bab 7. evolusi molekuler maridi p

LOGO

MOLECULAR EVOLUTION

1

Dr. Maridi, M.Pd

Maridi-P.biologi-FKIP-UNS


Latar Belakang

...data empiris

biologi molekuler biologi evolusi

Evolusi molekuler merupakan proses evolusi yang mencakup kajian tentang

DNA, RNA, dan protein (Wales. 2009)

data dasar-dasar

teori untuk studi

proses-proses

evolusi

genetika populasi

2

http://id.wikipedia.org/wiki/DNA

http://id.wikipedia.org/wiki/RNA

http://id.wikipedia.org/wiki/Protein


Latar Belakang

Bahasan evolusi molekuler terkait

multiseluler

Sel eukariot

sel pertama di

muka bumi

(progenot)

asal mula bumi

terbentuk

sel prokariot purba

3

Latar Belakang

dapat

menggunakan

energi kimia atau

energi radiasi untuk

mendorong reaksi-

reaksi kimiawi yang

membutuhkan

energi

Sebuah agregat

sel dikatakan

"hidup"

dapat meningkatkan

massanya melalui

sintesis yang

terkontrol

mempunyai sistem pengkodean

informasi dan sebuah sistem untuk

mentranslasi kode informasi

menjadi molekul-molekul yang

dapat menjaga sistem tersebut

4 Maridi-P.biologi-FKIP-UNS

proses terbentuknya tata surya proses terbentuknya bumi


Proses Terbentuknya Bumi

gumpalankabut

raksasa

cakramraksasa

galaksi dannebula

Galaksi BimaSakti

sistem tatasurya

Kondensasi bagian ringan

Planet Bumi

5

Proses terbentuknya bumi


Proses Terbentuknya Bumi

Bumi keadaan

panas

H2O dalambentuk uap

Bumimendingin

Uap menjadimemadat

Lautan dandanau

Peristiwareaksi kimia

AtmosferLautan dandanau purba

Kehidupanbermula

6

Atmosfer Bumi Purba


bumihydrogen dan

heliumke luar angkasa

aktivitasvulkanologi

atmosfer bumikedua

uap air dan CO2, N, dan SO2, H2S,

HCl, B2O3

atmosfer ketigametana, amoniak,

nitrogen, tiruanargon, xenon

organismefotosintesis

pertama

menghasilkanoksigen

oksigen diatmosfer

meningkatBukti?

7

Atmosfer Bumi Purba

Bukti adanya peningkatan oksigen dari atmosfer

Penemuan batuan dari umur yang berbeda, tingkat

oksidasi yang berbeda.

Batu-batuan tersebut berumur 1.800-2500 juta tahun.

Bebatuan tersebut mengandung O2, FeS, ZnS, dan PbS

dan FeO, semua kandungan zat tersebut tidak stabil

karena kadar oksigen masih sedikit, bebatuan yang

selanjutnya sebagian besar terdiri dari Fe3+ lebih banyak

dari Fe2+ dan lebih teroksidasi biji besi dari, Zn dan Fb

Maridi-P.biologi-FKIP-UNS8

Teori Evolusi Biologi:

Alexander Oparin bukuThe Origin of Life (Asal Usul

Kehidupan).


Teori Oparin

“Asal Mula kehidupan”

atmosfer bumisenyawa uap air, CO2, CH4, NH3, dan hidrogen

energi radiasi (sinar uv)

senyawa organik /senyawa

hidrokarbon lebih kompleks

Alkohol, dan asam amino paling sederhana

senyawa sederhana bereaksi

senyawa lebih kompleks, gliserin,

asam organik, purin dan pirimidin

bahan pembentuk sel

?

9

senyawa kompleks sangat berlimpah di lautan dan daratan

timbunan senyawa organik yang merupakan Soup Primordial

senyawa kompleks memiliki sifat hidup seperti nutrisi, ekskresi, metabolisme, dan reproduksi

Bagaimana mekanisme transformasi dari molekul protein sebagai benda tak hidup ke benda hidup?


Teori Oparin

“Asal Mula kehidupan”

10

Oparin menjelaskan...

