Sebagai contoh, suatu domain reseptor hormon tiroid pada mamalia akan menekan transkripsi apabila tidak ada hormon tiroid dan akan mengaktifkannya apabila terikat pada hormon tersebut. Begitu pula, produk gen tumor Wilms berupa protein WT1 yang akan menekan tumor, mempunyai domain represor spesifik yang banyak mengandung prolin.

Transkripsi dan translasi pada prokariot

Transkripsi dan translasi pada prokariot
Pada prokariot, translasi terjadi sebelum transkripsi sepenuhnya dirampungkan. Hal ini dimungkinkan karena pada prokariot molekul mRNA di translasikan berdasarkan arah dari ujung 5` ke ujung 3`. Selain dari itu, pada prokariot tidak terdapat membran inti, sehingga tidak ada yang memisahkan transkripsi dan translasi (sebagaimana yang terjadi pada eukariot) sehingga translasi dapat segera dilakukan.
.Transkripsi dan translasi pada eukariot
Sedikit telah disinggung di atas bahwa pada eukariot transkripsi terjadi tidak bersamaan dengan translasi. Dengan adanya membran inti, pada eukariot dapat dibedakan tempat terjadinya transkripsi dan translasi, transkripsi terjadi di dalam inti sedang translasi terjadi di sitoplasma. Waktunya pun tidak dapat terjadi secara bersamaan, sebab sebelum dapat melakukan translasi, harus merampungkan terlebih dahulu proses transkripsi. Proses transkripsi dan translasi pada eukariotpun lebih kompleks daripada prokariot.
mRNA pada eukariot berasal dari transkrip gen primer yang melalui beberapa tipe proses, antara lain:
1. Pembelahan sebagian besar mRNA prekursor (pre-mRNAs) menjadi molekul mRNA yang lebih kecil.
2. Penambahan kelompok 7-methyl guanosin (mRNA “caps”) pada ujung 5’ molekul.
3. Penambahan kira-kira 200 nukleotida panjang yang merupakan urutan nukleotida adenilet (“poly-A tails”) pada ujung 3’ molekul.
4. Melengkapi formasi atau susunan dengan protein yang spesifik.
Masing-masing gen transkrip dapat melakukan beberapa atau seluruh tipe proses tersebut.
Secara garis besar translasi pada eukariot sama dengan translasi pada prokariot, perbedaannya hanya pada beberapa hal saja, misalnya, kelompok protein dari methyonil-dRNAi Afet tidak dibentuk dan sebagian besar mRNA eukariot dipelajari untuk memperoleh monogenik.
Perpindahan rantai intron melalui penyambungan RNA
Sebagian besar gen eukariot tingkat yang lebih tinggi mengandung noncoding intervening sequences atau intronsseparating the coding sequences or axons. Sedangkan transkrip primer mengandung seluruh urutan gen dan noncoding sequences yang di potong selama proses.
Mekanisme penyambungan dengan menggabungkan urutan dengan tepat pada nukleotida tunfggal untuk meyakinkan bahwa kodon pada ekson distal ke intron terbaca dengan tepat dan benar.
Penamaan subscibps mengidentikasikan frekuensi dari basa umum tiap-tiap posisi. N mengindikasi bahwa sebagian dari 4 standar nukleotida yang ditunjukkan pada posisi yang diindikasi. Ekson-intron junction memiliki perbedaan dalam gen tRNA gen struktural dalam mitokondria dan kloroplas, yang menggunakan mekanisme penyambungan RNA ysng berbeda. Hanya satu urutan pendek yang ada di dalam intron gen inti yang disebut TACTAAC box.
Sisa adenin pada posisi enam dalam TACTAAC box lengkap dan diketahui untuk menentukan petunjuk dari reaksi penyambungan. Urutan sisa intron pada sebagian besar gen inti sangat berbeda dan muncul secara acak. Intron gen mitokondria dan kloroplas mengandung urutan konserv yang berbeda dengan gen inti.
Penyambungan tRNA Prekursor: Nuklease dan Ligase khusus
Saccharomyces merupakan contoh organisme yang sering menjadi alat percobaan reaksi penyambungan prekursor tRNA. Penghilangan intron pada tRNA prekursor Saccharomyces dilakukan dalam dua tahap yaitu:
1. Membran inti dan splicing endonuklease membuat dua potongan yang sama pada ujung akhir intron.
2. Splicing ligase menggabungkan dua bagian tRNA untuk menghasilkan bentuk matang molekul tRNA.
Pembelahan tRNA menghasilkan ujung 5’OH dan kelompok fosfat siklik 2’-3’ pada ujung 3’. Tahap kedua proses ligasi menyangkut 4 reaksi yang terpisah, yaitu:
1. reaksi pertama adalah penambahan kelompok fosfat pada ujung 5’-OH, reaksi ini membutuhkan aktivitas kinase dan donor fosfat (ATP)
2. kelompok fosfat 5’ diaktifkan dengan mentransfer kelompok AMP menuju terminus intermediet AMP-ligase
3. fosfat siklik 2’-3’ dibuka oleh aktivitas phophodiesterase cyclic yang menghasilkan 2’ fosfat dan 3’ hidroksil bebas.
4. reaksi ligase terakhir melalui pemecahan 3’-OH bebas pada interior 5’ fosfat dengan melepaskan AMP.
Dua tahap penyambungan intron tRNA tersebut akan terjadi pada organisme. Pada tumbuhan terjadi reaksi yang sama, tetapi tidak sama dengan yang terjadi pada mamalia.
Penyambungan autokatalisis rRNA prekursor Tetrahymena
Pembelahan autokatalisi pada intron dalam prekusor tRNA tetrahymena tidak membutuhkan sumber energi eksternal dan protein. Akan tetapi, dibutuhkan transfer ikatan phosphoester. Reaksi tersebut membutuhkan nukleosida guanin dengan kelompok 3’-OH sebagai pendukung dan dengan ditambah kation monovalent dan kation divalent. Satu intron dipotong yang telah dipotong kemudian diedarkan pada ikatan phosphoester yang lain. Aktifitas autokatalisis kemungkinan tergantung pada struktur sekunder dari molekul prekusor tRNA.
Penyambungan pre-mRNA: snRNAs, snRNPs dan Spliceosome
Intron dalam prekusor mRNA nuclear dipotong dalam dua tahap seperti pada intron sel ragi pre-tRNA dan pre-rRNA. Pada prekusor mRNA, intronnya tidak dibelah oleh nuclease da ligase melainkan oleh struktur protein yang disebut spliceosome. Spliceosome mengandung molekul RNA yang disebut snRNA. Lima snRNA yaitu; U1, U2, U4, U5 dan U6. yang berpengaruh dalam pemotongan pre-mRNA nuclear sebagai komponen dari spliceosome. Tahap pemotongan ini juga diabgi menjadi dua tahap. Tahap pertama, pembelahan terjadi pada ujung 5’intron dan phosphodiester 2’-5’yang dibentuk diantara posisi 5’G yang ditempatkan mendekati ujung 3’intron. Tahap kedua, gen digabungkan oleh ikatan phosphodiester 3’-5’ dan intron yang telah terbentuk dilepaskan.

Transkripsi merupakan proses sintesis RNA yang dikatalisis oleh enzim RNA polimerase. Berikut ini akan diuraikan sekilas enzim RNA polimerase pada prokariot, khususnya pada bakteri E.coli, promoter s70, serta proses transkripsi pada organisme tersebut.


RNA polimerase E. coli

Enzim RNA polimerase pada E. coli sekurang-kurangnya terdiri atas lima subunit, yaitu alfa (a), beta (b), beta prima (b’), omega (w), dan sigma (s). Pada bentuk lengkapnya, atau disebut sebagai holoenzim, terdapat dua subunit a dan satu subunit untuk masing-masing subunit lainnya sehingga sering dituliskan dengan a2bb’ws. Holoenzim RNA polimerase diperlukan untuk inisiasi transkripsi. Namun, untuk elongasi transkripsi tidak diperlukan faktor s sehingga subunit ini dilepaskan dari kompleks transkripsi begitu inisiasi selesai. Sisanya, yakni a2bb’w, merupakan enzim inti (core enzyme) yang akan melanjutkan proses transkripsi.

