Dari gen ke enzim hingga evolusi

Loreto Pemanfaatan proses metabolisme alkohol untuk menggambarkan konsep dasar biologi

Penulis: Jennifer Harbottle (RINH), Surita Lawes (Loreto), Sanjai Patel (FBMH), Andreas Prokop (FBMH)

Penerjemah: Firzan Nainu dan Rudi Arfiansyah (Fakultas Farmasi Universitas Hasanuddin)

Dapatkan pelajaran ini dan materi tambahannya: unduh “KS5-Genes&Alcohol-package.zip” dari situs figshare kami.

Kurikulum terkait: reaksi-reaksi biologis dan metabolisme, kode genetik, sintesis protein, keanekaragaman genetik, seleksi alam

Ringkasan: Pelajaran ini merupakan rangkuman yang sesuai untuk siswa Biology A Level (KS5), ideal untuk pelajaran-pelajaran revisi akhir. Pelajaran ini mengangkat tema alkohol dan toleransi alkohol untuk meninjau dan menghubungkan konsep fermentasi, metabolisme, enzim, sintesis protein dan kode genetik, penyesuaian dan keanekaragaman gen/alel, evolusi dan seleksi alam, dan bahkan konsep farmakologi yang dikombinasikan dengan penyesuaian klasik. Percobaan dan pengujian yang meliputi reaksi kimia yang menggambarkan aktivitas enzimatis pada jaringan hidup normal dan pada ulat tanpa enzim, uji coba perilaku yang menunjukkan toleransi alkohol, dan uji aktivitas pada kode genetik, transkripsi dan translasi.

Informasi tambahan untuk topik ini:

  1. Darimana alkohol berasal? -> GO
  2. Alkohol and kebudayaan manusia -> GO
  3. Pemecahan alkohol membutuhkan enzim-enzim yang dikode oleh berbagai gen -> GO
  4. Bagaimana enzim bekerja -> GO
  5. Penanganan penyalahgunaan alkohol dengan obat -> GO
  6. Variasi alami dalam toleransi terhadap alkohol -> GO
  7. Lalat buah memperlihatkan perilaku-perilaku terkait alkohol yang “mirip dengan manusia” -> GO
  8. Lalalt buah juga memiliki ADH dan ALDH yang memiliki variasi alami -> GO
  9. Alel Adh mengalami proses seleksi sesuai dengan prinsip Darwinian -> GO
  10. Distribusi geografis global alel Adh -> GO
  11. Pola global alel ADH dan ALDH pada manusia -> GO
Tolong, bantu kami untuk meningkatkan kualitas bahan-bahan ini dengan cara mengirimkan komentar, koreksi, dan saran ke Andreas.Prokop@manchester.ac.uk dan firzannainu@unhas.ac.id

1. Darimana alkohol berasal?

Ragi seperti Saccharomyces cerevisiae, dan anggota genus lainnya, memecah gula melalui proses fermentasi yang menghasilkan alkohol (etanol). Fermentasi sangat tidak efisien karena hanya menghasilkan 2 molekul ATP dari satu molekul glukosa – dan ATP adalah sumber energi esensial bagi sel hidup! Sebaliknya, sebagian besar sel lainnya menghasilkan lebih dari 30 molekul ATP tambahan dari satu molekul glukosa, yang diperoleh dengan mengimpor senyawa antara hasil pemecahan piruvat (lihat gambar) ke dalam mitokondria di mana ia dimetabolisme melalui Siklus Krebs dan fosforilasi oksidatif. Proses ini membutuhkan kondisi aerobik (yaitu adanya oksigen). Ragi fermentasi biasanya hidup dalam kondisi aerobik, namun mereka tetap memilih untuk tidak menggunakan energi – pilihan efisien. Oleh karena itu, mereka digolongkan sebagai anaerob fakultatif (=opsional). Satu teori menjelaskan bahwa ragi menggunakan reaksi fermentasi untuk membuat kondisi lingkungan hidup mereka sendiri. Dengan demikian, alkohol menjadi penghambat bagi sebagian besar organisme lainnya, meskipun ragi fermentasi sangat tahan terhadap konsentrasi alkohol yang relatif tinggi. Dengan melakukan pemborosan energi, fermentasi yang menghasilkan alkohol, mereka menciptakan sebuah lingkungan di mana mereka mampu bersaing. Inilah sebabnya mengapa ragi digunakan untuk memproduksi anggur dan bir, tapi hal ini juga berarti bahwa banyak buah yang membusuk di alam ini cenderung kaya akan alkohol.