Protein sebagai senyawa Zwittwer

Ion

kompleks koloid hidrofil (dibungkus oleh molekul air)

Gumpalan senyawa kompleks lepas dari

cairan dan membentuk emulsi

timbunan gumpalan atau Koaservat

Di sekeliling koaservat terjadi

penjajaran molekul lipid dan protein

terbentuklah selaput sel primitif

mampu mereplikasi diri

organisme heterotropik


Formasi primitif soup


teori pembentukan molekul

organik dari molekul anorganik


Teori evolusi Kimia Eksperimen Miller


Tiruan atmosfermengandung

metana, amoniak danuap air

Perlakuan aliranlistrik yang tinggi

Gas di sirkulasikan disekitar alat

Senyawa organikterbentuk di atmosfer

tiruan

dilarutkan dalam labuair, (seperti lautan

purba)

air tertampung dalam perangkap embun

air mengandung senyawa organik

sederhana, (asam amino, adenin, dan

ribosa)

Jika dimasukkan senyawa fosfat,

ternyata zat yang dihasilkan

mengandung ATP

suatu senyawa yang berkaitan dengan

transfer energi

14

Polimerisasi monomer menjadi

makro molekul

Polimerisasi monomer umumnya melepaskan air

molekul biologi

Penyusunan makromolekul seperti protein dan asam nukleat

butuh energi yang tinggi membantuk suatu ikatan dan melepaskan air.

Polimer protein tiruan memiliki rangkaian asam amino yang acak

proteinoid

Polipeptida ini tersusun sekitar 250 asam amino

aktivitas enzimatis primitif


Polimerisasi monomer menjadi

makro molekul

Polimerisasi asam amino bisa juga terjadi di lautan

Dibutuhkan agen kondensasi untuk mengikat air poliposfat

Polipospat bereaksi dengan berbagai molekul organik asam amino

Polipeptida ini tersusun sekitar 250 asam amino

aktivitas enzimatis primitif

Asam amino yang gugus karboksilnya berikatan dengan gugus

fosfat pemanasan polipeptida


Aktivitas Enzim dalam Proteinoid

Acak

proteinoid yang dipanaskan di laboratorium (mirip bumi di masa lalu)

dapat melakukan reaksi enzimatik yang sederhana

proteinoid dapat melepaskan CO2 dari molekul

seperti piruvat, oksaloasetat dan berbagai ester

Sekitar 50% dari enzim skrg mengandung ion logam kofaktor ion logam

(dapat memperkuat kemampuan enzimatik proteinoid)

Adanya logam yang membantu penguraian ATP akan menjadi

polimer asam nukleat

Pembawa energi sebagian besar enzimmasa kini memiliki atom

seng (zink) sebagai kofaktor.


Asal Mula Makromolekul informatif


RNA purba menggunakan urutan 2’-5’, tapi RNA sekarang ini memiliki urutan 3’-5’ RNA purbakehilangan O-nya di rantai C no 2

Jika campuran nukleosida dari tripospat(nukleosida+poliposphat) diinkubasikan dalam kondisibumi di masa lampau dan dikatalisis dengan zink, maka terbentuk untai RNA dengan urutan acak,

polimerisasi ini berlangsung lambat kemudian bilapolimer RNA mulai terbentuk, RNA ini berperansebagai template untuk penyusunan komplementerbaru, selanjutnya polimerisasi berjalan cepat, menghasilkan RNA lebh banyak,

19

Ribozyme dan Dunia RNA


Dalam proses evolusi, RNA adalah molekul kehidupan pertama yang

muncul di muka bumi

Meskipun sebagian besar enzim di masa kini adalah protein,

ternyata RNA memiliki kemampuan enzimatis untuk mengkatalis

reaksi tanpa bantuan protein.

Hal ini menunjukkan bahwa asam nukleat primitif dapat mereplikasi

dirinya sendiri.

Gagasan bahwa organisme yang pertama kali muncul di muka bumi ini

telah memiliki gen dan enzim yang terbuat dari RNA disebut “RNA

world”

RNA memiliki kemampuan ganda sebagai asam nukleat dan enzim

20

Peran RNA dalam enzimatik dan

mengkode informasi genetik


Walau peran sebagai enzim kini sebagian besar oleh protein, serta DNA

sebagai pembawa informasi genetik, RNA tetap memiliki posisi transisi sebagai

gen dan enzim

Ribozim

Self-splicing intron

Viroid

RNA polimerase

MolekulRNA kecil

Riboswitch

21




Molekul RNA yang berperan sebagai enzim

• dapat mengkatalis sejumlah molekul lain tanpa mengubah keadaan

• ribonuklease P ribosomal RNA berperan dalam sintesis protein

RNA yang bersifat katalitik

• Intron ini harus dilepaskan dari mRNA sebelum ditranslasi menjadi protein dengan bantuan spliceosome atau molekul RNA kecil lainnya.