Laju sintesis RNA oleh RNA polimerase E. coli dapat mencapai sekitar 40 nukleotida per detik pada suhu 37°C. Untuk aktivitasnya enzim ini memerlukan kofaktor Mg2+. Setiap berikatan dengan molekul DNA enzim RNA polimerase E. coli dapat mencakup daerah sepanjang lebih kurang 60pb.

Meskipun kebanyakan RNA polimerase seperti halnya yang terdapat pada E. coli mempunyai struktur multisubunit, hal itu bukanlah persyaratan yang mutlak. RNA polimerase pada bakteriofag T3 dan T7, misalnya, merupakan rantai polipeptida tunggal yang ukurannya jauh lebih kecil daripada RNA polimerase bakteri. Enzim tersebut dapat menyintesis RNA dengan cepat, yaitu sebanyak 200 nukleotida per detik pada suhu 37°C.


Subunit a
Dua subunit a yang identik terdapat pada RNA polimerase inti. Kedua-duanya disandi oleh gen rpoA. Ketika bakteriofag T4 menginfeksi E.coli, subunit a akan dimodifikasi melalui ribosilasi ADP suatu arginin. Hal ini berkaitan dengan berkurangnya afinitas pengikatan promoter sehingga subunit a diduga kuat memegang peranan dalam pengenalan promoter.


Subunit b
Seperti halnya subunit a, subunit b juga terdapat pada RNA polimerase inti. Subunit ini diduga sebagai pusat katalitik RNA polimerase, yang dibuktikan melalui hasil penelitian mengenai penghambatan transkripsi menggunakan antibiotik. Antibiotik rifampisin merupakan inhibitor potensial bagi RNA polimerase yang menghalangi inisiasi tetapi tidak mempengaruhi elongasi. Kelompok antibiotik ini tidak menghambat polimerase eukariot sehingga sering digunakan untuk mengatasi infeksi bakteri Gram positif dan tuberkulosis. Rifampisin telah dibuktikan berikatan dengan subunit b, dan mutasi-mutasi yang menyebabkan resistensi terhadap rifampisin telah dipetakan pada gen rpoB, yaitu gen yang menyandi subunit b. Selanjutnya, kelompok antibiotik yang lain, yakni streptolidigin, ternyata menghambat elongasi transkripsi, dan mutasi-mutasi yang menyebabkan resistesi terhadap antibiotik ini juga dipetakan pada gen rpoB. Kedua hasil penelitian tersebut mendukung pendapat bahwa subunit b diduga mempunyai dua domain yang bertanggung jawab terhadap inisiasi dan elongasi transkripsi.


Subunit b’
Subunit b’ juga terdapat pada RNA polimerase inti. Subunit yang disandi oleh gen rpoC ini mengikat dua ion Zn2+ yang diduga berpartisipasi dalam fungsi katalitik polimerase. Suatu polianion, yakni heparin, terbukti mengikat subunit b’. Heparin menghambat transkripsi secara in vitro dan juga berkompetisi dengan DNA dalam pengikatan RNA polimerase. Hal ini mendukung pendapat bahwa subunit b’ diduga bertanggung jawab terhadap pengikatan DNA cetakan.


Faktor s
Faktor s yang paling umum dijumpai pada E. coli adalah s70 (disebut demikian karena mempunyai berat molekul 70 kDa). Pengikatan faktor s pada RNA polimerase inti akan mengubah enzim tersebut menjadi holoenzim. Faktor s memegang peranan yang penting dalam pengenalan promoter tetapi tidak diperlukan untuk elongasi transkripsi. Kontribusi faktor s dalam pengenalan promoter adalah melalui penurunan afinitas enzim inti terhadap tempat-tempat nonspesifik pada molekul DNA hingga 104, disertai dengan peningkatan afinitas terhadap promoter.

Banyak organisme prokariot, termasuk E. coli, mempunyai beberapa faktor s. Semuanya terlibat dalam pengenalan kelompok-kelompok promoter tertentu. Faktor s dilepaskan dari RNA polimerase inti ketika sintesis RNA mencapai panjang 8 hingga 9 nukleotida. Enzim inti tersebut kemudian akan bergerak di sepanjang molekul DNA sambil menyintesis untai RNA. Sementara itu, faktor s dapat segera bergabung dengan RNA polimerase inti lainnya dan melakukan inisiasi transkripsi kembali. Jumlah faktor s di dalam sel lebih kurang hanya 30% dari jumlah RNA polimerase inti sehingga hanya sepertiga di antara kompleks RNA polimerase yang akan dijumpai dalam bentuk holoenzim pada suatu waktu tertentu.


Promoter s70 pada E. coli
Seperti telah dikatakan di atas, promoter merupakan tempat tertentu pada molekul DNA yang mempunyai urutan basa spesifik untuk pengikatan RNA polimerase dan inisiasi transkripsi. Promoter yang berbeda akan dikenali oleh faktor s RNA polimerase yang berbeda pula. Meskipun demikian, faktor s yang paling umum dijumpai pada E. coli adalah s70.

Promoter pertama kali dikarakterisasi melalui percobaan mutasi yang meningkatkan atau menurunkan laju transkripsi gen-gen seperti halnya gen-gen struktural pada operon lac. Mutagenesis promoter-promoter pada E. coli menunjukkan bahwa urutan basa yang menentukan fungsi promoter tersebut hanyalah suatu urutan yang sangat pendek.

Promoter s70 terdiri atas urutan basa sepanjang 40 hingga 60 pb. Daerah antara –55 dan +20 telah diketahui merupakan daerah pengikatan RNA polimerase, sedangkan daerah antara –20 dan +20 diketahui sangat terlindung dari aktivitas nuklease oleh DNase I.. Hal ini menunjukkan bahwa daerah tersebut sangat berkaitan dengan polimerase yang menghalangi akses nuklease menuju DNA. Mutagenesis promoter memperlihatkan bahwa urutan hingga lebih kurang –40 mempunyai peranan yang penting bagi fungsi promoter. Selain itu, dua urutan sepanjang 6 pb pada posisi sekitar –10 dan –35 terbukti sangat penting bagi fungsi promoter pada E. coli.


Urutan –10
Urutan yang paling lestari (konservatif) pada promoter s70, atau sering dikatakan sebagai urutan konsensus, adalah urutan sepanjang 6 pb yang dijumpai pada promoter-promoter berbagai macam gen pada E. coli. Urutan ini terpusat di sekitar posisi –10 jika dilihat dari tapak inisiasi transkripsi (Gambar 5.2), dan dinamakan kotak Pribnow karena ditemukan oleh Pribnow pada tahun 1975. Urutan konsensus pada kotak Pribnow adalah TATAAT. Kedua basa pertama (TA) dan T yang terakhir merupakan basa-basa yang paling konservatif. Urutan heksamer ini dipisahkan sejauh 5 hingga 8 pb dari tapak inisiasi, dan urutan penyela yang memisahkan urutan -10 dengan tapak inisiasi tersebut tidaklah konservatif. Urutan –10 nampaknya merupakan urutan tempat terjadinya inisiasi pembukaan heliks oleh RNA polimerase.


Urutan -35
Pada Gambar 5.2 terlihat bahwa selain urutan -10, terdapat pula urutan heksamer lain yang konservatif, yaitu urutan di sekitar posisi -35, yang terdiri atas TTGACA. Urutan ini akan lebih konservatif lagi pada promoter-promoter yang efisien. Tiga basa pertama (TTG) merupakan posisi yang paling konservatif. Pada kebanyakan promoter urutan -35 dipisahkan sejauh 16 hingga 18 pb dari kotak Pribnow, dan urutan penyelanya bukanlah urutan yang penting.


Tapak inisiasi transkripsi
Pada 90% di antara semua gen, tapak inisiasi transkripsi (posisi +1) berupa basa purin, dan dalam hal ini G lebih umum dijumpai daripada A. Di samping itu, basa C dan basa T sering kali mengapit tapak inisiasi sehingga terdapat urutan CGT atau CAT (Gambar 5.2).