In fermentation, glucose is metabolised to ethanol (manly by yeasts)

Pada proses fermentasi, gula dimetabolisme menjadi etanol (sebagian besar dengan bantuan ragi)

2. Alkohol dan kebudayaan manusia

human-thumbNenek moyang kita telah memproduksi dan mengkonsumsi alkohol sejak zaman Neolitikum, dan penyebaran produksi dan konsumsi anggur, bir dan minuman telah memperoleh peran sosial yang signifikan dalam banyak kebudayaan. Dalam budaya tersebut, banyak orang dewasa cenderung menikmati minuman beralkohol sesekali, rasa dan efek relaksasinya, misalnya pada malam tertentu di akhir pekan. Tapi alkohol hadir dalam hidup kita lebih sering daripada yang kita pikirkan. Banyak makanan sehari-hari yang mengandung sejumlah alkohol, termasuk buah, roti yang baru dipanggang dan produk susu fermentasi. Alkohol juga ditemukan pada makanan pencuci mulut, kosmetik dan obat batuk, dan tubuh kita sendiri menghasilkan alkohol selama proses pencernaan.

Konsumsi alkohol yang rendah telah dilaporkan bermanfaat dan sesuai dengan gaya hidup sehat (walaupun demikian, muslim tidak dianjurkan untuk mengkonsumsi alkohol – red) . Namun, beberapa orang tidak dapat mengendalikan jumlah alkohol yang mereka minum, dan mengkonsumsi lebih banyak dari batas yang disarankan, dan tingkat risikonya dijelaskan di situs ini. Alkohol adalah obat psikoaktif yang sering disalahgunakan yang dapat menyebabkan masalah perilaku akut jangka pendek (kekerasan, mengemudi saat mabuk, hubungan seks bebas) atau kecanduan kronis. Meskipun kecanduan alkohol merupakan interaksi yang kompleks antara faktor lingkungan dan sosial, hal ini sering terjadi dalam lingkungan keluarga, dan faktor genetik dianggap bertanggung jawab atas 50% risiko perkembangan alkoholisme. Hal ini mungkin menunjukkan pengaruh parsial genetik pada masalah-masalah terkait alkohol. Oleh karena itu, penelitian sistematis dilakukan untuk mengidentifikasi faktor-faktor genetik potensial tersebut, yang bertujuan untuk mengembangkan penyembuhan yang memiliki peluang keberhasilan yang lebih besar.

3. Pemecahan alkohol membutuhkan enzim-enzim yang dikode oleh berbagai gen

Alkohol bukanlah sesuatu yang khas dalam budaya manusia, hal serupa malah dapat ditemukan di alam, dan buah busuk dapat mengandung lebih dari 4% alkohol. Hewan liar, seperti burung dan tupai sering didokumentasikan untuk mencari dan memakan buah fermentasi ini dan merasakan efek keracunan ringan (TAUTAN1; TAUTAN2). Untuk melindungi hewan dari keracunan alkohol, semua organisme telah berevolusi secara biologis untuk membusukkan dan mengeluarkannya dari tubuh kita, melalui sebuah proses katabolisme. Tanpa kemampuan ini, alkohol akan terakumulasi di tubuh kita dan kita akan selalu mengalami keracunan dan akhirnya mati karena keracunan alkohol.

Enzymes are proteins that catalyse chemical reactions and are encoded by genes.

Enzim merupakan protein yang mempercepat reaksi kimia dan dikode oleh gen.