Molekul RNA yang dapat menginfeksi tanaman.

RNA semacam ini mampu mereplikasi dirinya sendiri

Ribozim

Self-splicing

intron

Viroid

22




Dibutuhkan sebagai primer untuk untai DNA barumemiliki kemampuan inisiasi dan pemanjangan

• diduga RNA polimerase telah ada sebelum DNA polimerasetercipta di muka bumi ini

RNA semacam ini digunakan dalam berbagaikeperluan

• berperan dalam melepas untaian intron, modifikasi dan editingmRNA

Bila tidak terdapat protein regulator, maka senyawa ini berperan dalam pengendalian ekspresi gen

RNA

polimerase

Molekul RNA

kecil

Riboswitch

23

Sel Pertama: Asal Mula

Terbentuknya Sel


Pembentukan molekul biologis di dunia primitif adalah langkah

pertama terbentuknya sel primitif

selanjutnya diperkirakan protein dan lipid terkumpul di sekeliling

RNA dan DNA primitif lalu membentuk sebuah kantung yang

memiliki membran prototype sel

penggunaan RNA untuk mengkode molekul protein, lipid membentuk

struktur membran untuk melindungi komponen sel selanjutnya protein

dan RNA mengembangkan fungsi enzimatiknya

24

Sel Pertama: Asal Mula

Terbentuknya Sel


Sel primitif ini sangatmirip dengan bakteri

habitatnya di dalamsenyawa organik

disebut primitive soup

sel primitif ini mulaimencari sumber

energi baru yaitu sinarmatahari

proses fotosintesismenggunakan energi

matahari danbelerang

fotosintesismenggunakan H2O

Molekul H2O dipecahuntuk menghasilkan

oksigen

munculnya oksigen diatmosfer mengubahbumi yaitu sel mulaimengembangkan

respirasi

sel memanfaatkanenergi dengan

mengoksidasi molekulmakanan

fotosintesis melepaskan oksigen dan menghasilkan karbon dioksida25

Teori Autotrof: Asal Mula

Metabolisme


postulat

di masa lampau menggunakan

persenyawaan besi untuk menghasilkan

energi

mengubah FeS menjadi FeS2 oleh

H2S dapat melepaskan energi

menghasilkan atom H untuk mereduksi CO2 menjadi materi

organik

26

Evolusi DNA, RNA, dan

Sekuensing Protein


Jutaan tahun lalu, mutasi terjadi pada urutan DNA, perlahan tapi pasti.

Sebagian besar mutasi terseleksi karena bersifat merusak, namun sebagian

tetap bertahan.

Mutasi yang tergabung secara permanen menjadi gen merupakan mutasi netral

dan tidak berbahaya terhadap organisme.

Kadang-kadang mutasi dapat meningkatkan fungsi gen atau mengkode protein

meskipun jarang terjadi. Mutasi yang berbahaya menjadi bermanfaat pada

kondisi lingkungan yang baru.

Jika protein masih dapat bekerja normal, mutasi dalam gen bisa saja terjadi.

Beberapa asam amino dapat membentuk protein yang bervariasi, dalam batas

yang layak tanpa merusak fungsi dari protein.

27

Evolusi DNA, RNA, dan

Sekuensing Protein


Penggantian sebuah asam amino oleh asam amino sejenis (contoh pada substitusi

konservatif) sangat kecil kemungkinannya untuk menghilangkan fungsi protein tersebut.

Jika dibandingkan urutan dari protein yang sama yang diambil dari organisme yang

berbeda, akan ditemukan sekuensnya akan segaris dan sangat mirip.

contoh, rantai α hemoglobin antara

manusia dan simpanse adalah identik.

Sekitar 13% asam amino di hemoglobin

babi berbeda dengan manusia, 25%

bedanya dengan ayam, dan 50% bedanya

dengan ikan

Nyatanya, sitokrom c adalah protein pada semua organisme yang lebih tinggi tingkatannya

seperti tumbuhan dan jamur.