Efisiensi promoter
Urutan-urutan konsensus tersebut di atas khas dijumpai pada promoter-promoter yang kuat. Akan tetapi, di antara promoter yang berbeda sebenarnya terdapat variasi urutan yang cukup nyata, yang dapat mengakibatkan perbedaan efisiensi transkripsi hingga 1.000 kali. Secara garis besar, fungsi daerah-daerah pada promoter dapat dijelaskan sebagai berikut. Urutan -35 merupakan urutan pengenalan yang akan meningkatkan pengenalan dan interaksi dengan faktor s RNA polimerase, urutan -10 penting untuk inisiasi pembukaan heliks, dan urutan di sekitar tapak inisiasi mempengaruhi inisiasi transkripsi.

Sementara itu, urutan 30 basa pertama yang akan ditranskripsi juga mempengaruhi transkripsi. Urutan ini mengatur laju pelepasan promoter dari RNA polimerase, yang memungkinkan reinisiasi transkripsi dapat dilakukan oleh kompleks polimerase lainnya. Pada akhirnya hal ini akan berpengaruh terhadap laju transkripsi dan kekuatan promoter.

Pentingnya pemisahan untai DNA pada reaksi inisiasi diperlihatkan oleh pengaruh superkoiling negatif DNA cetakan yang pada umumnya akan memacu laju transkripsi. Hal ini diduga karena struktur superkoil tersebut hanya memerlukan sedikit energi untuk membuka heliks.

Beberapa urutan promoter tidak cukup mirip dengan urutan konsensus yang akan ditranskripsi dengan kuat pada kondisi normal. Sebagai contoh, promoter lac (Plac), yang memerlukan faktor aktivasi tambahan berupa protein reseptor cAMP atau cAMP protein receptor (CPR) untuk mengikat suatu tempat pada DNA yang letaknya berdekatan dengan urutan promoter tersebut agar pengikatan RNA polimerase dan inisiasi transkripsi dapat ditingkatkan. Sejumlah promoter lainnya, misalnya untuk gen-gen yang berhubungan dengan kejut panas, mempunyai urutan konsensus tertentu yang hanya dapat dikenali oleh RNA polimerase dengan faktor s selain s70.


Tahapan transkripsi pada prokariot
Seperti proses transkripsi pada umumnya, transkripsi pada prokariot berlangsung dalam empat tahap, yaitu pengikatan promoter, inisiasi, elongasi, dan teminasi. Di bawah ini akan dijelaskan pula sekilas tentang pembukaan heliks, yang terjadi antara tahap pengikatan promoter dan insiasi transkripsi.


Pengikatan promoter
Pada awalnya, RNA polimerase inti (a2bb’w) mempunyai afinitas nonspesifik terhadap DNA. Keadaan ini dikenal sebagai pengikatan longgar, dan sifatnya cukup stabil. Namun, begitu faktor s bergabung dengan enzim inti tersebut hingga terbentuk holoenzim, terjadilah pengurangan afinitas nonspesifik terhadap DNA hingga 20.000 kali. Sejalan dengan hal itu, faktor s juga meningkatkan pengikatan holoenzim pada tempat pengikatan promoter yang tepat hingga 100 kali. Dengan demikian, akan terjadi peningkatan spesifisitas holoenzim yang tajam dalam mengenali promoter.

Pada genom E. coli holoenzim dapat mencari dan mengikat promoter dengan sangat cepat. Bahkan, karena begitu cepatnya, maka proses ini tidak mungkin terjadi melalui pengikatan dan pelepasan holoenzim dari DNA secara berulang-ulang. Kemungkinan yang masuk akal hanyalah melalui pergeseran holoenzim di sepanjang molekul DNA hingga mencapai urutan promoter. Pada promoter, holoenzim mengenali urutan -35 dan -10. Kompleks awal antara holoenzim dan promoter dikenal sebagai kompleks tertutup (closed complex).


Pembukaan heliks
Agar pita antisens dapat diakses untuk perpasangan basa antara DNA dan RNA yang disintesis, untai ganda (heliks) DNA harus dibuka terlebih dahulu oleh enzim RNA polimerase. Pada kebanyakan gen pembukaan heliks oleh RNA polimerase akan dimudahkan oleh struktur superkoiling negatif DNA sehingga transkripsi dapat ditingkatkan. Namun, tidak semua promoter dapat diaktivasi oleh superkoiling negatif sehingga terisyaratkan bahwa perbedaan topologi DNA dapat mempengaruhi transkripsi. Hal ini mungkin karena adanya perbedaan hubungan sterik pada urutan -35 dan -10 di dalam heliks. Sebagai contoh, promoter untuk subunit enzim DNA girase justru dihambat oleh superkoiling negatif. Seperti kita ketahui, DNA girase adalah enzim yang bertanggung jawab untuk superkoiling negatif pada genom E. coli (Bab IV) sehingga superkoiling negatif ini dapat bertindak sebagai umpan balik yang menghambat ekspresi DNA girase.

Pembukaan awal heliks DNA akan menyebabkan pembentukan kompleks terbuka (open complex) dengan RNA polimerase. Proses ini dikenal sebagai pengikatan ketat.


Inisiasi
Berbeda dengan sintesis DNA (Bab IV), sintesis RNA dapat berlangsung tanpa adanya molekul primer. Oleh karena hampir semua tapak inisiasi transkripsi berupa basa G atau A, maka nukleosida trifosfat pertama yang digunakan untuk sintesis RNA adalah GTP atau ATP.

Mula-mula RNA polimerase akan menggabungkan dua nukleotida pertama dan membentuk ikatan fosfodiester di antara kedua nukleotida tersebut. Selanjutnya, sembilan basa pertama ditambahkan tanpa disertai pergeseran RNA polimerase di sepanjang molekul DNA. Pada akhir penambahan masing-masing basa ini akan terdapat peluang yang nyata terjadinya aborsi untai RNA yang baru terbentuk itu. Proses inisiasi abortif mempengaruhi laju transkripsi secara keseluruhan karena proses tersebut memegang peranan utama dalam menentukan waktu yang dibutuhkan oleh RNA polimerase untuk meninggalkan promoter dan memungkinkan RNA polimerase lainnya menginisiasi putaran transkripsi berikutnya. Waktu minimum untuk pengosongan promoter ini adalah 1 hingga 2 detik, suatu waktu yang relatif lama bila dibandingkan dengan waktu untuk tahap-tahap transkripsi lainnya.


Elongasi
Jika inisiasi berhasil, RNA polimerase melepaskan faktor s, dan bersama-sama dengan DNA dan RNA nasen (RNA yang baru disintesis), akan membentuk kompleks terner atau kompleks yang terdiri atas tiga komponen. Dengan adanya kompleks terner ini RNA polimerase dapat berjalan di sepanjang molekul DNA. Artinya, promoter akan ditinggalkannya untuk kemudian ditempati oleh holoenzim RNA polimerase berikutnya sehingga terjadi reinisiasi transkripsi.

Bagian DNA yang mengalami pembukaan heliks, atau disebut dengan gelembung transkripsi (transcription bubble), akan terlihat bergeser di sepanjang molekul DNA sejalan dengan gerakan RNA polimerase. Panjang bagian DNA yang mengalami pembukaan heliks tersebut relatif konstan, yakni sekitar 17 pb (Gambar 5.3), sedangkan ujung 5’ molekul RNA yang disintesis akan membentuk heliks hibrid dengan pita antisens DNA sepanjang lebih kurang 12 pb. Ukuran ini ternyata tidak mencapai satu putaran heliks.

RNA polimerase E. coli bergerak dengan kecepatan rata-rata 40 nukleotida per detik. Akan tetapi, angka ini dapat bervariasi sesuai dengan urutan lokal DNA (urutan DNA yang telah dicapai oleh RNA polimerase). Tetap dipertahankannya bagian DNA yang mengalami pembukaan heliks menunjukkan bahwa RNA polimerase membuka heliks DNA di depan gelembung transkripsi dan menutup heliks DNA di belakangnya. Dengan demikian, heliks hibrid RNA-DNA harus berputar setiap kali terjadi penambahan nukleotida pada RNA nasen.