Pemecahan alkohol yang dikatalisis oleh dua protein khusus (enzim; lihat bagian selanjutnya), alkohol dehidrogenase (ADH) dan aldehid dehidrogenase (ALDH) yang dikodekan oleh gen yang berbeda. ADH dan ALDH bekerja dalam dua tahap reaksi biologis. Pada tahap pertama, ADH di sitoplasma sel hati atau lambung mengkatalisis konversi etanol menjadi asetaldehida, zat yang sangat beracun dan diketahui bersifat karsinogen. Asetaldehida memiliki efek vasodilatasi yang kuat (=melebarkan pembuluh darah) dan menyebabkan wajah menjadi merah (sindrom flushing). Hal ini juga merupakan zat yang bertanggung jawab atas efek fisiologis tidak menyenangkan terkait mabuk (mual, sakit kepala, jantung berdebar). Oleh karena itu, enzim kedua, ALDH, mengeluarkan asetaldehida dengan mengkatalis konversinya menjadi asam asetat, yang kemudian dapat dipecah menjadi CO2 dan air melalui siklus Krebs.

ADH-definition

fly-thumbAktivitas enzim ADH dapat diamati melalui reaksi warna sederhana yang hanya membutuhkan waktu lima menit dan mudah dilakukan dalam kelas:

This sequence shows the time lapse recording of an ADH colour reaction over 5 minutes. On the left is a normal maggot containing ADH activity, on the right a maggot with a mutation which abolishes ADH activity.

Sekuen time-lapse ini menunjukkan reaksi warna 5 menit yang menunjukkan aktivitas enzim ADH. Di sebelah kiri adalah jaringan dari ulat normal dengan aktivitas ADH, di sebelah kanan adalah jaringan dari ulat mutan tanpa aktivitas ADH.

Reaksi warna dijelaskan di sini: ketika ADH mengkatalisis pemecahan 2-butanol menjadi butanon, proses tersebut menghasilkan NADH. Dengan adanya phenazine methosulfate (PMS), NADH mempercepat pengurangan nitro blue tetrazolium (NBT) menjadi formazan berwarna ungu.

The NBT colour reaction occurring in normal maggots is suppressed in Adh mutant specimens.

Reaksi warna NBT yang terjadi pada ulat normal ditekan pada spesies mutan ADH.

4. Bagaimana enzim bekerja

Enzim adalah protein yang bertindak sebagai katalis biologis dan mempercepat reaksi kimia dengan menurunkan energi aktivasinya. Enzim memiliki sisi aktif dimana molekul pelengkap, yang dikenal sebagai substrat, dapat terikat dan membentuk kompleks enzim-substrat. Ketika substrat spesifik ini bersesuaian dengan sisi aktif, enzim akan mengubah konformasinya untuk menampung dan menahan substrat pada posisi yang tepat untuk terjadinya katalisis. Hal ini dikenal sebagai model inducedfit. Sebagian besar enzim juga memerlukan ko-enzim, yaitu senyawa non-protein yang membantu dalam katalisis reaksi kimia. Enzim yang tidak aktif tanpa ko-enzim disebut apoenzim, dan enzim lengkap dengan ko-enzim yang siap untuk mengikat substrat, disebut holoenzim. Substrat dimodifikasi selama reaksi dan setelah selesai reaksi, produk kemudian meninggalkan sisi aktif enzim dan enzim kembali tersedia untuk mengikat molekul substrat lain.

Baik ADH maupun ALDH, keduanya memiliki dua sisi aktif, satu sisi tempat substrat primer (etanol, asetaldehida, berturut-turut) berikatan, dan satu sisi tempat ko-enzim NAD+ berikatan.

ADH-ALDH

5. Penanganan penyalahgunaan alkohol dengan obat

human-thumb

Perkembangan gangguan penyalahgunaan alkohol (alcohol abuse disorders) menghasilkan masalah kesehatan dan hubungan interpersonal yang serius, dan mempengaruhi masyarakat secara keseluruhan dengan menyusahkan tenaga medis dan perekonomian. Beragam upaya telah dilakukan untuk mengatasi kecanduan alkohol secara farmakologis dengan menggunakan ADH dan ALDH sebagai target obat. Untuk mencapai hal ini, perancang obat memanfaatkan fakta bahwa substrat sangat spesifik untuk satu sisi aktif enzim. Mereka bertujuan merancang obat yang menirukan kemampuan substrat untuk mengikat sisi aktif enzim namun tidak dapat dimetabolisme. Akibatnya, obat ini akan menghalangi sisi aktif enzim dan mencegah pembentukan kompleks enzim-substrat secara alami. Molekul atau obat semacam ini disebut inhibitor enzimatik.