Manusia dan ikan berbeda sekuens asam aminonya, sekitar 18% untuk sitokrom c. Antara

manusia dan tanaman atau jamur sekitar 45%.28

Terbentuknya gen baru

Duplikasi gen, dengan cara mutasi pada segmen DNA yang membawa gen

keseluruhan atau beberapa gen

Beberapa duplikasi diikuti urutan perbedaan

Menyebabkan sebuah keluarga yang membawa gen terkait fungsi

Contoh keluarga gen globin

Hemoglobin dan mioglobin memiliki fungsi dan bentuk 3-D sama.

Gen globin ancestor digandakan, kedua gen untuk hemoglobin dan mioglobin

perlahan-lahan bermutasi karena mereka beroperasi pada jaringan berbeda


Pembuatan Gen Baru

melalui Duplikasi

29

Pembuatan Gen Baru

melalui Duplikasi

Hemoglobin mamalia

2 rantaiglobin alpha

2 rantai globin beta


Hemoglobin fetus

manusia


2 rantaiglobin

gamma

Hemoglobin manusiadewasa


2 rantaiglobin

gamma

sedikit rantaialpha 2 danrantai delta 2

rantai alpha2 dan gama 2

30

Orthologous gen yang

homolog yang ditemukan pada

saat pemisahan spesies dan

dibedakan saat terbentuk

organisme baru,

Paralogus gen yang

dilokasikan pada organisme yang

sama dikarenakan dulpikasi gen


Jam Molekuler untuk Menelusuri Evolusi

organisme yang kecepatanpembentukan protein yang berbeda

hubungannya belum diketahui

protein yang terbentuk lambatmenunjukkan sedikit /tidak ada

perbedaan antara dua organisme

menggunakan sekuens yang berubahperlahan untuk mengetahui hubungan

evolusioner dan sekuens yang terbentukpada organisme berkerabat

Manusia dan simpanse memilikisekuens protein yang hampir sama

Mutasi yang tidak mempengaruhisekuens protein berlangsung lebih cepatselama evolusi, karena mutasi tersebut

tidak merusak

sehingga lebih baik jika melihat sekuensDNA daripada protein sekuens dari

organisme berkerabat tersebut, baruterlihat banyak perbedaan


Analisis rRNA menunjukkan bahwa fungi tidak pernah melakukan fotosintesis tapi

bagian dari tumbuhan purba dimana waktu itu belum ada kloroplas.

Penelitian yang dilakukan ahli botani menemukan fungi cenderung lebih dekat

dengan hewan daripada tumbuhan


Jam Molekuler untuk Menelusuri Evolusi

Garis hubungan berdasarkan rRNA juga

membentuk sebuah pohon evolusioner pada

skala yang lebih luas Organisme tingkat tinggi

terdiri atas 3 kelompok utama,

yaitu tumbuhan, hewan, dan

fungi

Sebagian besar sel eukariot mengandung mitokondria dan pada sel tumbuhan

mengandung kloroplas.

Organel tersebut derivat dari bakteri simbiotik dan dari ribosom mereka sendiri.

RNA sekuens dari mitokondria dan kloroplas memperlihatkan hubungannya dengan

bakteri33

RNA Ribosom – Sebuah

Jam yang Berdetak Pelan


Pembuatan pohon evolusi

melibatkan seluruh organisme

menunjukkan hubungan antara semua

grup organisme

Menentukan molekul

molekul yang ada pada semua organisme

berevolusi sangat lambat

molekul protein ribosom rRNA penyusunan pohon evolusi

34

pembagian eukariot berdasarkan sekuen

RNAnya



Archaebakteri Vs Eubakteri

36

3 domain kehidupan



Archaebakteri Vs Eubakteri

Archaea

tidak mempunyaipeptidoglikan

membrane sitoplasmanya

mengandung lipid yang bebreda

rantai isoprenoidmenempel padagliserol dengan

ikatan eter bukanester

beberapa rantaihidrokarbon

isoprenoid ganda(double-length)

menembusseluruh membran

38

jenis-jenis

Archaebakteria

Halobakteri

• toleransi terhadapgaram

• hidup pada NaCl di atas5 M

Methanogens

• menghasilkan metan

• bersifat anaerobobligat

• sangat sensitifterhadap oksigen

Sulfolobus

• hidup pada perairangeothermal (pH optimum 2-3 dansuhu 70-80oC).