Terminasi
RNA polimerase tetap terikat pada DNA dan melangsungkan transkripsi hingga mencapai urutan terminator (sinyal stop), yang pada umumnya berupa struktur seperti tusuk konde (hairpin). Struktur yang terdiri atas batang dan kala (loop) ini terjadi karena RNA hasil transkripsi mengalami komplementasi diri. Biasanya, bagian batang sangat kaya dengan GC sehingga sangat stabil (GC mempunyai ikatan rangkap tiga). Di sebelah downstream (3’) dari struktur tusuk kode sering kali terdapat urutan yang terdiri atas empat U atau lebh.

Nampaknya RNA polimerase akan segera berhenti begitu struktur tusuk konde RNA disintesis. Bagian ujung RNA yang mengandung banyak U tersebut mempunyai ikatan yang lemah dengan basa-basa A pada DNA cetakan sehingga molekul RNA hasil sintesis akan dengan mudah terlepas dari kompleks transkripsi. Selanjutnya, pita DNA cetakan yang sudah tidak berikatan atau membentuk hibrid dengan RNA segera menempel kembali pada pita DNA komplemennya. RNA polimerase inti pun akhirnya terlepas dari DNA.


Terminasi menggunakan protein rho
Telah disinggung di muka bahwa selain karena adanya struktur tusuk konde, terminasi transkripsi dapat juga terjadi dengan bantuan suatu protein khusus yang dinamakan protein rho (ρ). Rho merupakan protein heksamer yang akan menghidrolisis ATP dengan adanya RNA untai tunggal. Protein ini nampak terikat pada urutan sepanjang 72 basa pada RNA, yang diduga lebih disebabkan oleh pengenalan suatu struktur spesifik daripada karena adanya urutan konsensus. Rho bergerak di sepanjang RNA nasen menuju kompleks transkripsi. Pada kompleks transkripsi ini rho memungkinkan RNA polimerase untuk berhenti pada sinyal terminator tertentu. Sinyal-sinyal terminator ini, seperti halnya sinyal terminator yang tidak bergantung kepada rho, lebih dikenali oleh RNA daripada oleh DNA cetakannya. Adakalanya terminator tersebut juga berupa struktur tusuk konde tetapi tidak dikuti oleh urutan poli U.