Salah satu contohnya adalah disulfiram yang secara komersial dikenal sebagai Antabuse® dan telah digunakan untuk mendobrak ketabuan dalam pengobatan penyalahgunaan alkohol sejak tahun 1948. Disulfiram dipecah oleh tubuh kita dan produk metabolik yang dihasilkan melalui proses ini, secara kovalen mengikat ke sisi aktif ALDH dan secara irreversibel menghambat aktivitas ALDH. Akibatnya, asetaldehida tidak dapat diubah menjadi asam asetat dan menumpuk di dalam tubuh. Oleh karena itu, saat mengkonsumsi disulfiram selama konsumsi alkohol, hal ini segera memicu gejala fisiologis yang tidak enak yang disebabkan oleh tingginya kadar asetaldehida (lihat bagian 3). Hasilnya adalah perilaku yang dipelajari (sejenis pengalaman buruk) yang disebut sebagai pengkondisian klasik (classical conditioning), di mana alkohol dikaitkan dengan kenangan buruk dan karena itu dihindari di masa depan. Ini adalah strategi yang tidak menyenangkan untuk mencegah pecandu alkohol minum alkohol masa penghentian pengobatan.

disulfiramKarenanya, disulfiram memodulasi sensitivitas alkohol dengan menghambat enzim esensial dalam metabolisme alkohol. Contoh inhibitor kompetitif farmakologis ini menunjukkan pentingnya memahami dan menyasar reaksi biologis dasar untuk menghasilkan kemajuan dalam terapi.

6. Variasi alamiah dalam toleransi alkohol

Kita telah melihat bahwa toleransi alkohol melibatkan detoksifikasi aktif melalui proses pemecahan yang dikatalisis oleh enzim ADH dan ALDH.

Namun, sebagaimana hal lainnya dalam proses biologi, terdapat variasi alamiah dalam jalur enzimatik ini. Berkat adanya variasi genetik, ADH dan/atau ALDH mungkin menunjukan perubahan tingkat aktivitas. Oleh karena itu, beberapa orang kurang toleran terhadap kadar alkohol dibandingkan orang lainnya:

  • Aktivitas ADH yang mungkin rendah, sehingga etanol beredar di dalam aliran darah lebih lama (keracunan yang berkepanjangan). Sebagai contoh, wanita memiliki lebih sedikit enzim ADH di dalam tubuhnya dibanding pria. Oleh karena itu, jika seorang wanita dan seorang pria dengan berat badan yang sama minum alkohol dalam jumlah yang sama, wanita cenderung memiliki konsentrasi alkohol di dalam darah lebih tinggi daripada pria karena alkohol yang mereka konsumsi membutuhkan waktu lebih lama untuk dipecah. Hal ini menjelaskan mengapa wanita biasanya lebih peka terhadap minuman beralkohol dibandingkan pria.

ADH-ALDH-variation-2

  • Aktivitas ADH yang mungkin sedikit meningkat, sehingga terjadi peningkatan laju konversi alkohol menjadi asetaldehida yang kemudian memicu perubahannya menjadi asam asetat yang lebih tinggi, sehingga menyebabkan detoksifikasi yang efisien. Contohnya adalah varian Drosophila ADH-F (lihat bagian 9).

ADH-ALDH-variation-3

  • Aktivitas ADH yang mungkin terlalu tinggi, seperti halnya alel/varian ADH1B*2 pada manusia (lihat bagian 11). Varian ini memiliki tingkat perubahan alkohol 40 kali lebih cepat dari varian alel khas ADH1B*1. Karena tingkat perubahan yang luar biasa tinggi ini, asetaldehida selanjutnya menumpuk dan menghasilkan efek samping yang tidak menyenangkan.

ADH-ALDH-variation-3b

  • Aktivitas ALDH yang mungkin rendah, sehingga menyebabkan sensitivitas yang tinggi terhadap alkohol (toleransi rendah) akibat penumpukan asetaldehida – sama halnya dengan contoh sebelumnya namun melalui mekanisme yang berbeda. Contohnya adalah varian ALDH2*2 pada manusia (lihat bagian 11) yang tingkat perubahan enzimatiknya lebih rendah. Alel ini, pada satu sisi, adalah versi genetik dari efek yang sama seperti yang dihasilkan secara farmakologis saat menggunakan obat disulfiram (lihat bagian 5).