• mengoksidasi sulfur menjadi asam sulfur


Jenis-jenis

Archaebakteria

39


Sekuensing DNA dan

Klasifikasi Biologis

Dengan sekuensing gen, klasifikasi makhluk hidup

menjadi berkembang.

Keturunan atau nenek moyang makhluk hidup bisa dilihat

dengan membandingkan sekuen DNA, RNA, atau protein

yang lebih representatif dengan dasar hubungan genetik

Data sekuensing dapat berupa data kuantitatif dari

keterkaitan genetik.

Jika kita tidak dapat menemukan/menentukan suatu

spesies, kita dapat menggunakan jumlah sekuen

berbeda pada organisme.

40

Sekuensing DNA dan

Klasifikasi Biologis

Sebelum sekuensing

DNA

Eukariot primitif & bakteri

Belum bisa dikalsifikasikan


Adanya sekuensing DNA

Keturunan / nenek moyang

dapat dilihat

Membandingkansekuen DNA, RNA, protein

Data kuantitatif

dari keterkaitan

genetik

Menemukan/

Menentukan

suatu spesies

41

Evolusi singkat RNA Ribosomal

histon danrRNA

molekulesensial

Mutasi

Mutasi dariG menjadi C

Fatal padarRNA 16S


GC menjadi CG

Fungsi baik

42

• Mamoth Siberia

• Gajah India & Afrika

DNA mitokondria


Evolusi singkat RNA Ribosomal

DNA mitokondria mengetahui evolusi makhluk hidup yang telah punah

• Quagga

• Zebra DNA

mitokondria

perbedaan hanya

sebanyak 4-5 dari 350

basa

perbedaan basa DNA

sebesar 5%

Berasal

dari

leluhur

yang

sama

43

DNA Purba dari Hewan

yang telah Punah

metode sekuens DNA

mengkonstruksi skema evolusi

DNA purba dari fosil

mengukur laju evolusi


DNA tertua diperoleh dari

DNA dari batuan amber

Amber batuan polimer resin yang

mengeras & tembus pandang berusia

jutaan tahun

sebagai preservatif

hewan terjebak dalam amber

44

DNA Purba dari Hewan

yang telah Punah

Dinosaurus Serangga menghisap

darah

Sel darah dalam usus

Amber

DNA lengkap

dari dinosaurus


Mikroorganisme

membentuk spora

dalam serangga

lebahAmber

ditumbuhkan dalam

kultur

koloni bakteri

menginsersi DNA ke telur

amphibi

fragmen gen dinosaurus

film fiksi

Jurassic Park

45

Evolusi yang Menyimpang:

Transfer Gen Horizontal

Teori evolusi yang diajukan Darwin menyatakan perubahan

materi genetik dapat diwariskan dari satu generasi ke generasi

lainnya

Tetapi transfer materi genetik juga dapat terjadi antara organisme

satu dengan organisme lain atau antara beberapa organisme

yang masih berkerabat


Transfer gen

vertikal

transmisi materi genetik dari generasi parental

menuju generasi turunan secara langsung

transmisi gen melalui pembelahan sel dan

berbagai cara reproduksi yang menghasilkan

salinan utuh suatu genom secara seksual/tidak

46




Transfer gen

horizontal/lateral

transmisi materi genetik dari organisme

donor menuju organisme lain di luar jalur

keturunannya

Gen resistensi antibiotik dibawa plasmid dipindahkan ke

bakteri lain yang tidak berkerabat.

Gen dalam plasmid terintegrasi dalam kromosom

Gen bakteri dapat dipindahkan dari genom suatu organisme

menuju genom organisme lain.

Sebagian besar gen bakteri berhasil diungkap sekuensnya.

Perhitungan yang dilakukan berdasarkan data tersebut

mengungkapkan bahwa sekitar 5-6% dari genom prokariot adalah

hasil transfer horizontal

47




Transfer gen

horizontal/lateral

Kemampuan virulensi dan resistensi terhadap

antibiotik yang dibawa melalui plasmid

Pada organisme dari spesies yang sama atau

berbeda

Selain plasmid, virus dan transposon adalah

agen yang lazim dalam transfer gen horizontal

Retrovirus agen yang mampu

menginsersikan dirinya ke kromosom hewan,

mengambil suatu gen, serta memindahkan gen

tersebut keorganisme lain

48

bab 7. evolusi molekuler maridi p

Documents