Pengaturan transkripsi
Berdasarkan atas banyaknya salinan di dalam tiap sel, molekul mRNA dapat dibagi menjadi tiga kelompok, yaitu (1) mRNA salinan tunggal (single copy), (2) mRNA semiprevalen dengan jumlah salinan lebih dari satu hingga beberapa ratus per sel, dan (3) mRNA superprevalen dengan jumlah salinan beberapa ratus hingga beberapa ribu per sel. Molekul mRNA salinan tunggal dan semiprevalen masing-masing menyandi enzim dan protein struktural. Sementara itu, mRNA superprevalen biasanya dihasilkan sejalan dengan terjadinya perubahan di dalam suatu tahap perkembangan organisme eukariot. Sebagai contoh, sel-sel eritroblas di dalam sumsum tulang belakang mempunyai sejumlah besar mRNA yang dapat ditranslasi menjadi globin matang. Di sisi lain, hanya sedikit sekali atau bahkan tidak ada globin yang dihasilkan oleh sel-sel prekursor yang belum berkembang menjadi eritroblas. Dengan demikian, kita dapat memastikan adanya suatu mekanisme pengaturan ekspresi gen penyandi mRNA superprevalen pada tahap transkripsi eukariot meskipun hingga kini belum terlalu banyak rincian prosesnya yang dapat diungkapkan.
Salah satu regulator yang diketahui berperan dalam transkripsi eukariot adalah hormon, molekul protein kecil yang dibawa dari sel tertentu menuju ke sel target. Mekanisme kerja hormon dalam mengatur transkripsi eukariot lebih kurang dapat disetarakan dengan induksi pada prokariot. Namun, penetrasi hormon ke dalam sel target dan pengangkutannya ke dalam nukleus merupakan proses yang jauh lebih rumit bila dibandingkan dengan induksi oleh laktosa pada E. coli.
Secara garis besar pengaturan transkripsi oleh hormon dimulai dengan masuknya hormon ke dalam sel target melewati membran sel, yang kemudian ditangkap oleh reseptor khusus yang terdapat di dalam sitoplasma sehingga terbentuk kompleks hormon-reseptor. Setelah kompleks ini terbentuk biasanya reseptor akan mengalami modifikasi struktur kimia. Kompleks hormon-reseptor yang termodifikasi kemudian menembus dinding nukleus untuk memasuki nukleus. Proses selanjutnya belum banyak diketahui, tetapi rupanya di dalam nukleus kompleks tersebut, atau mungkin hormonnya saja, akan mengalami salah satu di antara beberapa peristiwa, yaitu (1) pengikatan langsung pada DNA, (2) pengikatan pada suatu protein efektor, (3) aktivasi protein yang terikat DNA, (4) inaktivasi represor, dan (5) perubahan struktur kromatin agar DNA terbuka bagi enzim RNA polimerase.
Contoh induksi transkripsi oleh hormon antara lain dapat dilihat pada stimulasi sintesis ovalbumin pada saluran telur (oviduktus) ayam oleh hormon kelamin estrogen. Jika ayam disuntik dengan estrogen, jaringan-jaringan oviduktus akan memberikan respon berupa sintesis mRNA untuk ovalbumin. Sintesis ini akan terus berlanjut selama estrogen diberikan, dan hanya sel-sel oviduktus yang akan menyintesis mRNA tersebut. Hal ini karena sel-sel atau jaringan lainnya tidak mempunyai reseptor hormon estrogen di dalam sitoplasmanya.
Pengaturan pada tahap prosesing mRNA
Dua jenis sel yang berbeda dapat membuat protein yang sama tetapi dalam jumlah yang berbeda meskipun transkripsi di dalam kedua sel tersebut terjadi pada gen yang sama. Fenomena ini seringkali berkaitan dengan adanya molekul-molekul mRNA yang berbeda, yang akan ditranslasi dengan efisiensi berbeda pula.
Pada tikus, misalnya, ditemukan bahwa perbedaan sintesis enzim α-amilase oleh berbagai mRNA yang berasal dari gen yang sama dapat terjadi karena adanya perbedaan pola pembuangan intron. Kelenjar ludah menghasilkan α-amilase lebih banyak daripada yang dihasilkan oleh jaringan hati meskipun gen yang ditranskripsi sama. Jadi, dalam hal ini transkrip primernya sebenarnya sama, tetapi kemudian ada perbedaan mekanisme prosesing, khususnya pada penyatuan (splicing) mRNA.
FUNGSI DNA 1. Replikasi dan Reparasi DNA
• Replikasi DNA tergantung pada pasangan basa khususnya
• Basa Adenin selalu berpasangan dengan basa timin (A_T).
• Basa Guanin selalu berpasangan dengan sitosin (G-C).
• Proses replikasi DNA, terjadi sebelum fase pembelahan sel
• Proses replikasi dimulai pada bagian khusus dari struktur dobel heliks yang disebut asal replikasi, yaitu di mana protein pemulai replikasi menempel pada untai DNA.
• Kemudian dobel heliks DNA membentuk apa yang disebut gelembung, yaitu untai dobel berpisah, mengembang.
• Untai DNA parental membuka, namun tetap bersatu, yang untuk memudahkan digambarkan sebagai garpu.
• Kemudian enzim polimerase memulai replikasi dengan menempelkan nukleotida pasangannya
• Pasa satu sisi untai DNA polimerase bekerja menyambungkan nukleotida ke arah titik garpu dan sisi garpu lainnya DNA polimerase bekerja keluar titik garpu.
• Arah replikasi selalu tetap yaitu dari ujung atom karbon nomor 5’ ke arah ujung 3’, karena arah enzim DNA polimerase yang menyebabkan proses replikasi hanya menambahkan nukleotida dari ujung 3’ dari untai DNA.
• Setelah polimerase bekerja, enzim DNA ligase menggandengkan dua untai pendek-pendek menjadi untai panjangAda enzim lagi yang memberikan koreksi, mengontrol apakah pasangan basa tepat atau tidak.
• Proses pengontrolan dan atau perbaikan disebut reparasi DNA yang melibatkan DNA polimerase, dan DNA ligase.
• Tempat mulainya replikasi pada kromosom eukariotik dapat beberapa tempat dan dapat secara serentak replikasi berjalan, sehingga memperpendek total waktu replikasi.
2. Ekspresi Gen
• Genotip DNA diekspresikan sebagai protein yang menjadi molekul dasar untuk fenotip sifat yang diturunkanDNA untuk menjadi protein harus ditranskripsikan menjadi RNA atau untai tunggal DNA.
• Jadi DNA menentukan sifat protein yang dihasilkan, secara tidak langsung yaitu melalui pemindahan informasinya ke bentuk RNA, yang kemudian memprogram sintesa protein atau translasi RNA ke protein
• Jadi pada proses ekspresi gen ada dua tahap penting yaitu transkripsi, suatu proses pemindahan informasi genetis ke molekul RNA dan translasi, proses transfer dari informasi RNA ke protein.
• Proses transkripsi adalah proses sintesa RNA dari template DNA, bedanya basa RNA adalah Urasil (U) sebagai gantinya timin (T).
• Jadi bila dalam untai DNA A maka hasil transkripsinya adalah U dan bila pada DNA T, maka pada RNA menjadi A, bila pada DNA C maka hasil transkripsi pada RNA adalah G dan sebaliknya.
• Contoh untai DNA AAACCGGCAAAA maka untai molekul RNA hasil transkripsi adalah RNA UUUGGCCGUUUURNA adalah untai tunggal, komplementernya DNA.
• RNA adalah pembawa pesan DNAUrutan basa pada RNA dibaca tiga-tiga disebut kodon, mendiktekan jenis asam amino yang dikode pada tahap translasi.Jadi informasi genetik ditulis sebagai kodon dan ditranslasikan ke dalam rangkaian (urutan) asam amino
• Enzim untuk mentranskripsi DNA menjadi RNA disebut RNA polimeraseProses transkripsi dimulai ketika enzim RNA polimerase berkontak dengan protein pada DNA yang disebut promotor.
• Setelah tahap transkripsi dimulai dari proses yang disebut inisiasi, yaitu ketika enzim RNA polimerase bergabung dengan promotor.Pada tiap gen, promotor hanya mengkode untuk mentranskripsi satu untai DNA saja
• Bagian yang ditranskripsi berbebda antara satu gen dengan gen lainnyaTahap transkripsi berikutnya adalah pemanjangan RNA, RNA terpisah atau menjauh dari DNA templatenya, sehingga kedua untai DNA dapat bergabung lagi, dilanjutkan dengan tahap ketiga.
• Tahap ketiga transkripsi adalah terminasi, yaitu ketika RNA polimerase mencapai urutan basa tertentu yang disebut terminator
• Proses transkripsi menghasilkan tiga jenis RNA, yaitu yang pertama adalah RNA yang mengkode urutan asam amino, disebut RNA pembawa atau mesenger disingkat mRNA, dan dua jenis RNA, yaitu transfer RNA disingkat tRNA sebagai molekul penerjemah dan ribosom disingkat rRNA yang menyediakan diri sebagai tempat atau pabrik pembuat protein, semuanya berperanan dalam proses translasi.mRNA yang dihasilkan bukan hanya untai dari informasi genetik dari DNA, tetapi masing-masing ujungnya diperpanjang dengan untai selain berita genetik pada proses transkripsi yang diperlukan untuk proses translasi nantinya.
• Berita genetik ditranslasi dalam sitoplasma. Pada prokariot semua transkripsi dan translasi terjadi dalam sitoplasma.
• Jadi RNA hasil transkripsi dalam nukleus ditransport keluar inti ke dalam sitoplasma.Proses translasi berita genetik yang dibawa mRNA ke bahasa urutan asam amino memerlukan penerjemah yang dilakukan oleh tRNA.tRNA menerjemahkan berita genetik dari tiga huruf kata (kodon) ke satu huruf kata asam amino protein.
• Enzim diperlukan untuk menempelkan asam amino sesuai kodon yang dibaca tRNA ke tRNA bersangkutan.
• Sama seperti transkripsi, translasi juga dibedakan menjadi tiga tahap: inisiasi, pemanjangan, dan terminasi
• Proses inisiasi meliputi penggabungan bersama-sama mRNA, asam amino pertama yang menempel pada tRNA dan dua subunit ribosom
• Tahapan inisiasi translasi adalah molekul mRNA melekat ke arah subunit kecil ribosom. tRNA initiator berlokasi dan melekat pada kodon khusus permulaan translasi pada mRNA, disebut kodon pemulai, yaitu kodon AUG di mana tRNA membawa asam amino Met.
• Kemudian subunit ribosom besar bergabung dengan subunit kecilnya, menghasilkan ribosom fungsional untuk sintesa protein berlangsung, di mana tRNA inisiator tepat menempati posisinya.
• Kemudian tahap pemanjangan rantai polipeptida berlangsung hingga tercapai kodon terminasi translasiKodon termainasi adalah UAA atau UAG atau UGA yang tidak mengkode asam amino, dan itu menandai terminasi translasi.
• Selama dan sesudah translasi, rantai polipeptida bergelung atau melipat membentuk struktur tiga dimensi, struktur tersiernya.
• Ada beberapa polipeptida yang bergabung bersama membentuk struktur kwartener proteinnya.
• Jadi aliran informasi genetik berjalan dari DNA ke RNA dan kemudian ke protein

Kontrol Ekspresi Gen pada Prokariot
Pada bakteri terdapat gen polisistronik yaitu kumpulan beberapa gen yang diatur oleh satu gen regulator. Hal ini menyebabkan saat proses transkripsi akan langsung dihasilkan beberapa protein. Umumnya, kontrol ekspresi gen pada prokariot diatur pada inisiasi transkripsi dan diatur oleh dua sekuen yaitu sekuen pada basa -35 yang sekuennya TTGACA dan sekuen pada posisi basa -10 yang sekuennya TATAAT. Sekuen ini berperan sebagai promotor. Kontrol ekspresi yang terjadi dapat berupa represi dan atenuasi. Sebagai contoh kontrol ekspresi gen yang terjadi dengan represi pada operon lac pada Escherichia coli.Pada operon ini, gen lacI akan mengkodekan protein reseptor dan menempel pada daerah operator sehingga transkripsi terhenti. Namun apabila terdapat inducer berupa laktosa dalam jumlah banyak, laktosa mampu berikatan dengan represor sehingga represor terlepas dari daerah operator dan RNA polimerase dapat melakukan transkripsi. Sedangkan contoh kontrol ekspresi gen dengan atenuasi pada operon triptofan.Apabila triptofan banyak, maka translasi oleh ribosom akan terjadi dengan cepat sehingga terbentuk loop yang akan menahan RNA polimerase untuk berhenti. Sedangkan ketika triptofan telah menjadi sedikit, ribosom akan berjalan lambat dan RNA polimerase akan melakukan transkripsi dengan cepat sehingga banyak hasil transkripsi dan triptofan.
Kontrol Ekspresi Gen pada Eukariot
Kontrol ekspresi gen yang terjadi pada eukariot diawali pada tahap:
1. Inisiasi transkripsi
Dengan adanya pengaruh enhancer yang akan berikatan dengan daerah promotor untuk meningkatkan aktivitas RNA polimerase.
2. Proses transkripsi dan modifikasi
Hal ini berupa adanya proses intron splicing sehingga hanya tersisi bagian ekson.
3. Kestabilan transkripsi
Saat hasil transkripsi dibawa dari inti sel menuju sitosol akan terjadi pemendekan ekor poli-A oleh enzim (DAN)pada 3' ke 5' yang berasosiasi dengan 5'cap.
4. Modifikasi translasi
Modifikasi ini terjadi dalam bentuk modifikasi kovalen disebabkan adanya modifikasi kimia seperti asetilasi, metilasi, dan disulfida bond formation. Contoh, molekul insulin dihasilkan dalam bentuk inaktif yang terdiri dari satu polipeptida dan untuk aktivasinya polipeptida tersebut akan dipotong menjadi dua bagian dan dihubungkan dengan jembatan disulfida.