  • Aktivitas ALDH yang mungkin tinggi, sehingga terjadi peningkatan laju pembersihan asetaldehida yang meningkatkan perubahan alkohol dan toleransi alkohol yang tinggi.

ADH-ALDH-variation-5

7. Lalat buah menunjukkan perilaku terkait alkohol seperti manusia

Anda mungkin akan terkejut mendengar bahwa lalat buah Drosophila melanogaster dapat digunakan untuk mempelajari mekanisme biologis dan genetik yang menjadi dasar metabolisme alkohol dan kecanduan dan penyalahgunaan alkohol. Seperti yang dijelaskan pada bagian “Mengapa Lalat?“, Drosophila menawarkan strategi-strategi penelitian yang efisien di berbagai bidang biologi, IMGP4844b dan hal ini seringkali membantu memahami proses serupa pada hewan tingkat tinggi dan manusia. Dengan demikian, ada kemungkinan realistis bahwa penelitian biologi terkait alkohol juga dapat berkontribusi terhadap pengembangan terapi yang lebih efektif dan efisien pada manusia, seperti yang dijelaskan secara lebih rinci pada postingan blog ini. Untuk menggambarkan seberapa jauh perbandingan dengan manusia dapat dilakukan, perhatikan apakah beberapa dari fakta berikut terdengar asing bagi Anda (lihat juga koleksi video berikut):

  • Lalat buah yang hiperaktif dan mabuk, dan akhirnya pingsan. Awalnya, alkohol memiliki efek stimulan dan lalat menjadi hiperaktif; hal ini mirip dengan peningkatan energi dan penurunan inhibisi pada manusia. Seiring dengan peningkatan konsentrasi alkohol, lalat mulai kehilangan koordinasi motorik dan akan segera terjatuh, saling bertabrakan dan berebut untuk memanjat dinding. Pada dosis alkohol yang lebih tinggi, fase “agak mabuk” dan menguntungkan hilang, dan alkohol mulai memiliki efek sedatif (lihat video “KS5-Genes&Alcohol-DrunkFly.wmv”).
  • Flies are less choosy when drunk

    Lalat kurang pemilih ketika mabuk

    Lalat buah jantan yang mabuk menjadi kacau dan hiperseks; misalnya, mereka mulai mendekati lalat jantan lainnya – Mereka terkena efek “beer goggle” ke level yang baru!

  • Lalat jantan yang telah ditolak secara seksual beralih ke alkohol dan minum lebih banyak sebagai salah satu bentuk pelampiasan! (lihat video ini)
  • Lalat menunjukkan tanda-tanda kecanduan alkohol dan mencari obat meskipun ada konsekuensi yang buruk. Mereka akan mengabaian rasa kina yang pahit dan tidak enak, dan bahkan rela menghadapi guncangan yang semakin kuat untuk minum alkohol!
  • Lalat mengalami gejala penghentian obat (peningkatan kerentanan terhadap kejang) dan berperilaku mirip sedang kambuh.

Apakah Anda setuju bahwa Drosophila menunjukkan karakteristik mendasar yang menurut Anda merupakan perilaku manusia yang spesifik?

8. Lalat buah juga memiliki ADH dan ALDH yang menunjukkan variasi alamiah

fly-thumbLalat buah hampir setiap hari membutuhkan proses detoksifikasi alkohol, karena buah yang membusuk, dan ragi yang ada di dalamnya, adalah tempat pilihan mereka untuk makan dan bertelur. Dengan demikian, mereka membawa enzim yang ekivalen dengan enzim ADH and ALDH, yang telah dipelajari secara intensif dengan memanfaatkan kemudahan penelitian genetik pada lalat (lihat bagian “Mengapa Lalat?).

Pentingnya ADH dan ALDH selama metabolisme alkohol dapat diilustrasikan dengan sangat baik pada lalat mutan yang tidak memiliki aktivitas salah satu enzim ini, suatu kondisi yang membuat mereka sangat sensitif terhadap efek toksik alkohol dibandingkan dengan lalat buah normal (=wildtype atau WT). Dengan demikian, lalat buah yang homozigot (=membawa dua salinan identik) dari alel/versi mutan non-fungsional dari gen ADH atau ALDH, tidak bertahan terhadap kadar etanol di atas 4%, yang merupakan konsentrasi khas yang dapat Anda temukan dalam buah fermentasi atau bir. Lalat buah mutan ini menunjukkan tingkat kematian yang tinggi pada konsentrasi alkohol yang tidak membahayakan lalat buah wildtype dengan aktivitas enzim normal.

Lalat buah mutan tanpa aktivitas enzim memiliki kekurangan yang penting dan jarang ditemukan di alam. Namun, populasi alamiah Drosophila melanogaster di seluruh dunia bersifat polimorfik untuk dua alel berlimpah dari gen ADH: ADH-S dan ADH-F. Alel-alel ini mengkodekan varian-varian dari protein yang sama yang hanya berbeda satu asam amino pada posisi spesifik yang sama: ADH-F mengandung lisin yang bermuatan positif sedang ADH-S mengandung treonin yang tidak bermuatan. Teknik Elektroforesis dapat digunakan untuk memisahkan protein satu sama lain, sebagai fungsi dari ukuran dan muatannya. Dalam percobaan tersebut, ADH-S bereaksi “lambat (slow)” sedangkan ADH-F berekasi “cepat (fast)”, maka alel tersebut dinamakan “S” dan “F”. Tetapi apa relevansi fungsional dari alel-alel ini?

Single changes in the genetic DNA code generate different ADH alleles

Perubahan tunggal pada kode genetik DNA menghasilkan alel-alel ADH yang berbeda

9. Alel-alel ADH mengalami proses-proses seleksi Darwin

fly-thumbTelah ditemukan bahwa lalat buah ADH-F memiliki aktivitas enzim ADH 2,5 sampai 3 kali lipat lebih tinggi dibandingkan dengan lalat buah ADH-S, dan hewan-hewan yang membawa satu salinan ADH-F bersama dengan satu salinan ADH-S (ras heteroalel) memiliki tingkat aktivitas yang sedang.

Tetapi bagaimana perubahan asam amino tunggal dapat menyebabkan perbedaan aktivitas enzim ADH? Dua alasan berikut telah diidentifikasi:

  1. Alel ADH-F menyebabkan lebih banyak protein ADH yang diproduksi, dan keberadaan enzim yang lebih banyak berarti tingkat perubahan alkohol yang lebih tinggi.
  1. Enzim ADH-F berikatan dengan koenzim NAD+-nya kurang kuat dibandingkan ADH-S. Akibatnya, disosiasi NAD+ dari kompleks enzim-substrat ADH-F lebih cepat sehingga lebih banyak alkohol yang dapat diubah per satuan waktu dibandingkan dengan ADH-S.