FLUIDA DINAMIK

FLUIDA DINAMIK

A. FLUIDA IDEAL

Ciri-ciri umum fluida ideal adalah sebagai berikut :
1. Tak termampatkan (tidak kompresibel), artinya fluida ideal tidak akan mengalami perubahan volume (atau massa jenis) ketika mendapatkan pengaruh tekanan.
2. Tidak kental (non-viskos), artinya fluida ideal tidak akan mengalami gesekan antara lapisan fluida satu dengan lapisan yang lain maupun dengan dinding saluran akibat gejala viskositas.
3. Alirannya tidak bergolak (non-turbulen), artinya fluida ideal memiliki aliran garis-arus (streamline) sehingga tidak ada elemen fluida yang memiliki kecepatan sudut tertentu.
4. Alirannya tidak bergantung waktu (tunak), artinya kecepatan fluida ideal di setiap titik tertentu adalah konstan, namun kecepatan fluida ideal pada dua titik yang berbeda boleh saja tidak sama. Pada aliran tunak, garis-arus (lintasan yang dilalui oleh aliran fluida) dalam suatu penampang aliran tampak berlapis-lapis, sehingga aliran tunak juga disebut aliran laminer (berlapis).

B. PERSAMAAN KONTINUITAS

Apabila suatu fluida ideal bergerak atau mengalir di dalam suatu pipa, maka massa fluida yang masuk ke dalam pipa akan sama dengan yang keluar dari pipa selama selang waktu tertentu.


s2 = v2 t




v2

A2
s1 = v1 t

v1 A1

m2
m1


Dari gambar 1 di rumuskan

=
=
= ..........(1-1)

Dari persamaan (1-1) ini dapat didefinisikan besaran baru yang disebut debit, yaitu volume fluida yang mengalir per satuan waktu. Jadi, debit Q dapat dirumuskan sebagai
Q = ..........(1-2)




Debit fluida yang memasuki pipa sama dengan debit fluida yang keluar dari pipa.
Q1 = Q2

=

=

A1v1 = A2v2 ..........(1-3)

Persamaan (1-3) dikenal sebagai persamaan kontinuitas.
Untuk suatu pipa berbentuk silinder penampang berbentuk lingkaran dengan luas A = πr2 = ¼πd2 , maka persamaan (1-3) dapat ditulis sebagai

v1r12 = v2r22 atau v1d11 = v2d22 ..........(1-4)



C. ASAS BERNOULLI

Daniel Bernoulli telah membuktikan bahwa semakin besar kecepatan fluida, semakin kecil tekanannya dan begitu juga sebaliknya semakin kecil kecepatan fluida, semakin besar tekanannya.
Peristiwa lain yang melibatkan fluida udara adalah percobaan dengan selembar kertas yang kita lipat-lipat sehingga membentuk semacam terowongan seperti gambar di bawah ini.

Kertas

P P

P


Arah tiupan







PERSAMAAN BERNOULLI
L’

L




K’
K








Kita telah mempelajari teorema tenteng usaha dan energi yang menyatakan bahwa usaha W yang dilakukan pada suatu benda sama dengan perubahan energi mekanik benda ΔEM, yang dirumuskan melalui persamaan
W= ΔEM
W= ΔEP+ ΔEK

Sekarang, kita akan mempelajari teorema ini dengan menerapkannya pada fluida yang bergerak. Untuk itu, marilah kita tinjau fluida yang mengalir pada pipa dengan variasi luas penampang dan ketinggian seperti pada gambar 9.4. ujung kiri pipa(titik K), luas penampang A1, kelajuannya v1, tekanannya P1, dan ketinggiannya terhadap acuan sembarang h1. di ujung kanan pipa (titk L), luas penampangnya A2, kelajuannya v2, tekanannya P2, dan ketinggiannya terhadap acuan sembarang h2.

Selama selang waktu t, fluda berpindah dari K ke K’ akibat usaha W1 yang dilakukan oleh gaya F1=P1A1 yang berarah ke kanan (usaha positif), maka


W1=F1s1=(P1A1)s1=P1(A1s1)=P1V


Selam selang waktu t yang sama, fluida berpindah dari L ke L’ akibat usaha W2 yang dilakukan oleh gaya F2=P2A2 yang berarah ke kiri (usaha negatif), maka


W2=-F2s2=-(P2A2)s2=-P2(A2s2)=-P2V

Usaha total W pada fluida adalah

W=W1 + W2=P1 V + (-P2V) = (P1-P2)V = (P1-P2) m/ρ ..........(1-5)

Perubahan energi potensial ΔEP untuk fluida KK’ berpindah ke LL’ selama selang waktu t adalah

ΔEP = EP2-EP1 = mgh2-mgh1
ΔEP = mg(h2-h1) ..........(1-6)

Sedangkan perubahan energi kinetik ΔEK adalah

ΔEK = Ek2-EK1 = ½mv22 - ½mv12
ΔEK = ½m(v22-v12) ..........(1-7)

Dengan memasukkan Persamaan (1-5), (1-6), dan (1-7) ke persamaan teorema usaha-energi akan diperoleh hubungan
W = ΔEP+ ΔEK
(P1 – P2) m/ρ = mg(h2 – h1) + ½m(v22-v12)

Kedua ruas dikalikan dengan ρ/m shingga diperoleh
P1 – P2 = ρg(h2 – h1) + ½ρ(v22- v12)
P1 + ρgh1 + ½ρv12 = P2 + ρgh2 + ½ρv22 ..........(1-8)

Persamaan (1-8) dikenal sebagai Persamaan Bernoulli.

Ada 2 keadaan istimewa untuk persamaan Bernoulli (Persamaan (1-8)), yaitu
1. Fluida tak bergerak
Karena kecepatan v1 = v2 = 0, maka Persamaan (1-8) menjadi:
P1 + ρgh1 = P2 + ρgh2
P1 – P2 = ρg(h2 – h1) ..........(1-9)
Persamaan ini adalah bentuk lain rumus tekanan hidrostatika dalam zat cair.

2. Fluida mengalir di dalam pipa horizontal (tidak ada perbedaan ketinggian di antara bagian-bagian fluida)
Karena ketinggian h1 = h2 = 0, maka Persamaan (1-8) menjadi:

P1 + ½ρv12 = P2 + ½ρv22
P1 – P2 = ½ρ(v22 – v12) ..........(1-10)

Persamaan (1-10) menyatakn jika v2 > v1 , maka P1 > P2 yang berarti bahwa di tempat yang kelajuan alirnya besar, maka tekanannya kecil, dan berlaku sebaliknya.














APLIKASI ASAS BERNOULLI

1. Tangki Berlubang











v =
Perhatikan gambar ! Tekanan di titik 1 sama dengan tekanan di titik 2, yaitu tekanan udara luar P0. Jadi, P1 = P2 = P0. Jika kita tentukan titik 2 sebagai acuan, maka h1 = h dan h2 = 0 sehingga persamaan Bernoulli dapat ditulis sebagai berikut.
P0 + ρgh + ½ρv12 = P0 + 0 + ½ρv22

Untuk luas lubang yang sangat kecil dibandingkan dengan luas penampang tangki, maka kelajuan turunnya air pada titik 1 dapat diabaikan terhadap gerak senburan air pada titik 2, sehingga v1 = 0. Oleh karena itu, untuk kecepatan semburan v2 = v, maka persamaan di atas menjadi:

ρgh + 0 = ½ρv2
v2 = 2gh
v = ..........(1-11)

2. Alat Penyemprot
Ujung pompa
Pompa



Pipa tandon





Tandon tempat cairan

Ketika kita menekan batang pengisap, udara dipaksa keluar dari tabung pompa melalui lubang sempit pada ujungnya. Semburan udara yang bergerak dengan cepat mampu menurunkan tekanan pada bagian atas tabung tandon yang berisi cairan racun dan menyebabkan tekanan atmosfer pada permukaan cairan memaksa cairan naik ke atas tabung. Semburan udara berkelajuan tinggi meniup cairan sehingga cairan dikeluarkan sebagai semburan kabut halus.