By Leonard Darwin (Woodall 1884) [Public domain], via Wikimedia Commons

By Leonard Darwin (Woodall 1884) [Public domain], via Wikimedia Commons

Populasi Drosophila melanogaster yang dikumpulkan di pabrik bir dan perkebunan anggur ternyata lebih toleran terhadap alkohol daripada lalat yang dikumpulkan dari tempat yang tidak jauh dari pabrik dan perkebunan. Oleh karena itu, hipotesis bahwa frekuensi alel ADH-F dan toleransi terhadap peningkatan alkohol adalah adaptasi selektif terhadap lingkungan beralkohol tinggi, berdasarkan pada teori seleksi alam yang awalnya diajukan oleh Charles Darwin untuk menjelaskan bagaimana organisme berubah dari waktu ke waktu. Teori ilmiah ini (lihat video tentang makna teori ilmiah ini) mengemukakan bahwa variasi genetik spesifik yang paling baik menyesuaikan organisme terhadap lingkungannya dan meningkatkan kelangsungan hidupnya, memiliki peluang lebih besar untuk diteruskan ke generasi berikutnya dengan mengorbankan varian lain yang kurang layak. Para ilmuwan telah menguji hipotesis seleksi alam untuk ADH di laboratorium. Mereka memasukkan populasi lalat buah yang beragam secara genetik ke dalam lingkungan dengan konsentrasi alkohol yang berbeda dan menemukan bahwa kelimpahan ADH-F meningkat pada lingkungan beralkohol tinggi. Hal ini sesuai dengan pengamatan yang dilakukan di alam bebas dan mendukung hipotesis seleksi alam. Hal ini merupakan contoh yang baik yang menggambarkan bagaimana siklus hidup lalat buah yang pendek dapat digunakan dalam percobaan skala besar dan dengan biaya rendah untuk mempelajari dan memahami bagaimana informasi genetik dari seluruh populasi memfasilitasi adaptasinya dalam lingkungan yang berubah. Sebenarnya, bekerja dengan Drosophila sangat berpengaruh dalam membangun bidang ilmu genetik populasi, seperti yang dijelaskan dengan baik di bab tentang Theodosius Dobzhansky dalam buku yang sangat menarik “Fly: the unsung hero of 20th century science” karya Martin Brookes. Yang penting, segera setelah konsep-konsep dasar dipahami pada lalat buah, hal tersebut kemudian dapat digunakan sebagai contoh untuk mempelajari populasi manusia yang berumur panjang.

10. Distribusi geografis global alel-alel Adh

ToleranceMap-flyDari contoh di atas, Anda mungkin bertanya mengapa alel ADH-F, yang sangat efisien dalam melindungi dari keracunan alkohol, tidak bekerja pada semua populasi lalat buah? Yang jelas, alel ADH-S tampaknya memiliki sesuatu yang ditawarkan yang menguntungkan dalam kondisi yang berbeda – yang cukup penting yang tersimpan lama dalam informasi genetika. Bagaimana kemungkinan sifat dari ADH-S ini?

Petunjuk menarik datang dari studi distribusi alel di seluruh dunia yang mengungkapkan sebuah pola global: alel ADH-S menunjukkan frekuensi yang lebih tinggi di daerah khatulistiwa termasuk Afrika, sementara ADH-F mendominasi di daerah beriklim sedang. Hasil pengamatan ini mengantarkan pada hipotesis bahwa suhu yang lebih tinggi di daerah khatulistiwa mungkin merupakan sebuah parameter seleksi, dan hipotesis ini telah diuji di laboratorium: ketika ilmuwan memelihara lalat buah yang bervariasi secara genetik selama beberapa generasi pada suhu yang berbeda, mereka menemukan bahwa kelimpahan alel ADH-S meningkat pada suhu tinggi (29,5°C), namun turun pada suhu yang lebih rendah (20°C dan 25°C). Temuan ini sesuai dengan hipotesis bahwa ADH-S memiliki keunggulan seleksi pada suhu yang lebih tinggi. Tapi melalui mekanisme yang mana suhu bisa memicu kelimpahan ADH-S?

Sebuah teori berkaitan dengan stabilitas enzim ADH. Dengan meningkatnya suhu, molekul enzim bergetar lebih kuat, dan struktur protein harus stabil untuk mencegah terbukanya ikatan molekul enzim yang disertai inaktivasi enzim. Isoenzim ADH-S mengikat koenzim NAD+-nya lebih kuat daripada ADH-F, sehingga memberikan stabilitas yang lebih besar pada holoenzim. Oleh karena itu lebih tahan terhadap kenaikan suhu lingkungan. Pada suhu yang lebih tinggi, hal ini nampaknya merupakan keuntungan untuk bekerja dengan aman dan menjamin kadar basal aktivitas enzim yang dilakukan oleh ADH-S, bahkan jika tingkat perubahan alkoholnya lebih rendah daripada ADH-F.

ADH-S binds NAD+ more strongly, thus stabilising the complex at higher temperature

ADH-S mengikay NAD+ lebih kuat, sehingga menstabilkan kompleks enzim-substrat pada suhu yang lebih tinggi.

11. Pola-pola global alel-alel ADH and ALDH pada manusia

human-thumbToleranceMap-humansVarian-varian alel dari ADH dan ALDH manusia menunjukkan pola geografis global. Namun, pola-pola ini berbeda dengan yang ditemukan pada Drosophila. Polanya tidak membentang dari utara ke selatan tapi dari barat ke timur: orang-orang keturunan asia timur memiliki kemungkinan lebih tinggi untuk membawa varian ADH atau ALDH yang membuat mereka lebih sensitif terhadap alkohol, sementara orang kauasia biasanya lebih toleran.

Apa penyebab distribusi ini? Kami telah mempelajari bahwa suhu adalah salah satu kriteria seleksi yang mungkin untuk ADH-S dan ADH-F pada lalat. Akan tetapi kriteria ini cenderung tidak berlaku pada manusia karena manusia bersifat endotermia (berdarah panas; bahasa Yunani: endos=dalam, thermos=panas), maka kurang bergantung pada perubahan suhu daripada lalat buah yang bersifat eksotermia (berdarah dingin; ektos=di luar). Orang-orang Asia sering membawa alel-alel ADH1B*2 dan/atau ALDH2*2 yang menyebabkan peningkatan asetaldehida berlebihan akibat konsumsi alkohol  (lihat bagian 6):

  • ADH1B*2 membawa mutasi titik yang menyebabkan substitusi asam amino (histidin menjadi arginin) yang menyebabkan konversi etanol menjadi asetaldehida 40 kali lebih cepat.
  • ALDH2*2: Substitusi asam amino ini (glutamin menjadi lisin) menyebabkan sisi pengikatan NAD+ yang lebih lemah dan mengakibatkan perubahan enzimatik lebih rendah. Sehingga ALDH2*2 menyebabkan penumpukan asetaldehida di dalam darah setelah konsumsi alkohol.

Kedua varietas ADH1B*2 dan ALDH2*2 bertindak secara dominan. Oleh karena itu, orang yang membawa satu (heterozigot) atau dua (homozigot) salinan alel tersebut rentan terhadap kadar asetaldehida yang tinggi dan toksisitasnya, efek fisiologis negatifnya sangat berbahaya (lihat bagian 3). Akibatnya, karir varian genetik ini cenderung minum alkohol lebih sedikit dan kurang berisiko terhadap gangguan penyalahgunaan alkohol, sesuai dengan gagasan bahwa akumulasi asetaldehida yang disebabkan oleh faktor genetik atau induksi obat terlindung dari ketergantungan alkohol (lihat bagian 5). Tetapi mengapa varian alel ini lebih banyak terjadi pada populasi Asia?

  • Satu hipotesis menjelaskan bahwa ADH dan ALDH yang mungkin memiliki alel-alel ini, memiliki kelebihan yang lain, seperti yang dijelaskan pada Drosophila ADH-S (lihat bagian 10), namun sama halnya dalam konteks fungsi biologis lainnya selain metabolisme alkohol. Parameter selektif apa yang mungkin tidak diketahui, tapi fungsi ini mungkin (atau mungkin secara evolusi) lebih penting daripada risiko kadar toksik asetaldehida, terutama di Asia.
  • Hipotesa kedua mengemukakan bahwa konsentrasi asetaldehida yang lebih tinggi dapat membantu melindungi dari penyakit endemik atau parasit di Asia.
  • Selanjutnya, distribusi etnik dari varian ADH dan ALDH nampaknya berkorelasi dengan perbedaan budaya yang dapat menyebabkan atau konsekuensi dari perubahan enzimatik. Dengan demikian, ketersediaan air minum yang aman merupakan fenomena yang sangat baru karena inovasi teknis. Untuk menghindari patogen dan penyakit, nenek moyang kita minum air yang telah dididihkan dan minum teh (orang timur) atau memproduksi dan minum alkohol (orang barat). Di Asia, budaya ini memungkinkan seleksi positif untuk karakteristik menguntungkan yang potensial dari varian ADH1B*2 dan ALDH2*2 sedangkan pada budaya barat pilihan untuk detoksifikasi alkohol yang efisien pastilah menjadi kriteria seleksi yang lebih kuat.
Penulis:Jennifer Harbottle (RINH), Surita Lawes (Loreto), Sanjai Patel (FLS), Andreas Prokop (FLS)
Penerjemah:Firzan Nainu dan Rudi Arfiansyah (FFUH)