3. Karburator
Karburator adalah alat yang berfungsi untuk menghasilkan campuran bahan bakar dengan udara, sehingga campuran ini memasuki silinder mesin untuk tujuan pembakaran. Prinsip kerja karburator adalah sebagai berikut.
Penampang pada bagian atas jet menyempit sehingga udara yang mengalir pada bagian ini bergerak dengan kelajuan yang tinggi. Sesuai asas Bernoulli, tekanan pada bagian ini rendah. Tekanan di dalam tangki bensin sama dengan tekanan atmosfer. Tekanan atmosfer memaksa bahan bakar (bensin atau solar) tersembur keluar melalui jet sehingga bahan bakar bercampur dengan udara sebelum memasuki sislinder mesin.

4. Venturimeter
Tabung venturimeter adalah dsar venturimeter, yaitu alat yang dipasang pada suatu pipa aliran untuk mengukur kelajuan zat cair. Ada dua venturimeter yang akan kita bahas, yaitu venturimeter tanpa manometer dan venturimeter yang menggunakan manometer yang berisi zat cair lain.
a. Venturimeter Tanpa Manometer







v1 v2

A1 P1 1● A2 2● P2



Gambar 5 menunjukan sebuah venturimeter yang digunakan untuk mengukur kelajuan air dalam sebuah pipa. Zat cair yang akan diukur kelajuannya mengalir pada titik-titik yang tidak memiliki perbedaan ketinggian (h1 = h2) sehingga berlaku Persamaan (1-10) yaitu
P1 – P2 = ½ρ(v22 – v12)
Berdasarkan persamaan kontinuitas diperoleh
A1v1 = A2v2
v1 =

P1 – P2 = ½ρ[( v12 – v12)]

P1 – P2 = ½ρv12[( – 1)]
Berdasarkan persamaan hidrostatika akibat perbedaan ketinggian h pada pipa vertikal, maka
P1 – P2 = ρgh

Dengan menggabungkan kedua persamaan yang melibatkan perbedaan tekanan tersebut diperoleh kelajuan aliran fluida v1,
v1 = ..........(1-12)

b. Venturimeter dengan Manometer




udara v2, P2
v1 v1, P1




Raksa



Pada prinsipnya, venturimeter dengan manometer hampir sama dengan venturimeter tanpa manometer. Hanya saja, dalam venturimeter ini ada tabung U yang berisi raksa seperti tampak pada gambar. Dengan penurunan rumus yang sama diperoleh kelajuan aliran fluida v1,
v1 = ..........(1-13)
dengan ρr = massa jenis raksa dan ρu = massa jenis udara.

5. Tabung Pitot
Alat ukur yang dapat kita gunakkan untuk mengukur kelajuan gas adalah tabung pitot. Gas (misalnya udara) mengalir melalui lubang-lubang di titik a. Lubang-lubang ini sejajar dengan arah aliran dan dibuat cukup jauh di belakang sehingga kelajuan dan tekanan gas di luar lubang-lubang tersebut memmpunyai nilai seperti halnya dengan aliran bebas. Jadi, va = v (kelajuan gas), dan tekanan pada kaki kiri manometer tabung pitot sama dengan tekanan aliran gas (Pa).



Lubang dari kaki kanan manometer tegak lurus terhadap aliran sehingga kelajuan gas berkurang sampai ke nol di titik b (vb = 0). Pada titik ini gas berada dalam keadaan diam. Tekanan pada kaki kanan manometer sama dengan tekanan di titik b (Pb). Beda ketinggian di titik a dan b dapat diabaikan (ha = hb) sehingga perbedaan tekanan yang terjadi menurut persamaan Bernoulli

Pa + ½ ρu va2 = Pb
Pb - Pa = ½ ρu va2
Perbedaan tekanan ini sama dengan tekana hidrostatika fluida (raksa) pada manometer,
Pb - Pa = ρrgh
Oleh karena itu, kecepatan aliran gas vA = v dapat dirumuskan sebagai
v = ..........(1-14)

6. Gaya Angkat Sayap Pesawat Terbang
Garis arus pada sisi bagian atas lebih rapat daripada sisi bagian bawahnya; yang berarti kelajuan aliran udara pada sisi bagian atas pesawat v2 lebih besar daripada sisi bagian bawah sayap v1. Sesuai dengan asas Bernoulli, tekanan pada sisi bagian atas P2 lebih kecil daripada sisi bagian bawahnya P1 karena kelajuan udaranya lebih besar. Beda tekanan P1 - P2 menghasilkan gaya angkat sebesar
F1 – F2 = ( P1 - P2) A
F1 – F2 = ½ρ(v22 – v12) A ..........(1-15)


dengan A merupakan luas penampang sayap.


F2 = P2A
v2


v1
F1 = P1A



Pesawat terbang dapat terangkat ke atas jika gaya angkat lebih besar daripada berat pesawat. Jadi, apakah suatu peswat dapat terbang atau tidak tergantung dari berat pesawat, kelajuan pesawat, dan ukuran sayapnya. Makin besar kecepatan pesawat, makin besar kecepatan udara, dan ini berarti gaya angkat sayap pesawat makin besar. Demikian pula, makin besar ukuran sayap, semakin besar pula gaya angkatnya.
Supaya pesawat dapat terangkat, gaya angkat harus lebih besar dari berat pesawat (F1 – F2 > mg). Jika pesawat telah berada pada ketinggian tertentu dan pilot ingin mempertahankan ketinggiannya (melayang di udara), maka kelajuan pesawat harus diatur sedemikian rupa sehingga gaya angkat sama dengan berat pesawat (F1 – F2 = mg).

HUKUM ARCHIMEDES

HUKUM ARCHIMEDES

Berdsarkan tekanan hidrostatis
P1 = P0 + gh …………(i)
Misalkan tinggi balok adalah H dan sisi bawah baok letaknya (h + H) dari permukaan zat cair. Sisi ini mengalami tekanan yang arahnya keatas yang besarnya:
P2 = P0 + g(h +H).………(ii)
Jika gaya yang dialami sisi atas adalah F1, F1 berarah ke bawah yang besarnya:
F1 = P1A =(P0 + gh)A………(iii)
Jika gaya yang dialami sisi bawah adalah F2, F2 berarah ke atas yang besarnya:
F2 = P2A = {Po+ g(h+H)}……….(iv)
F2 tentulah lebih besar daripada F1 sebab sisi bawah balok letaknya lebih dalam daripada sisi atasnya. Bahwa F2>F1 juga dapat dilihat dari persamaan (iii) dan (iv). Selisihnya, yaitu F2-F1, adalah gaya ke atas yang dialami benda (balok). Jika gaya ke atas kita sebut Fa (gaya apung), maka :
Fa = F2-F1 = {P0 + g(h+H)}A-(P0 + gh)A = gHA ……..(v)
HA adalah volum benda, atau volum zat cair yang dipindahkan oleh benda. Oleh karena itu, persamaan (v) dapat diubah bentuknya menjadi :
Fa = gV…….…….(8-5)
gV = mg adalah berat zat cair yang dipindahkan oleh benda, sebab p adalah massa jenis zat cair. Dengan demikian, persamaan (8-5) dapat diartikan sebagai gaya keatas sama dengan berat zat cair yang dipindahkan.
Hukum Archmedes dapat dinyatakan sebagai berikut :
“ sebuah benda yang tercelup sebagian atau seuruhnya kedalam zat cair akan mengalami gaya keatas yang besarnya sama dengan zat cair yang dipindahkan,”
Hukum Archimedes secara matematis dapat dirumuskan sebagai :
FA = f x g x hf
Keterangan:
FA = gaya keatas oleh zat cair (Newton)
f = massa jenis fluida (zat cair)(kg/m3, gr/cm3)
Vf = volume fluida yang dipindahkan (voume benda yang tercelup di dalam fluida)
g = gravitasi bumi (9,8 m/s2)

I. Terapung, Tenggelam, dan Melayang


A. Terapung
Pada saat terapung, besarnya gaya apung Fa sama dengan berat benda w = mg.
Fy = 0
Fa = mbg
fgVt = bVbg
Vt = bVb
f
Karena Vt (volum benda yang tercelup) lebih kecil daripada Vb (volum benda total), maka syarat benda mengapung adalah
b<f
Artinya, massa jenis benda harus lebih kecil daripada massa jenis fluida.

Ciri-ciri :
- volume zat cair yang dipindahkan lebih kecil dari volume benda (Vf < Vb)
- berat benda sama dengan gaya keatas (Wb = Fa)
- massa jenis benda lebih kecil dari massa jenis zat cair (b < f)


B. Melayang
Pada saat melayang, besarnya gaya apung Fa sama dengan berat benda w=mg. volum fluida yang dipindahkan (volum benda yang tercelup) sama dengan volum total benda yang melayang.
Fy = 0
Fa = mbg
fgVt = bVbg
Karena Vt (volum benda yang tercelup) sama dengan Vb (volum benda total), maka syarat benda melayang adalah
b=f
Artinya, massa jenis benda harus sama dengan massa jenis fluida.


Cirri-ciri :
- volume zat cair yang dipindahkan sama dengan volume benda (Vf = Vb)
- berat benda sama dengan gaya ke atas (Wb = Fa)
- Massa jenis benda sama dengan massa jenis zat cair (b = f)


C. Tenggelam
Pada saat tenggelam, besarnya gaya apung Fa lebih kecil daripada benda w = mg. volum benda yang tercelup di dalam fluida sama dengan voum total benda yang mengapung, namun benda bertumpu pada dasar bejana sehingga ada gaya normal dasar bejana pada benda sebesar N.
Fy = 0
Fa + N = mbg
fgVt + N= bVbg
N = bVbg - fgVt
Karena Vt (volum benda yang tercelup) sama dengan Vb (volum benda total), maka syarat benda tenggelam adalah
b>f

Ciri-ciri :
- volume zat cair yang dipindahkan sama dengan volume benda (Vf = Vb)
- Berat benda lebih besar dari pada gaya ke atas (Wb>Fa)
- Massa jenis benda lebih besar dari massa jenis zat cair (b>f)


II. Aplikasi Hukum Archimedes

A. Hidrometer
Hidrometer adalah sebuah alat yang digunakan untuk mengukur massa jenis suatu zat cair. Agar tabung kaca terapung tegak di dalam zat cair, bagian bawah tabung dibebani dengan butiran timbal. Diameter bagian bawah tabung kaca dibuat lebih besar supaya volume zat cair yang dipindahkan hidrometer lebih basar.

B. Kapal Selam
kapal selam memiliki sebuah bagian pemberat. Bagian pemberat ini dapat diisi dengan air. Ketika kapal akan menyelam, pemberat ini diisi dengan air sehingga gaya ke atas yang bekerja pada kapal lebih kecil dari pada berat kapal, sehingga kapal tenggelam. Untuk muncul kembali kepermukaan, air dalam pemberat dikosongkan.

C. Galang Kapal
Galang kapal adalah tempat untuk memperbaiki kapal terutama bagian bawahnya. Ketika galangan berisi penuh dengan air, kapal laut bisa masuk ke dalamnya. Ketika kapal sudah berada di galangan, air di dalam galang bisa dikeluarkan sehingga galang kapal naik, dan kapal bisa diperbaiki.

D. Balon Udara
Ketika balon udara diisi gas yang massa jenisnyalebih kecil dari massa jenis udara, berat udara yang dipindahkan sama dengan gaya ke atas pada balon (hukum Archimedes).

E. Jembatan Ponton
Jembatan pontoon adalah kumpulan drum-drum kosong yang dibuat sebagai jembatan. Drum-drum tersebut harus tertutup rapat sehingga tidak ada air yang masuk ke dalamnya.

III. Contoh Soal Hukum Archimedes
1. Sebuah perahu massanya 4.000 kg terapung di laut. Jika massa jenis air laut adalah 1.030 kg/m3 barapa m3 air laut yang dipindahkan? (g = 9,8 m/s2)
Penyalesaiannya :
Diketahui : mb = 4.000 kg
f = 1.030 kg/m3
Ditanyakan : Vf = ……?
Jawab :
Syarat benda terapung adalah :
Berat benda = Gaya ke atas
Wb = Fa
mb x g = f x g x Vf
mb = f x Vf
4.000 = 1.030 x Vf
Vf = 4.000
1.030
= 3,88 m3
Jadi, volume air laut yang dipindahkan oleh perahu adalah 3,88 m3

2. Sebuah benda melayang dalam air. Jika massa jenis air adalah 1 gr/cm3 dan volume benda 1.400 cm3, berapakah massa benda tersebut? ( g = 9,8 m/s2)
Penyelesaiannya :
Diketahui : air = 1 gr/cm3
Vb = 1.400 cm3
g = 9,8 m/s2
Ditanyakan : mb = ……?
Jawab :
Syarat benda melayang adalah :
Wb = Fa
mb x g = f x g x Vf
mb = f x Vf
Karena melayang, maka Vf = V0 sehingga :
mb = f x Vf
= 1 x 1.400
= 1.400
Jadi, massa benda tersebut adalah 1.400 gram

3. Sebuah benda volumenya 1.600 cm3, massa jenisnya 1,2 gr/cm3. Jika benda tersebut dimasukkan dalam zat cair yang massa jenisnya 0,9 gr/cm3, berapakah berat benda tersebut dalam zat cair itu? ( g = 10 m/s2)
Penyelesaiannya :
Diketahui : Vb = 1.600 cm3
b = 1,2 gr/cm3
f = 0,9 gr/cm3
g = 10 m/s2
Ditanyakan : Wb dalam zat cair?
Jawab :
Berat benda = berat benda di udara – gaya ke atas dalam zat cair
Wb di zat cair = Wb di uadara - Fa
Sedangkan, Wb di uadara = f x g x Vb
= 1,2 x 1.000 x 1.600
= 1.920.000 dyne
Dan Fa = f x g x Vb
= 0,9 x 1.000 x 1.600
= 1.440.000 dyne
Jadi : Wb di zat cair = Wb di uadara - Fa
= 1.920.000 – 1.440.000
= 480.000 dyne
= 4,8 N (1 dyne = 10-5N)
4. Sebuah benda terapung di atas zat cair dengan ¾ bagian benda tercelup ke dalam zat cair. Jika massa jenis benda 0,6 gr/cm3, massa jenis zat cair adalah……?
Penyelesaiannya :
Diketahui : b = 0,6 gr/cm3
Vzc = ¾ Vb
Ditanya : zc = ……?
Jawab :
Berat benda = gaya tekan ke atas
Wb = Fa
b x Vb x g = zc x Vzc xg
b x Vb = zc x ¾ Vzc
zc = 4/3 b
= 4/3 (0,6)
= 0,8 gr/cm3
Catatan :
Pada peristiwa mengapung, berat benda (Wb) sama dengan gaya tekan ke atas (Fa), dan volume zat cair yang dipindahkan sama dengan volume benda yang tercelup.

5. Sebuah balok kayu yang massa jenisnya 0,75 gr/cm3 terapung di atas air yang massa jenisnya 1 gr/cm3. jika volume balok 12 cm3, volune balok kayu yang tercelup ke dalam air adalah……?
Penyelesaiannya :
Diketahui : b = 0,75 gr/cm3
a = 1 gr/cm3
Vb = 12 cm3
Ditanya : Va = ……?
Jawab :
Volume balok tercelup = volume air yang dipindahkan
Wb = Fa
b x Vb x g = a x Va x g
b x Vb = zc x Va
0,75 x 12 = 1 x Va
Va = 9 cm3